國內焊接缺陷聲學無損檢測研究綜述

遲大釗，齊聰成

（哈爾濱工業大學，先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

國內焊接缺陷聲學無損檢測研究綜述

遲大釗，齊聰成

（哈爾濱工業大學，先進焊接與連接國家重點實驗室，哈爾濱 150001）

無損檢測是保證焊接構件生產質量及保障其使用安全性的重要技術環節。在眾多的無損檢測方法中，應用最為廣泛的是基于聲學的無損檢測方法。主要闡述了超聲 C掃描、超聲 TOFD、超聲相控陣、聲發射及其他相關聲學技術的技術特點、在國內焊接領域上的工程應用及科學研究。在此基礎上，結合實驗室的研究經歷，簡要分析了相關研究方法存在的問題，并指出了技術優勢及亟待解決的問題。進而論述了超聲C掃描圖像識別困難、邊界模糊及缺陷面積難以計算、克服檢測盲區可拓展超聲 TOFD法的應用范圍，以及排除干擾信號對聲發射尤為重要的研究現狀。最后展望了基于聲學無損檢測的未來發展趨勢。

焊接缺陷；無損檢測；聲學；綜述

在焊接過程中，由于焊接材料、施焊環境及工藝偏差等原因，焊縫中常常會伴有焊接缺陷。焊接缺陷是導致焊接結構發生早期破壞并引發災難性事故的根本原因之一。為了保證焊接構件的生產質量，保障其使用安全及避免不必要的經濟損失，實施有效、可靠的焊接缺陷無損檢測十分必要。在廣泛運用的無損檢測技術中，基于聲學的無損檢測技術更適合于焊接結構內部缺陷檢測。聲學檢測技術具有檢測范圍廣、檢測深度大、傳輸速度快、對人體無害且方便使用等優勢，但受限于聲學檢測問題的復雜性、被檢測焊接結構的特殊性，基于聲學的無損檢測方法仍存在很多亟待解決的科學及技術問題。目前，在超聲C掃描、超聲TOFD、超聲相控陣、聲發射及導波等方面，國內專家學者開展了大量的研究工作。

1 超聲C掃描

超聲 C掃描可對工件內部的缺陷進行定位及定量檢測，且檢測精度較高，被廣泛運用于釬焊、點焊、激光焊、電子束焊、擴散焊等焊接接頭的缺陷檢測。

王錚等人[1]通過對多層釬焊件內層焊縫檢測中產生的多重聲束路徑疊加現象進行詳細分析，將信號門放置在合理的位置，實現了對等厚薄板釬焊結構內層焊縫的超聲C掃描檢測。熊鴻建等人[2]采用超聲水浸 C掃描的方法來檢測釬焊件焊接時存在的夾雜和未熔合等缺陷。楊蒙瑤等人[3]采用C掃描實現了釬涂焊料與石墨基體結合情況的檢測。羅明等人[4]采用了C掃描檢測了C/SiC復合材料與鈦合金薄板釬焊焊接接頭的質量。沙正驍等人[5]針對金屬蜂窩釬焊結構超聲C掃描檢測工藝不規范，難以有效定量評價焊縫質量的問題，開展了超聲C掃描定量評價工藝研究。研究發現聲束直徑在蜂窩尺寸的0.7倍以下能夠獲得滿足定量評價要求的C掃描圖像。史立豐等人[6]采用水浸超聲聚焦回波檢測法檢測鋁合金電阻點焊焊核直徑。研究發現可以較準確地確定點焊的焊核直徑。陳振華等人[7]采用超聲波 C掃描成像方法來測量點焊焊核直徑。同時，對焊核中常見的幾種缺陷如氣孔、裂紋、飛濺進行檢測，根據C掃描獲得的圖像和信號特征，判斷焊核內部缺陷的形狀及類型。張龍等人[8]基于C掃描圖像對焊核直徑進行了測量，發現超聲波水浸聚焦入射法得到的 C掃描圖像能有效觀測焊核內部形貌特征。研究發現，當焊接電流超過8000 A，電極力小于2700 N時，C掃描圖像中清晰反映出了飛濺、焊穿等缺陷。周慶祥等人[9]通過分辨薄板激光焊縫熔合區和非熔合區的 C掃描圖像來顯示整條焊縫熔合情況。徐向群等人[10]將超聲波水浸 C掃描用于電子束焊焊縫的檢測。研究表明能夠檢測直徑大于1 mm的平底孔。張弛等人[11]以鈦合金為研究對象來研究超聲 C掃描對鈦合金擴散焊接頭小缺陷的檢測能力。同時，研究了步進長度和檢測頻率對檢測能力的影響。結果表明，使用較小的步進長度和較高的檢測頻率，可提高檢測的準確度，但擴散焊界面存在大量接觸型和微小型缺陷，采用超聲C掃描法難以對其進行精確定量。

從上述的研究現狀可以看出，超聲C掃描在檢測焊接構件的缺陷上運用廣泛，檢測結果也比較可靠，但超聲C掃描也存在技術弊端，如圖像識別困難、邊界模糊及缺陷面積難以計算等問題。針對上述技術弊端，國內學者開展了相關研究工作。劉靜[12]采用雙三次圖像插值細分重建了步長為1000 μm的掃描圖像，不僅提升了分辨率，還提高了掃描效率，可實現點焊接頭超聲C掃描的快速檢測；在此基礎上，對插值后的二維掃描圖像進行圖像增強、邊緣檢測處理，獲得了清晰的熔核邊界形貌。孫鑫宇等人[13]提出了借助C掃描圖像的灰度值變化特征測量焊核直徑的方法。該方法避免了人為因素的影響，將該方法的測量值和實際值相對比，其結果具有較高的吻合度。劉海強等人[14]針對 C掃描檢測釬焊焊縫時缺陷面積難以有效計算的問題，通過設置圖像像素灰度值的閾值，將圖像邊界和周圍背景環境進行分割，較好地計算出了釬焊焊縫的缺陷面積。

2 超聲TOFD

超聲TOFD法具有精度高、定位準以及信號接收不受缺陷位向的約束，能全方位多角度檢測焊縫的各種缺陷的特點，被廣泛運用于厚壁的焊接結構缺陷的檢測。

史俊偉等人[15]采用手動超聲 TOFD掃描成像系統對攪拌摩擦焊焊接接頭進行超聲TOFD掃描。研究發現可以很好地檢出焊縫中的缺陷，證實了超聲TOFD掃描適用于特種焊接構件，尤其是攪拌摩擦焊構件的缺陷識別和可視化檢測技術研究。趙力等人[16]分別采用了脈沖反射法和TOFD法，對缺陷進行了定位、定量的方法研究。研究發現對于具有方向性的缺陷，相對于常規超聲波檢測，TOFD檢測精度更高；同時研究表明，通過脈沖反射法和TOFD法的技術互補，可獲得理想的檢測效果。彭國平等人[17]采用超聲TOFD-D掃描，成功表征了焊縫常見缺陷如側壁未熔合、根部未焊透、氣孔、裂紋等缺陷。同時，研究發現將超聲 TOFD-D掃描圖像特征與超聲 TOFD檢測信號特征相結合，可以提高對缺陷類型的識別能力。

雖然 TOFD法以其獨特的優勢為檢測人員所接受，但TOFD法也有技術弊端，如復雜幾何工件檢測困難、粗晶材料檢測困難、圖像識別和判讀受人為因素影響大及存在檢測盲區等。針對這些弊端，國內專家學者開展了相關研究，并對常規TOFD法進行有效補充與延伸。針對于 TOFD的近表面缺陷的識別問題，胡懷輝[18]分析了TOFD法的直通波的幅度分布特征，采用人工神經網絡技術對近表面的缺陷進行自動識別，并將該技術用于對鋁合金攪拌摩擦焊的接頭近表面缺陷的檢測。研究表明，能夠實現準確、有效的缺陷自動識別，有效解決了TOFD法存在近表面缺陷檢測盲區的問題。遲大釗等人[19]提出一種縱波三次反射的TOFDW檢測模式。研究發現TOFDW模式能夠有效識別近表面缺陷，且對于埋藏深度為1.0 mm的缺陷，TOFDW具有較高的量化檢測精度，對于近表面缺陷埋藏深度的測量，平均絕對誤差不超過 0.3 mm。勵凱宏[20]通過爬波TOFD檢測法較好地補充了TOFD檢測時表面的檢測盲區。針對于TOFD對奧氏體焊縫的檢測困難以及噪聲的干擾問題，張翀[21]通過優化檢測參數，降低了柱狀晶組織超聲散射對檢測信號的不利影響，并開發了基于超聲TOFD-D掃描的合成孔徑聚焦算法，有效地進一步抑制了噪聲信號，改善了缺陷的超聲 TOFD-D掃描成像結果。針對超聲TOFD圖像識別和判讀困難的問題，浙江大學的周紅明[22]采用了基于形態學與分水嶺的組合式圖像分割算法，不僅保證了計算效率，還實現了較高的分割精度，較好解決了TOFD檢測薄材焊縫缺陷的圖像識別困難的問題。由于TOFD法檢測信號相位特征的判斷受限于檢測系統的帶寬及噪聲信號的干擾，缺陷信號的相位信息往往不易于識別。針對這一問題，遲大釗等人[23]采用一種基于譜外推的改進維納逆濾波方法對超聲TOFD法檢測信號進行處理。研究結果表明，基于譜外推的改進方法能有效提高信號的時間分辨力及提取與缺陷形態相關的相位信息，從而為缺陷的定性識別及定量測量提供依據。

超聲 TOFD適合大型長、環焊縫的快速成像檢測，并在厚壁焊縫的檢測中得到了很好的應用。通過開發基于超聲 TOFD的新方法，可有效克服檢測盲區以及圖像識別困難等問題，從而實現 TOFD對大型薄壁及復雜結構焊縫的快速成像檢測，不僅拓展了這一先進技術的應用范圍，還提升了大型焊縫檢測的有效性。

3 超聲相控陣

超聲相控陣由于其靈活的聲束偏轉及聚焦性能，非常適合復雜幾何工件的檢測。上海航天精密機械研究所的王飛等人[24]針對薄壁構件攪拌摩擦焊鎖底焊縫結構件裝機狀態下檢測空間狹小、焊縫厚度薄且結構復雜的檢測難題，采用內置30°楔塊的相控陣探頭對該焊縫結構件進行檢測。研究表明，該方式能實現3 mm厚鋁合金攪拌摩擦焊鎖底結構焊縫內部缺陷的檢測。沈陽航空航天大學的易冠英等人[25]采用扇形掃查方式對攪拌摩擦焊焊縫進行檢測，確定了低通-高通濾波及激發晶片數等關鍵參數，實現了隧道缺陷及未焊透缺陷的檢測，且在隧道缺陷的深度檢測上，誤差僅有2%左右。首都航天機械公司的張麗娜等人[26]采用超聲相控陣對典型的攪拌摩擦焊的焊縫缺陷進行了檢測。結果表明，對于攪拌摩擦焊焊縫缺陷，超聲相控陣檢測技術檢測能力強，可準確檢測出面積型缺陷及體積型缺陷。南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司的萬升云等人[27]研究發現，超聲相控陣檢測技術能夠可靠地檢測聯軸節電子束焊焊縫內部缺陷和熔透深度。

在對相控陣檢測所得圖像的處理研究上，福州大學的黃躍鑫等人[28]將超聲相控陣檢測所得圖像所對應的信號進行小波分析，有效抑制了圖像中部分干擾信號的影響，同時比較完整地保留圖像中熔合界面和冷焊特征線的位置信息，實現了聚乙烯管道電熔接頭冷焊缺陷的自動識別。南昌航空大學的汪良華[29]通過相控陣檢測圖像在缺陷特征、位置和 A掃波形等方面的差異分析，歸納總結了每一類缺陷的相控陣檢測圖譜，成功識別了承壓設備對接焊縫的氣孔、裂紋及未焊透等缺陷。劉志浩[30]將超聲相控陣技術與三維可視化成像技術有機結合，并基于區域增長技術的混合繪制法來實現三維缺陷重構，實現了對接焊縫典型缺陷的圖譜特征的判別，為超聲相控陣三維成像檢測技術的普及和發展提供參考。

在常規超聲法難于檢測的摩擦焊，特別是攪拌摩擦焊的接頭缺陷檢測上，相控陣技術是潛在的行之有效的方法，但相關研究還需進一步深入。隨著超聲相控陣檢測效率及檢測精度的不斷提升，定會使相控陣檢測技術在工程上發揮更重要的作用。

4 聲發射

聲發射檢測技術不同于常規檢測方法，其原因主要是能夠動態地檢測缺陷的形成，比如焊接過程中裂紋的形成及擴展等，且能夠獲得缺陷形成過程中實時、連續的信號[31]。另外，聲發射檢測的材料種類范圍廣，大多數材料都可以成為聲發射源。

袁少波[32]通過分析焊接裂紋聲發射信號的頻率譜，發現裂紋元的形成與聲發射波形的密集程度有直接關系。重慶理工大學的朱洋等人[33]利用焊接過程檢測到的結構負載聲發射信號來表征激光和微束等離子弧兩種熱源復合的穩定性特征和復合效果。研究表明，聲發射信號的時域特征波形與焊接過程表現出良好的相關關系。華東理工大學的孫國豪等人[34]對含氣孔、條渣、未焊透及無缺陷試樣進行了聲發射信號的計數、能量和幅值的分布特點及其相關性的分析，得出了不同缺陷的特征參數分布特點和各參數之間的相關性。北京化工大學的柏青等人[35]將聲發射技術用于摩擦疊焊焊接工藝監測并利用聲發射技術監測焊接過程的平穩性來保證焊接質量。

聲發射檢測技術能否成功地應用于焊接構件，在于能否除去聲發射檢測信號中的干擾噪聲信號，只顯示有價值的信息。針對這一問題，重慶大學的吳小俊[36]用信號處理手段來分析鋼焊接接頭和鑄鐵件的聲發射信號，根據裂紋信號的特征，設計了濾波函數排除了較明顯的干擾頻率，并進行了小波分解和重構，為實現聲發射檢測技術應用于焊接過程的裂紋監測提供了良好基礎。湖南科技大學的周志鵬[37]將同步壓縮小波算法與連續小波變換分別用于焊接過程裂紋聲發射信號的處理，研究表明同步壓縮小波算法較小波分析能夠更加真實地反映信號的時間-頻率關系，較好解決了時頻圖分辨率精度不足等問題。福州大學的熊亞飛[38]通過對比不同的時頻分析方法，發現雖然他們在時域和頻域上表征出相似的信號特征，但在時頻分辨率上相差很大，而由于較高的時頻聚集性以及對干擾信號的有效排除，希爾伯特-黃變換在時頻分辨率和局部的時頻特性表現能力上更具優勢。

能進行實時監測是聲發射檢測技術的優勢所在，但由于在焊接過程中，該技術容易受到干擾噪音的影響又限制了其運用。若在焊接缺陷監測過程中對排除干擾信號進行更為深入的研究，將會使聲發射檢測技術更廣泛地運用于焊接缺陷的檢測。

5 其他聲學方法

5.1 超聲導波

超聲導波檢測由于傳播距離長、無盲區、且可實現全方位檢測的特點，引起了世界范圍內廣泛的研究。無損檢測中的超聲導波主要有Lamb波、Rayleigh波、棒波等[39—40]。由自身特性所決定，導波適合用于薄板焊接結構缺陷的檢測。清華大學的朱新杰等人[41]通過設置合理斜楔角度、壓電晶片頻率及尺寸等導波換能器的重要參數，設計研發了導波換能器。研究發現，該導波換能器有效減弱了內部的回波干擾，提高了檢測效果，可實現對焊縫及T型焊縫的檢測，能夠準確地檢測到焊接構件中與導波的波長尺寸量級相當的缺陷，為開展較大尺度焊接結構超聲導波成像檢測奠定了基礎。南昌航空大學的盛華吉[42]采用導波對軌底鋁熱焊縫中缺陷進行檢測。研究表明，當焊縫中存在缺陷時，其導波反射回波具有與余高不同的信號頻譜特征，且采用橫向振動模態軌底導波比垂直振動模態導波更容易檢測出焊縫中的缺陷。江蘇大學的張偉[43]建立了導波檢測系統，并基于導波模態對稱檢測理論設計了模態對稱算法，用于管道近焊區缺陷的識別。由于導波中的Lamb波頻散及多模態特性，在用于檢測復雜的焊接構件頗具難度。針對這一問題，哈爾濱工業大學的劉強[44]通過激勵單一模態的Lamb波，發現 A0模態對薄壁柵格激光焊接接頭的檢測效果最為理想，能有效識別0.01 mm×0.8 mm的未焊透缺陷。導波檢測技術還存在很多難題，如頻散、多模態以及與缺陷體作用后的模態轉換問題等，使導波不能最大限度地用于工程實際，并且當焊接缺陷較多時，導波回波信號將變得難以識別。在導波理論、檢測機理深入研究的基礎上，對焊接缺陷檢測回波進行信號分析及模式識別，將會提升導波在焊接結構缺陷檢測中的應用價值。

5.2 非線性超聲

非線性超聲檢測技術能夠用來檢測可以引起線性聲學性質變化的缺陷，可使用于復雜形狀的零件、復合材料結構以及大型結構的檢測，且可以用來預測材料失效行為，有效地補充和擴展了傳統線性超聲檢測技術的應用范圍。由于非線性超聲對材料中的損傷如位錯、滑移等較敏感，華東理工大學的張劍鋒[45]將之運用于奧氏體不銹鋼等工程結構材料和設備的檢測。通過對奧氏體不銹鋼的疲勞、拉伸以及棘輪損傷的檢測研究，為非線性超聲技術用于奧氏體不銹鋼設備的損傷早期檢測與評價提供了基礎。哈爾濱工業大學先進焊接與連接國家重點實驗室開展了非線性超聲焊接缺陷檢測研究。剛鐵等人[46]采用非線性超聲來擴散焊接頭的缺陷，研究發現，能夠用來檢測弱結合缺陷，且非線性效應最高，而焊接良好界面和未焊合缺陷的超聲非線性響應較弱。趙立彬等人[47]對6061鋁合金板多層多道對接弧焊接頭進行非線性超聲檢測，發現垂直透射時對裂紋檢測不敏感，而閉合裂紋的端面透射和傾斜透射法非線性效應較高。萬楚豪等人[48]對U71Mn鋼閃光對焊接頭的疲勞損傷進行非線性超聲檢測，研究表明母材的非線性系數低于焊接接頭，說明非線性超聲響應的程度與組織是否均勻有關，并利用非線性超聲對軌道鋼材和接頭的疲勞損傷程度做出評估，這對目前的鐵路安全運行具有重要意義。非線性超聲檢測技術目前正處于發展的關鍵階段，在復雜焊接結構的缺陷定性定量檢測以及如何運用于工程實際等方面還具有廣闊的研究空間。

5.3 非接觸式超聲

非接觸式超聲無需耦合劑，能靈活地產生各類波形，對被探工件表面質量要求不高，使該檢測技術具有較好的發展前景。目前用于檢測焊接缺陷的非接觸式超聲方法主要是激光超聲和電磁超聲。上海交通大學的鄭德根等人[49]采用激光超聲對2219鋁合金FSW焊縫的根部未焊合、隧道孔這兩種典型缺陷進行檢測。研究表明，基于激光超聲檢測的時、頻域特征能夠對這兩種典型缺陷進行有效識別，從而為鋁合金FSW 缺陷檢測提供一種技術途徑。南京航空航天大學的曾偉等人[50]針對常規的超聲波成像方法不能有效檢測奧氏體不銹鋼焊縫邊界及焊縫中缺陷的問題，采取了離散正弦/余弦變換和希爾伯特變換相結合的激光超聲波成像技術對該焊縫進行檢測。結果表明，該技術不僅能直觀、高效地檢測出焊縫邊界，且對焊縫中的缺陷位置、大小及形狀等也能有效檢測。中國石油天然氣管道通信電力工程總公司的楊依光等人[51]為了實現油氣管道焊縫缺陷的快速準確檢測，提出了利用脈沖激光激勵超聲的焊縫缺陷檢測方法。研究表明，該超聲檢測裝置可有效抑制低頻環境振動引起的信號噪聲，對粗糙表面的超聲波信號具有很高的探測靈敏度。中國石油天然氣股份有限公司的趙萬里等人[52]提出一種低頻振動環境下，基于激光超聲的油氣管道焊縫缺陷檢測方法。研究表明，該方法能夠對油氣管道中的缺陷位置、大小做出精確的判斷和檢測。西北核技術研究所的呂香慧等人[53]采用電磁超聲換對16MnR帶有機涂層的人工裂紋試件和預埋有焊接缺陷的焊縫試件進行檢測。結果表明，隨著涂層厚度的增加，缺陷波幅值明顯降低，可能會導致缺陷的漏檢。西安交通大學的肖盼等人[54]采用了數值模擬的方法對鎢塊-銅管熱等靜壓焊接界面進行管外施加偏置磁場的電磁超聲檢測，研究表明縱波探頭更適合用來檢測該焊接界面的缺陷。為電磁超聲信號對缺陷進行定量的檢測提供了一種途徑。雖然激光超聲和電磁超聲無需耦合，且能適應惡劣的條件具有很好的發展前景，但也存在技術弊端，如激光能量到超聲能量的轉換效率問題、激光超聲信號檢測靈敏度問題以及電磁超聲的激發和接受的效率較低，尚需進行更加深入的研究，才能使激光超聲技術和電磁超聲技術的發展和應用前景更加廣泛。

6 結論

聲學無損檢測技術作為快速、有效、綠色環保的焊接缺陷檢測方法，在現代工業中得到了廣泛的應用，為焊接結構設計及使用安全性提供了技術支持。隨著現代工業對焊接質量要求的不斷提升，聲學檢測技術也在不斷地深入研究及推廣應用。隨著計算機、信號圖像處理以及人工智能技術的發展，通過將聲學檢測技術與先進的信息處理、自動控制等技術進一步結合，將促使焊接質量無損檢測自動化、智能化及實時性的發展進程?；诼晫W的無損檢測技術在未來的工業建設中將發揮更為重要的作用。

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Research on NDT Based on Acoustic in Welding Defects Testing in China

CHI Da-zhao,QI Cong-cheng
(State Key Laboratory of Advanced Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Nondestructive testing (NDT) plays an important role in guaranteeing quality and operational security of weld component and structure. Among the nondestructive testing methods, NDT Based on Acoustic is the most widely used in weld defect detection. This paper mainly described technical characteristics, engineering applications and scientific research in domestic welding of ultrasonic C scanning, ultrasonic TOFD, ultrasonic phased array, acoustic emission and other related acoustic technologies. On this basis, in combination with research experience of our laboratory, this paper briefly analyzed the existing problems and pointed out the technological superiority and the urgent problem of relevant methods; and then discussed the fuzzy boundaries and difficulty of image recognition on ultrasonic C scan. Overcoming the detection blind area can expand the application scope of ultrasonic TOFD method. Eliminating interference signal was particularly important for acoustic emission. Finally, the future development trend of acoustic nondestructive testing was forecasted.

weld defects; nondestructive testing; acoustics; review

2017-11-16

國家自然科學基金（51375002, 51005056）

遲大釗（1976—），男，博士，副教授，主要研究方向為焊接無損檢測。

10.3969/j.issn.1674-6457.2018.01.009

TG441

A

1674-6457(2018)01-0074-08