焊縫質(zhì)量離線檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景

李俊樂，黃珅，林文俏，譚健，李典，許月文，汪侃炎，陳聰

1.湖南大學(xué)整車先進(jìn)設(shè)計(jì)制造技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖南長(zhǎng)沙 410082 2.廣州衛(wèi)亞汽車零部件有限公司 廣東廣州 511300

1 序言

焊接已成為各個(gè)行業(yè)，尤其是現(xiàn)代化工業(yè)中不可缺少的加工技術(shù)，是材料連接的最重要方法之一。當(dāng)焊接參數(shù)的調(diào)節(jié)不當(dāng)或在環(huán)境因素的影響下，焊縫會(huì)出現(xiàn)氣孔、夾渣、裂紋、未熔合和未焊透等缺陷。此時(shí)，在工件被投入使用之前，對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)就變得尤為重要，可極大地減少工件返修，以及發(fā)生事故的代價(jià)與損失。目前，焊縫檢測(cè)手段較多，主要包括光學(xué)視覺、超聲波、渦流、磁粉、弱磁、磁光成像、滲透和紅外等檢測(cè)方法，其中磁粉、弱磁和滲透檢測(cè)方法由于存在精度不高、操作繁瑣，以及檢測(cè)過程有害健康等缺點(diǎn)，近幾年的研究與發(fā)表的論文數(shù)量較少，故本文不對(duì)其做詳細(xì)敘述，具體情況見表1。通過查找近7年的文獻(xiàn)得知，國內(nèi)學(xué)者對(duì)視覺、超聲波、磁光成像檢測(cè)方法研究較多。光學(xué)視覺使用的硬件設(shè)備有CMOS、CCD相機(jī)，比較適合檢測(cè)焊縫表面質(zhì)量及成形情況。因超聲波探測(cè)儀便于攜帶、價(jià)格低廉，對(duì)此的研究比較火熱。

表1 焊縫無損檢測(cè)方法比較

2 檢測(cè)方法

2.1 結(jié)構(gòu)光視覺檢測(cè)

結(jié)構(gòu)光視覺是指將具有特殊編碼或規(guī)律的結(jié)構(gòu)光投射到被測(cè)物體表面，被物體獨(dú)特的構(gòu)造表面反射，通過獲取反射光模板，經(jīng)過圖像解調(diào)濾波處理，再結(jié)合三角測(cè)量原理就能得到物體的三維信息。根據(jù)發(fā)出光源的不同，可以分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光、多線結(jié)構(gòu)光及面結(jié)構(gòu)光等。基于結(jié)構(gòu)光視覺的焊縫檢測(cè)裝置如圖1所示。

圖1 基于結(jié)構(gòu)光視覺的焊縫檢測(cè)裝置

有學(xué)者注重對(duì)焊縫三維形貌和余高與熔寬的研究，楊國威等[1]設(shè)計(jì)并搭建了基于面結(jié)構(gòu)光光柵投影的焊后焊縫表面三維輪廓測(cè)量系統(tǒng)，可一次性較快速地獲取焊縫表面輪廓信息，測(cè)量精度0.0968mm。濾波后的光柵焊縫條紋如圖2所示。

圖2 濾波后的光柵焊縫條紋

NGUYEN等[2]采用根據(jù)激光三角測(cè)量原理設(shè)計(jì)和制造的實(shí)時(shí)激光焊接質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，可以檢測(cè)典型的焊接表面缺陷，測(cè)量高度誤差＜±0.1 mm、寬度誤差＜±0.18 mm。熊碧濤等[3]設(shè)計(jì)了一種基于結(jié)構(gòu)光傳感器的三維焊縫測(cè)量平臺(tái)，測(cè)量動(dòng)力電池外殼焊縫高度和寬度，測(cè)量精度達(dá)到微米級(jí)，焊縫高度誤差在0.001mm左右、寬度誤差在0.01mm左右。DONG等[4]提出了一種基于自動(dòng)NDT的平行結(jié)構(gòu)光的焊接線檢測(cè)方法，使用Mobilenet-SSD模型來檢測(cè)投影激光條紋圖像的感興趣區(qū)域，提取激光條紋的中心，將通過笛卡爾轉(zhuǎn)換方法獲得的多組焊縫邊界組合來優(yōu)化焊縫模型并準(zhǔn)確檢測(cè)焊縫，算法的時(shí)間成本＜30ms，其檢測(cè)的距離誤差和角誤差分別不超過1mm和±1°。胡丹等[5]提出了一種基于線結(jié)構(gòu)光的焊縫視覺成形檢測(cè)系統(tǒng)，基于邊界限定的灰度重心法來提取激光條紋中心線，以單像素的激光條紋為信息源來表征焊縫輪廓，融合多特征點(diǎn)提取算法實(shí)現(xiàn)激光條紋輪廓特征點(diǎn)的檢測(cè)，以角焊縫為檢測(cè)對(duì)象，測(cè)量誤差在0.2mm以內(nèi)。陳英紅等[6]提出一種基于 Fast-RCNN 與結(jié)構(gòu)光的管道縱焊縫三維形態(tài)參數(shù)檢測(cè)方法，可以一次性檢測(cè)出焊縫余高、熔寬、咬邊、錯(cuò)邊量和棱角度5個(gè)參數(shù)，且具有較低的測(cè)量不確定度，其中熔寬、余高的測(cè)量不確定度較JJG 704－2005說明的焊縫檢驗(yàn)尺測(cè)量不確定度分別降低89%、85%。結(jié)構(gòu)光視覺檢測(cè)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是利用深度學(xué)習(xí)對(duì)缺陷進(jìn)行分類，常用的分類方法有BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)以及各種分類器的集成等，分類準(zhǔn)確率可以達(dá)到95%以上[7-10]。 KUMAR等[11]針對(duì)MIG對(duì)接焊開發(fā)了一種使用CCD攝像頭捕獲焊接表面圖像的檢查系統(tǒng)，獲得4個(gè)區(qū)域圖像特征的平均灰度，以識(shí)別接頭表面缺陷并進(jìn)行分類，總體準(zhǔn)確率達(dá)到95%（見表2）。丁曉東等[12]提出一種改進(jìn)的焊縫特征提取算法來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜焊縫特征點(diǎn)的識(shí)別，利用常規(guī)截距法提取焊縫候選特征點(diǎn)，再根據(jù)焊縫最高點(diǎn)與候選特征點(diǎn)的幾何關(guān)系確定焊縫特征點(diǎn)，試驗(yàn)證明，改進(jìn)后的算法提取特征點(diǎn)精度高于一般檢測(cè)法。結(jié)構(gòu)光視覺的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)就是可以重建焊縫三維模型，褚慧慧等[13]提出了基于線結(jié)構(gòu)光＋CCD相機(jī)的主動(dòng)視覺模式的焊后焊縫成形質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)，將采集到的三維信息用Matlab軟件進(jìn)行重建焊縫表面三維模型，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊縫熔寬、余高和錯(cuò)配參數(shù)的變化趨勢(shì)（見圖3）。針對(duì)檢測(cè)環(huán)境弧光干擾以及高反光的問題，HAN等[14]開發(fā)了帶有窄帶光濾光片的結(jié)構(gòu)光視覺傳感器，可以減少焊接中弧光、飛濺等干擾，對(duì)焊縫進(jìn)行分類，測(cè)量焊縫尺寸，評(píng)估焊縫質(zhì)量。YAN等[15]構(gòu)建了投影結(jié)構(gòu)光和明暗恢復(fù)形狀的復(fù)合三維視覺系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)光采用正弦條紋編碼，明暗恢復(fù)形狀模型，雙光源系統(tǒng)恢復(fù)鋁合金表面的梯度，實(shí)現(xiàn)了高反光金屬材料焊縫的三維測(cè)量。

圖3 焊縫形貌的三維重建

表2 結(jié)構(gòu)光視覺檢測(cè)

綜上所述，結(jié)構(gòu)光視覺檢測(cè)方法只能檢測(cè)焊縫表面缺陷，主要參數(shù)有焊縫余高和寬度，測(cè)量精度在0.001～0.2mm，利用軟件處理采集到的焊縫數(shù)據(jù)可以重建焊縫形貌。利用深度學(xué)習(xí)可以對(duì)缺陷進(jìn)行分類，整體分類準(zhǔn)確率達(dá)到95%。針對(duì)視覺檢測(cè)有焊接弧光干擾或高反光材料的問題，可以增加窄帶光濾光片或采用正弦條紋編碼結(jié)構(gòu)光的方法來減少干擾。

2.2 超聲波檢測(cè)

超聲波是頻率＞20k H z的一種機(jī)械波，用于鋼鐵材料檢測(cè)的超聲波頻率一般在1～5MHz范圍內(nèi)[16]。超聲波具有穿透力強(qiáng)、靈敏度高、檢測(cè)設(shè)備便捷，以及操作安全等優(yōu)點(diǎn)[17]。超聲波檢測(cè)就是指用超聲波來檢測(cè)材料、工件以及焊縫質(zhì)量，并以超聲波檢測(cè)儀顯示檢測(cè)結(jié)果的一種無損檢測(cè)方法。但超聲波在材料中傳播時(shí)受金屬組織體積（特別是晶粒大小）的影響很大，存在檢測(cè)信號(hào)衰減過大、信噪比低的問題，不適用于檢測(cè)存在各向異性、組織粗大的奧氏體不銹鋼焊接件[18，19]。對(duì)于跨在焊縫上的超聲波檢測(cè)需要將焊縫磨平，無余高，應(yīng)在考慮綜合成本、是否有缺陷懷疑以及檢測(cè)對(duì)象重要程度的前提下，再?zèng)Q定是否采用超聲波檢測(cè)[20，21]。基于超聲波來檢測(cè)焊縫質(zhì)量的方法可細(xì)分很多種，目前主要流行超聲波衍射時(shí)差法（TOFD）和超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)（PAUT）。

超聲波TOFD檢測(cè)技術(shù)是基于惠更斯原理，利用來自缺陷尖端的衍射信號(hào)來檢測(cè)和測(cè)量反射體的超聲波檢測(cè)技術(shù)，如圖4所示。選擇兩個(gè)中心頻率相同的縱波換能器分別作為發(fā)射器和接收器，放置在檢測(cè)區(qū)域的兩側(cè)，平行于焊縫的中心軸進(jìn)行掃描。接收到的信號(hào)在時(shí)間上依次由缺陷的側(cè)向波、上尖端波和下尖端波以及后壁反射波組成[22]。根據(jù)兩探頭放置位置與掃描方向的不同，可分為非平行掃查、偏置非平行掃查、平行掃查3種方式[23]。TOFD衍射波波幅不會(huì)受到聲束角影響，能發(fā)現(xiàn)任何方向的焊接缺陷，檢測(cè)成功率極高，可計(jì)算出缺陷距表面高度，但不能精準(zhǔn)測(cè)量點(diǎn)狀缺陷和橫向缺陷，TOFD圖像識(shí)別和判讀困難，對(duì)缺陷定性的準(zhǔn)確性低[24]。針對(duì)橫向裂紋，羅志偉等[25]提出將兩個(gè)探頭布置在焊縫同一側(cè)，通過水耦合沿焊縫進(jìn)行掃查，能有效對(duì)橫向裂紋進(jìn)行定量和定位，最淺能檢測(cè)焊縫下2mm深的缺陷，相對(duì)誤差＜10%。超聲波TOFD獨(dú)特的檢測(cè)原理使其檢測(cè)表面存在盲區(qū)。丁寧等[26]基于波形轉(zhuǎn)換理論提出盲區(qū)抑制方法，該方法可將近表面盲區(qū)抑制到1.00mm。江雁山等[27]用超聲波衍射時(shí)差法檢測(cè)管道對(duì)接焊縫，與射線檢測(cè)作對(duì)比，衍射時(shí)差法檢測(cè)面積型缺陷效果更佳，檢測(cè)結(jié)果更為準(zhǔn)確，可對(duì)缺陷深度、高度進(jìn)行測(cè)量。除了缺陷定性外，超聲波檢測(cè)對(duì)于大壁厚樣品也具有較高的檢測(cè)準(zhǔn)確率。黃輝等[28]以厚壁不對(duì)稱對(duì)接焊縫為對(duì)象進(jìn)行仿真模擬，采用不同楔塊和探頭組合進(jìn)行修正，驗(yàn)證了超聲波衍射時(shí)差法檢測(cè)大壁厚不對(duì)稱焊縫實(shí)際應(yīng)用的可行性。孫旭等[29]利用超聲波衍射時(shí)差法對(duì)合金鋼焊縫中的小尺寸裂紋實(shí)施檢測(cè)，采用自回歸普外推技術(shù)對(duì)裂紋上下端點(diǎn)的衍射波混疊信號(hào)進(jìn)行分離處理，實(shí)現(xiàn)厚度100.0mm合金鋼中深度50.0mm處高度1.0mm裂紋的定量檢測(cè)，相對(duì)誤差≤5.3%。程茂等[30]采用TOFD技術(shù)成功檢測(cè)到厚度分別為10mm和30mm的鋁合金焊縫中密集氣孔、氣孔、密集夾鎢、夾鎢、條形缺陷、未熔合、未焊透及裂紋等8種焊縫缺陷。

圖4 超聲波TOFD檢測(cè)原理

除此之外，大量學(xué)者針對(duì)提高檢測(cè)精度、降低檢測(cè)誤差開展了一系列研究。黎文超等[31]提出深度重采樣疊加算法來提高奧氏體不銹鋼焊縫的TOFD檢測(cè)能力，采樣疊加信號(hào)信噪比隨疊加次數(shù)的增大而增大，疊加8次過后，信噪比達(dá)到4.82，比未處理信號(hào)最高信噪比提高近82%。叢森等[32]設(shè)計(jì)了使用幅度加權(quán)調(diào)頻編碼激勵(lì)信號(hào)的TOFD檢測(cè)方法，綜合提高了粗晶奧氏體不銹鋼焊縫缺陷檢測(cè)的時(shí)間分辨力、檢測(cè)信噪比和缺陷定量定位精度，獲得的缺陷定位定量測(cè)量的平均相對(duì)誤差為3.8%，較常規(guī)激勵(lì)降低了47%。常規(guī)TOFD與幅度加權(quán)調(diào)頻激勵(lì)TOFD檢測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖5所示。

圖5 兩種TOFD檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

超聲波相控陣檢測(cè)結(jié)果直觀、圖像可視化，有利于缺陷的識(shí)別與定性，數(shù)據(jù)可以儲(chǔ)存起來并用于動(dòng)態(tài)回放分析[33]。超聲波相控陣換能器是由一組相對(duì)獨(dú)立的壓電晶片陣元組成，每個(gè)獨(dú)立的陣元都能通過電子控制發(fā)射超聲波波束，按照不同的規(guī)則激發(fā)所有陣元或部分陣元，各陣元所發(fā)射的聲束進(jìn)行疊加而形成不同的波陣面，達(dá)到偏轉(zhuǎn)、聚焦及掃描等效果[34]。因此，相控陣超聲波檢測(cè)覆蓋面較大，可以提高檢測(cè)覆蓋率，降低漏檢可能性[35]。常規(guī)超聲波相控陣不能檢測(cè)過薄的零件焊縫，國內(nèi)學(xué)者李衍[36]遵循歐標(biāo)的超聲波相控陣工藝有效地掃查檢測(cè)和定量評(píng)定薄至4mm的焊縫，比標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)厚度下限6mm還要薄2mm，但國外學(xué)者PASSINIA等[37]采用脈沖/回聲超聲波相控陣技術(shù)，可以檢測(cè)1.6mm厚的AA6013合金激光焊接頭，并將其與X射線和金相檢查進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能夠通過衰減回聲信號(hào)的幅度來識(shí)別分組孔隙率的存在，在樣品上發(fā)現(xiàn)的最大孔徑約為300μm。相控陣能有效地檢測(cè)出面積型缺陷，周正干等[38]擴(kuò)展了現(xiàn)有基于單陣列換能器的全聚焦超聲波成像方法，提出了針對(duì)未焊合面積型缺陷的一種雙線性陣列全聚焦成像方法，在試驗(yàn)中檢測(cè)到的最小缺陷為φ0.6mm。張麗娜等[39]研究發(fā)現(xiàn)，相控陣超聲波檢測(cè)對(duì)攪拌摩擦焊焊縫的根部弱結(jié)合等面積型缺陷和孔洞等體積型缺陷都有較好的檢測(cè)能力。由于相控陣探頭型號(hào)多樣且可以靈活布置，因此可以檢測(cè)復(fù)雜焊縫，F(xiàn)U等[40]選用2.5MHz 64el雙元件矩陣陣列探頭和2.5MHz 64el單線陣列探頭檢測(cè)電子束對(duì)接焊焊縫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)大高寬比垂直焊縫的檢測(cè)，檢測(cè)寬度靈敏度為0.2mm。粗糙表面會(huì)影響超聲波檢測(cè)的結(jié)果，TIAN等[41]建立了結(jié)合背景差分法、平方和算法提取近檢測(cè)面缺陷回波特征的數(shù)學(xué)模型，可有效地抑制殘余界面回波，近表面缺陷的定位和定量精度分別達(dá)到0.2mm和0.3mm。有學(xué)者致力于提高相控陣檢測(cè)的耦合能力。李衍[42]驗(yàn)證了超聲波相控陣全矩陣捕獲和全聚焦成像法（TFM）對(duì)管環(huán)縫檢測(cè)的可行性和可靠性，解決了常規(guī)相控陣對(duì)管環(huán)縫超聲波檢測(cè)的耦合障礙問題。錢盛杰等[43]提出了一種將柔性相控陣探頭置于管子內(nèi)壁進(jìn)行水浸檢測(cè)的新方法，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，成功地檢測(cè)出了插入式管座角焊縫中的裂紋、夾渣和氣孔缺陷。相控陣檢測(cè)已廣泛應(yīng)用于核電站反應(yīng)堆和管道的異種金屬焊縫檢測(cè)中[44，45]。KUMAR等[46]采用雙陣列探頭對(duì)三金屬焊接接頭進(jìn)行相控陣超聲波檢測(cè)，因?yàn)槿鄢氐母飨虍愋院筒痪鶆蛱匦裕詴?huì)導(dǎo)致光束偏斜，以及檢測(cè)、定位和測(cè)量的不連續(xù)性，但經(jīng)研究，雙陣列探頭能有效檢測(cè)未熔合缺陷，提高三金屬焊縫檢測(cè)的信噪比。由于相控陣探頭的靈活布置，使其可以檢測(cè)復(fù)雜曲面焊縫，SEONG等[47]開發(fā)了一種靈活的PAUT探頭和一種半自動(dòng)掃描儀，在確保檢測(cè)數(shù)據(jù)一致性和再現(xiàn)性的前提下，為法蘭、彎頭、異徑管和支管等的焊縫進(jìn)行了檢測(cè)。LI等[48]將換能器與楔塊集成，沿著航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片對(duì)接焊縫緊密布置（見圖6），通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以清晰地分辨出裂紋深度＞0.2mm的缺陷回波信號(hào)，已成功應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，在復(fù)雜曲面構(gòu)件的對(duì)接焊縫中有良好的應(yīng)用前景。相控陣檢測(cè)原理如圖7所示，不同激勵(lì)下的超聲波檢測(cè)優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)見表3。

圖6 相控陣檢測(cè)探頭沿航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片布置

圖7 相控陣檢測(cè)原理

表3 不同激勵(lì)下的超聲檢測(cè)

綜上所述，TOFD衍射波方法能夠檢測(cè)絕大多數(shù)焊接缺陷，且具有較高的準(zhǔn)確率，但對(duì)點(diǎn)狀缺陷和橫向缺陷無法精準(zhǔn)識(shí)別。然而，通過改變探頭位置能夠很好地解決這一難題，采用波形轉(zhuǎn)換理論的方法也能抑制檢測(cè)盲區(qū)，提高檢測(cè)精度。同時(shí)，對(duì)于壁厚1～50mm的焊接樣品缺陷檢測(cè)，相對(duì)誤差＜5.3%。采用幅度加權(quán)調(diào)頻激勵(lì)的TOFD，也能夠進(jìn)一步提高檢測(cè)分辨力。

超聲波相控陣檢測(cè)不適用于薄壁零件，但采用脈沖/回聲技術(shù)，可以降低相控陣檢測(cè)厚度下限值。在檢測(cè)未熔合缺陷、面積型缺陷、體積型缺陷時(shí)有較高靈敏度。超聲波相控陣檢測(cè)可以用于異種金屬焊縫，且有較好的檢測(cè)效果。選擇不同型號(hào)探頭和不同布置方式，可檢測(cè)一些復(fù)雜焊縫，如大高寬比焊縫、各種曲率焊縫。

2.3 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)技術(shù)是一種基于電磁感應(yīng)原理的非接觸式無損檢測(cè)技術(shù)（見圖8），當(dāng)檢測(cè)線圈靠近待測(cè)工件時(shí)，工件表面產(chǎn)生渦流，缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致渦流流向改變，通過檢測(cè)渦流的大小和分布能判斷是否有缺陷以及缺陷所在位置[49]。該檢測(cè)技術(shù)具有靈敏度高、分辨力高、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能靜態(tài)及動(dòng)態(tài)測(cè)量等特點(diǎn)，可用于高溫、薄壁管、細(xì)線、零件內(nèi)孔表面等其他檢測(cè)方法難以進(jìn)行檢測(cè)的特殊場(chǎng)合[50]。

圖8 電渦流檢測(cè)原理

目前，國內(nèi)外主要的渦流檢測(cè)技術(shù)主要包括多頻渦流檢測(cè)技術(shù)（M F E C T）、交變磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)（ACFM）、脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)（PECT）、遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)（RFECT）、渦流陣列檢測(cè)技術(shù)（ECAT）及渦流熱成像檢測(cè)技術(shù)（ECTT）等[51，52]。

多頻渦流檢測(cè)技術(shù)（MFECT）是使用多個(gè)不同頻率的激勵(lì)電流作為激勵(lì)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多參數(shù)檢測(cè)。王超等[53]提出了基于兩種激勵(lì)頻率數(shù)據(jù)融合的電渦流焊接缺陷檢測(cè)方法，同時(shí)抑制了焊接表面紋理和焊接鋁合金板夾角引起的干擾信號(hào)，可以成功檢測(cè)到在單獨(dú)兩個(gè)激勵(lì)頻率下很難清晰體現(xiàn)的直徑＜1mm的亞表面缺陷。交變磁場(chǎng)測(cè)量技術(shù)可以精確測(cè)量表面裂紋尺寸。陳濤等[54]設(shè)計(jì)了一種能夠用于焊縫缺陷檢測(cè)的旋轉(zhuǎn)渦流探頭，該探頭能夠有效檢測(cè)出鋼板表面各個(gè)方向缺陷，允許探頭與試件有0.3～1.2mm的提離距離，能夠適應(yīng)焊縫不規(guī)則表面并有效識(shí)別焊縫缺陷。馬冰洋等[55]采用304不銹鋼自制了一種通過兩個(gè)矩形線圈十字交叉的焊縫檢測(cè)渦流探頭，檢測(cè)出了0.5mm和1mm深的缺陷，并發(fā)現(xiàn)探頭以兩線圈相交的角平分線為掃查方向時(shí)，傳感器靈敏度最高，才能避免漏檢。LI等[56]基于傳統(tǒng)交流電場(chǎng)測(cè)量（ACFM）技術(shù)提出了一種高靈敏度檢測(cè)任意角度裂紋的旋轉(zhuǎn)交變磁場(chǎng)測(cè)量方法和水下測(cè)試系統(tǒng)，克服了ACFM定向檢測(cè)的局限性。脈沖渦流檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)較深層缺陷和多層復(fù)雜結(jié)構(gòu)。遠(yuǎn)場(chǎng)渦流檢測(cè)技術(shù)具有較強(qiáng)金屬管壁穿透能力，可檢測(cè)金屬內(nèi)外壁缺陷。其中，渦流熱成像檢測(cè)與渦流陣列檢測(cè)由于檢測(cè)結(jié)果直觀明了、可進(jìn)行大面積高速掃描，因此已成為當(dāng)前研究的主要熱點(diǎn)。

渦流熱成像技術(shù)（ECTT）是一種混合成像技術(shù)，它將電磁生熱與瞬態(tài)紅外成像相結(jié)合，從而在相對(duì)較大區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速有效檢測(cè)缺陷，由于采用熱像儀檢測(cè)呈現(xiàn)缺陷位置與大小，其結(jié)果直觀準(zhǔn)確。渦流熱成像技術(shù)根據(jù)激勵(lì)源的不同分為渦流脈沖熱成像技術(shù)（ECPT）和渦流鎖相熱成像技術(shù)[57]。王勇勇等[58]采用電渦流熱成像技術(shù)（ECPT）檢測(cè)帶腐蝕層的T形角焊縫表面自然裂紋，開始由于加熱不均勻使得缺陷圖像特征不明顯，后利用主成分分析算法消除不均勻加熱的影響，驗(yàn)證了ECPT技術(shù)對(duì)角焊縫表面自然裂紋檢測(cè)的有效性。檢測(cè)不同材料的焊縫時(shí)需要設(shè)置不同的激勵(lì)參數(shù)，邢曉軍等[59]采用脈沖渦流熱成像技術(shù)檢測(cè)金屬材料的裂紋，發(fā)現(xiàn)45鋼和不銹鋼的趨膚深度相差很大，導(dǎo)致檢測(cè)時(shí)的渦流場(chǎng)與溫度場(chǎng)分布規(guī)律不同，45鋼渦流緊貼裂紋，裂紋邊沿的溫度較高，而不銹鋼渦流被推離裂紋，裂紋邊沿的溫度較低。因此，在檢測(cè)兩種試件裂紋時(shí)，設(shè)定的激勵(lì)電流頻率和加熱時(shí)間也不一樣，45鋼需要較長(zhǎng)的高頻加熱時(shí)間，而不銹鋼則需要短的低頻加熱時(shí)間。王曉娜等[60]針對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)檢測(cè)漆層下金屬表面裂紋信噪比低的問題，提出了一種基于方向調(diào)制原理的渦流熱成像檢測(cè)技術(shù)，可檢測(cè)出0.902mm漆層下的人工裂紋與 0.517mm 漆層下的模擬自然裂紋，方向調(diào)制方法有效提升了漆層下裂紋的檢測(cè)能力。針對(duì)渦流檢測(cè)存在的趨膚效應(yīng)，限制了渦流熱成像檢測(cè)亞表面缺陷的能力，WU等[61]提出了一種基于DC偏置磁化的渦流熱成像檢測(cè)技術(shù)，通過增強(qiáng)趨膚深度層中的磁導(dǎo)率失真來增加缺陷區(qū)域和完好區(qū)域之間的熱對(duì)比度，可以檢測(cè)到表面下6mm的亞表面缺陷。渦流脈沖熱成像系統(tǒng)如圖9所示，渦流鎖相熱成像系統(tǒng)如圖10所示，渦流熱成像檢測(cè)結(jié)果如圖11所示。

圖9 渦流脈沖熱成像系統(tǒng)

圖10 渦流鎖相熱成像系統(tǒng)

圖11 渦流熱成像檢測(cè)結(jié)果

渦流陣列檢測(cè)（ECAT）的探頭由多個(gè)獨(dú)立工作的線圈構(gòu)成，線圈可以布置在具有一定柔性的橡膠墊上，以滿足小曲率曲面零件檢測(cè)要求[62]。通過電子切換線圈來代替機(jī)械式探頭掃描，并通過多路復(fù)用器收集信號(hào)來完成陣列的巡回檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)大面積高速測(cè)量，達(dá)到單個(gè)線圈相同的測(cè)量精度和分辨力[63，64]。張義鳳[65]采用渦流陣列檢測(cè)技術(shù)對(duì)電纜不銹鋼護(hù)套焊縫進(jìn)行檢測(cè)，研究了提離距離、檢測(cè)頻率對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響，給出了不同深度槽形缺陷和孔形缺陷的提離距離極限值，當(dāng)缺陷深度為1.2mm時(shí)，兩種缺陷的提離距離極限值均達(dá)到2mm。李來平等[64]采用陣列渦流檢測(cè)方法成功檢測(cè)出了鋁合金熔焊縫表面長(zhǎng)3mm、寬0.2mm、深0.3mm的人工槽缺陷。TAO等[66]提出了一種新型差動(dòng)多模態(tài)柔性陣列渦流探頭，具有4個(gè)模式，對(duì)不同類型缺陷敏感性不同，選擇1MHz作為探針的工作頻率，該方法可以識(shí)別尺寸為長(zhǎng)3mm、寬0.1mm、深0.5mm的平底孔和尺寸為0.8mm×0.5mm的凹槽缺陷。渦流檢測(cè)對(duì)比見表4。

綜上所述，渦流檢測(cè)由于趨膚效應(yīng)，主要檢測(cè)焊縫表面下0～1.5mm缺陷。對(duì)于渦流熱成像技術(shù)，不同材料加熱時(shí)的渦流場(chǎng)與溫度場(chǎng)有差異，主要用于檢測(cè)裂紋。經(jīng)DC偏置磁化后，渦流熱成像可以檢測(cè)到亞表面下6mm的缺陷。

對(duì)于渦流陣列檢測(cè)，檢測(cè)探頭由許多小線圈組成，檢測(cè)精度較高，線圈能柔性布置，可以檢測(cè)其他檢測(cè)方法無法檢測(cè)的特殊焊縫，如角焊縫、曲面焊縫等。

2.4 磁光成像檢測(cè)

磁光成像檢測(cè)（M a g n e t o-o p t i c a l I m a g e Testing）以法拉第磁光效應(yīng)成像為理論基礎(chǔ)，利用磁光傳感器對(duì)缺陷實(shí)時(shí)成像，實(shí)現(xiàn)焊縫表面微小缺陷可視化。焊縫磁光成像原理如圖12所示，磁光成像系統(tǒng)如圖14所示。電磁鐵作為磁場(chǎng)發(fā)生器放置在被測(cè)件下方，由可調(diào)的交流電源供電，使電磁鐵產(chǎn)生交流磁場(chǎng)對(duì)工件進(jìn)行激勵(lì)，工控機(jī)控制三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)調(diào)整電磁鐵的空間位置，磁光傳感器將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)并將其發(fā)送給圖像采集系統(tǒng)，即可獲得焊縫缺陷的磁光圖像[51]。

圖13 動(dòng)態(tài)磁光成像系統(tǒng)

圖14 焊縫偏移缺陷實(shí)物與紅外圖像對(duì)比

廣東工業(yè)大學(xué)高向東等[67]在2016年提出基于磁光成像的小波多尺度邊緣提取算法及主成分分析-誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（PCA-BP）缺陷分類模型，試驗(yàn)證明該方法能準(zhǔn)確識(shí)別微小凹陷、未熔合和焊偏等焊接缺陷，分類準(zhǔn)確率可達(dá)90.80%。2017年，高向東團(tuán)隊(duì)研究出了一種交變磁場(chǎng)激勵(lì)下焊縫表面及亞表面缺陷的磁光成像動(dòng)態(tài)無損檢測(cè)方法，可以識(shí)別高強(qiáng)鋼焊件中的焊縫特征（未熔透、裂紋、凹坑和無缺陷），缺陷分類模型的整體識(shí)別率達(dá)到92.6%，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫表面及亞表面缺陷的自動(dòng)檢測(cè)[68]。2019年，發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的激勵(lì)下磁光圖像包含的焊縫磁信息比在恒定磁場(chǎng)激勵(lì)下更多，并發(fā)現(xiàn)母材厚2mm時(shí)，磁光成像試驗(yàn)磁光傳感器最佳提離度為0.8mm[69]。2020年，提出了基于感應(yīng)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的多方向磁光成像技術(shù)，解決了在交變磁場(chǎng)激勵(lì)下磁光成像只能定向檢測(cè)的問題，以檢測(cè)多方向裂紋，并通過試驗(yàn)證明了該NDT系統(tǒng)性能，該系統(tǒng)可以通過掃描來檢測(cè)不可見的任意角度焊縫缺陷[70]。莫玲等[71]采用磁光傳感器采集焊接過程的微間隙焊縫（間隙＜0.1mm）區(qū)域圖像，對(duì)圖像在RGB和HSV彩色空間的灰度分布進(jìn)行分析，確定閾值提取焊縫邊緣，能有效地檢測(cè)肉眼難以分辨的微間隙焊縫。焊接缺陷動(dòng)態(tài)磁光圖像見表5，磁光成像檢測(cè)對(duì)比見表6。

表5 焊接缺陷動(dòng)態(tài)磁光圖像

表6 磁光成像檢測(cè)對(duì)比

綜上所述，磁光成像檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)焊縫的整體準(zhǔn)確率＞90%，在對(duì)焊縫磁化激勵(lì)時(shí)，選用交變磁場(chǎng)或旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的檢測(cè)效果優(yōu)于恒定磁場(chǎng)。可對(duì)間隙＜0.1mm的焊縫進(jìn)行檢測(cè)，且成像比較清晰，不需要專業(yè)人員與一定的工作經(jīng)驗(yàn)也能準(zhǔn)確判別缺陷。但檢測(cè)裝置過于復(fù)雜，需要在焊縫背面設(shè)置電磁鐵激勵(lì)裝置，正面放置磁光傳感器，不能檢測(cè)容器以及不規(guī)則或表面不平整的型材焊縫。

2.5 紅外檢測(cè)

紅外檢測(cè)即紅外熱成像IRT，基本原理是通過紅外熱成像儀獲取焊縫中的熱量分布，因缺陷處特殊結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)溫度差異，因此來觀察熱成像圖指出缺陷位置與大小，具有非接觸、高檢測(cè)速度、高分辨力和靈敏度等優(yōu)勢(shì)，由于熱傳導(dǎo)而導(dǎo)致的內(nèi)部缺陷的可檢測(cè)性以及在大檢測(cè)區(qū)域上的實(shí)時(shí)測(cè)量。

紅外熱成像檢測(cè)技術(shù)按其檢測(cè)方式可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式[72]。被動(dòng)熱成像是依靠工件、焊縫剛加工完自身殘余熱量用于成像。主動(dòng)熱成像采用外部激發(fā)源，比如閃光燈激發(fā)、渦流激發(fā)、激光激發(fā)、微波激發(fā)和聲波激發(fā)等，使被檢測(cè)的工件中產(chǎn)生熱量[73]。在各種紅外檢測(cè)中，超聲波紅外檢測(cè)應(yīng)用得比較廣泛。

超聲波紅外熱成像檢測(cè)是利用低頻超聲波脈沖作用在焊縫結(jié)構(gòu)中，引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)，超聲波傳播到缺陷時(shí)會(huì)引起缺陷接觸面相互摩擦，導(dǎo)致缺陷區(qū)域溫度升高，通過紅外熱像儀檢測(cè)表面溫度變化來得到紅外熱波序列圖像，經(jīng)分析判斷缺陷具體信息[74]。楊忠華等[75]針對(duì)超聲波檢測(cè)與紅外熱成像檢測(cè)兩者單獨(dú)檢測(cè)效果不佳的問題，提出超聲波紅外熱成像檢測(cè)法，利用超聲波在焊縫缺陷中傳播產(chǎn)生激勵(lì)作用，導(dǎo)致缺陷部位的表面溫度異常升高，該方法平均識(shí)別率達(dá)92.36%，分別高于單一超聲波檢測(cè)75.50%和單一紅外熱成像檢測(cè)87.25%的平均識(shí)別率。葉朝偉等[76]采用超聲波紅外檢測(cè)系統(tǒng)精準(zhǔn)檢測(cè)了長(zhǎng)輸天然氣管道焊接裂紋，裂紋提取的完整性與質(zhì)量較高，當(dāng)裂紋長(zhǎng)度＜12mm、寬度＜4mm時(shí)，檢測(cè)到的裂紋長(zhǎng)寬與實(shí)際長(zhǎng)寬完全相同。曹宏巖等[77]利用紅外熱成像無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)TIG焊接過程中焊縫可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)焊縫出現(xiàn)夾渣、焊縫偏移缺陷時(shí)，熱成像圖上會(huì)出現(xiàn)明顯的溫度場(chǎng)分布不均。焊縫偏移缺陷實(shí)物與紅外圖像對(duì)比如圖14所示。紅外檢測(cè)方法對(duì)比見表7。

表7 紅外檢測(cè)方法對(duì)比

綜上所述，被動(dòng)式紅外熱成像技術(shù)，檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但需要焊接后利用自身熱量及時(shí)檢測(cè)。主動(dòng)式紅外熱成像需要激勵(lì)加熱，方便與其他檢測(cè)方式結(jié)合。但紅外熱成像儀價(jià)格很高，且壽命有限，故紅外熱成像檢測(cè)的成本很高。

3 結(jié)束語

本文主要從結(jié)構(gòu)光視覺檢測(cè)、超聲波檢測(cè)、渦流檢測(cè)、磁光成像檢測(cè)及紅外檢測(cè)方法對(duì)焊后焊縫的無損檢測(cè)進(jìn)行了論述。發(fā)現(xiàn)各無損檢測(cè)技術(shù)單獨(dú)檢測(cè)時(shí)，會(huì)存在對(duì)某種缺陷特別敏感，檢出率比較高，卻不能較好地檢測(cè)出某種或特定方向的缺陷。視覺檢測(cè)只能檢測(cè)表面特征與缺陷，而其他檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)內(nèi)部缺陷，卻不能檢測(cè)表面形貌缺陷。在今后的焊縫質(zhì)量檢測(cè)時(shí)，可以選取兩種或多種檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)焊縫的全面檢測(cè)。