金属探伤技术的若干问题探究

张晓阳

（中国工程物理研究院材料研究所，四川 绵阳 621908）

作为一种常见的检测技术，超声波金属探伤仪在工业领域被广泛应用，尤其是在压力容器制造、材料焊接等检测中发挥着非常重要的作用。超声波金属探伤技术具有穿透能力强、灵敏度高的特点，一般情况下可进行数米深探测，尤其是对于一些反射体的反射能力与空气隙相当，能够轻易发现。

1 金属探伤技术原理

金属探伤是一种无损探伤技术，可在不损害检测对象的前提下，测试零部件表面与内部质量。常见的金属探伤技术有超声波探伤、X光射线探伤、磁粉探伤等。

1.1 超声波探伤

超声波探伤原理是通过超声波到达被检测物的内部，从一个截面到达另一个截面时，会产生反射，而反射光将会产生脉冲波形，并在荧光屏幕上显示，然后根据波形来对缺陷的范围及所在位置进行判断[1]。超声波探伤与其他技术相比，其灵敏度较高，且不会损害操作人员身体健康，成本较低，但要求被检测对象的表面光滑，在辨别缺陷时需要工作人员有丰富的经验积累，直观性不强。

1.2 X光射线探伤

X射线的穿透力较强，属于电磁波的一种，其波长较短，多用于金属部件的探伤。在实际操作中，在电离作用下，X射线被物质吸收时，可被分解为正负离子，通过测量仪表可以测量电离层，并计算出X射线的实际量，完美展现出金属内部的损伤和缺陷。X射线的特征以及金属零部件的厚度密度决定了X射线的影像形成原理，其作用有穿透作用、电离作用、荧光作用、热作用等等。

1.3 磁粉探伤

在磁性材料检测中，常使用磁粉探伤技术。其原理是当被检测物发生磁化后，如果存在缺陷，那么缺陷处的磁场会因磁阻的产生而变大，所以可以通过磁粉来检测是否存在缺陷以及缺陷所在位置。通常，磁粉探伤设备不复杂，操作性较强，对于某些合金缺陷可以很好发现，但是很难发现气孔缺陷，同时也不易检测出零部件深处缺陷。

2 超声波金属探伤技术特点

超声波的本质就是机械振动，其传播介质为弹性介质，传播形式为波动形式，其振动频率不低于20KHZ。在厚度较大的金属结构材料中，使用超声波金属探伤技术，可对缺陷进行精准定量、定位，同时具有检测速度快、成本低等特点，并对人体无任何伤害，可在很大程度上使得大面积缺陷的检测效率提升。在金属结构材料中使用超声波探伤技术的特点有：①在介质中，一旦超声波遇到界面拦截，便会产生发射；②对于金属结构材料而言，通过超声波传播力大的特点，可以对内部深处的缺陷进行检测[2]；③超声波振动频率越高，指向性越强；④在超声波运用过程中可根据超声波的衰减、声速以及阻抗等情况进行合理判断。

3 超声波金属探伤常见问题探讨

3.1 检测系统中探头的选择

探头在检测过程中发挥着十分重要的作用，甚至还会影响缺陷的检出率。通常，锻钢件探伤选择频率2MHz~5MHz，晶片直径10mm~30mm的直探头。薄工件探伤时，则选用频率在5MHz~10MHz的晶片探头。总之，对于探头的选择，尽量在确保探伤灵敏度的前提下，选用直径较小的探头，晶片尺寸Φ14、Φ20直探头最为适宜[3]。

3.2 试块的选择

探头确定后需要选择相匹配的试块，在探伤过程中，试块可以对工件内部的缺陷进行精准定位和快速评估，缺陷诊断率较高。为确保检测结果更加准确，必须要选择合适的试块。在超声探伤前，试块灵敏度的调整需要借助人工反射体进行，然后调整扫描速度，接着调整相关比值，如实际声程/水平刻度值；最后，检验是否可以绘制出波复曲线图，以精确定量金属容器内部缺陷。从校准技术要求层面来看，电磁轭提升力至少为45N，灵敏度试片刻槽显示清晰。

3.3 耦合剂的影响

在超声波金属探伤检测中，耦合剂的选择是极为重要的环节，耦合剂选择是否正确将直接决定着检测结果的精准性。在手动接触法超声波探伤法中，常用耦合剂有工业机油和化学浆糊两种。其中粗加工工件检测，即存在加工余量或是对检测精度要求不高，耦合剂使用化学浆糊；精加工工件缺陷检测的耦合剂则多使用机油，主要是因工业机油的附着力较强，且润湿度良好，尤其是表明耦合非常稳定，可将对工件表面的腐蚀降至最低，在重复检测时误差相对较小。

3.4 缺陷测定

在金属探伤时，对于缺陷当量值的计算涉及较多，在对金属结构材料质量存在争议的点也在于缺陷当量值的大小。通常，计算缺陷当量值的常用方法有：

（1）通过基准平底孔和缺陷回声波压差进行计算。

（2）通过大平底面回波与缺陷回波声压差进行计算。

但这两种计算方法所得出的结果也存在一定差异，甚至有时差异较大，因此要想保证检测结果的准确性，就需要选择波底良好的点作为参照点，根据实际情况选择正确的测定方法。

3.5 缺陷性质的辨别

A型脉冲反射式仪器是超声金属探伤常用的检测仪器，但其在缺陷形貌的描述中有一定局限性，且受分辨力的影响较大，采用该仪器进行探伤时，对于缺陷多以点线面的形式进行描述，无法准确判断缺陷性质，且多依赖于检测人员的客观经验来进行定性分析，要求检测人员不仅要熟知回波波形，还需要了解工件的制造工艺，逐步积累相关经验，从而对缺陷类型进行综合分析。尤其是在白点缺陷与偏析缺陷的辨别，使用超声波检测非常容易混淆，因为白点缺陷很可能与偏析缺陷同时存在，而白点缺陷对于工件基体具有较大的破坏力。当回波尖突、缺陷方位为受压方向且呈辐射状分布时，其多为工件破坏后的截面，白点缺陷量值较大，且分布于工件一端。可见，在缺陷性质辨别时要充分了解工件的工艺流程，进行综合全面的分析，只有这样在使用超声波金属探伤时才能更加确定缺陷的性质。在实际中，对于一个因内部缺陷而报废的工件，只要我们确定金属内部组织未出现夹渣缺陷，通过合理工艺是可以将其重新锻制成合格的坯件，这也表明缺陷性质的辨别是非常重要的。

4 金属结构件中超声波探伤技术的应用

4.1 检测准备

在金属结构材料缺陷检测过程中，使用超声波探伤技术主要包括两个环节，一是准备阶段，二是现场检测环节。在检测准备阶段需要对检测面进行清理，除掉检测表面的油垢、锈蚀等物质，同时补焊探头移动区深坑，并用砂轮进行打磨。超声波金属探伤技术对金属容器宽度主要通过板厚t和探头斜率K进行计算[4]，公式如下：

K值可通过对探头声速在金属容器中折射角的正切值计算而获得，K值是否准确将直接影响金属容器缺陷定位的精准度。

现场检测环节使用超声波金属探伤技术检测缺陷时，首先要检查检测表面外观是否合格，并了解金属结构材料的材质、厚度、焊接方法、曲率等信息，并根据结果绘制DAC曲线，以此来确定缺陷的位置和大小，为质量评级提供数据参考。

4.2 初步探伤

在初步探伤开始前，首先必须要对图纸进行全面了解，明确图纸中工件的制造工艺与技术要求。在缺陷探测时，需要采取不同的探头扫查方式来检测不同的缺陷。如锯齿扫查用于检测纵向缺陷，平行扫查则检测横向缺陷。总之，在探伤时操作必须要严格按照我国第金属结构相关规范进行，切记不可凭借经验开展工作，否则将会降低检测效率，从而导致产生极为严重的后果。同时，探伤人员必须要具备过硬的专业知识，才能做好探伤检测。在初探时，需要对回波信号进行详细记录，确保数据不错不漏，从而为后续检测提供更加精准的数据参考。

4.3 精确探伤

精确探伤的关键就在于“精确”，精确探伤与初步探伤方法一致，只是在探伤时速度下降，捋检测更加详细，以避免出现漏测情况。在初探时发现的问题，精探时必须要再次进行检测，对存在问题的地方要着重标记，以便后续找到问题所在原因，为今后工艺水平的改进提供依据。对于存在缺陷的地方要重复检测，以免伪缺陷存在。同时，在精确探伤时要求工作人员保持注意力集中，不可根据工作经验来计算探伤比例，而需要根据实际的焊缝长度计算。对于允许范围内的缺陷可适当增加探伤比例。

4.4 缺陷的评级

在缺陷评级时，首先应将仪器调整为DAC功能，同时开启超声波探伤仪，并将探头放置在已选试块上，选择A门起始功能后做好调节，回波至少为满屏80%左右。然后保存标定，将拨轮顺时针旋转，待保存标定值从0变为1时，即可停止旋转。接着在试块上用探头寻找最高反射回波，使用拨轮对A门起始门位进行调节，直到将反射回波套住为止，保存标定后采取顺时针方位转动拨轮，待保存标定值从1变为2时，即可停止旋转[5]。对探头进行反复调整，确保在试块上找到最高反射回波的距离，并对标定进行依次保存。对于金属工件的缺陷、缺陷分区以及定量都需要通过绘制DAC曲线进行。其中，l区指定线和定量线之间的区域，Ⅱ区指的是定量线与判废线之间的区域；Ⅲ区则指的是判废线以上的区域。如果探伤波线处于l区，那么该缺陷可忽略；如果波线处于Ⅲ区，则工件不合格；如果波线处于Ⅱ区，需根据允许长度来判定是否需要返修。

4.5 重复探伤

为提高探伤的准确度，就需要进行重复探伤，即针对初步探伤和精确探伤后，再次对检测结果进行核对，重复探伤时所采用的探伤方法与前面探伤方法基本一致，有前两次探伤数据为基础，重复探伤时可提高检测速度，但也需要对前两次检测出缺陷的地方进行仔细检查。

4.6 延迟裂纹的超声波探伤

在多层金属结构焊缝时，由于会产生较大的收缩应力，因此具有一定的延时性，但由于金属结构自身存在时效性，因此裂纹多在焊缝完成后几周甚至几月后才出现。因此，在探伤时对于应力相对集中的焊缝位置，可在完成焊接后1个月再次进行探伤检测，以避免出现裂纹延迟，从而漏探[6]。

5 结语

随着我国现代工业的飞速发展，制造业技术也取得突破性进展，在各个领域中对于金属焊接技术的使用也极为常见，但在产品生产过程中依旧存在诸多问题，严重影响着产品质量，亟待解决。作为一种检测质量的方式，超声波金属探伤技术在检测时能够做到非常精确，且与其他检测方法相比更加便捷，也不会对操作者产生危害，因此有着广阔的发展前景。本文着重对金属探伤的相关问题进行探讨，以期能够为行业发展提供参考。