超聲波探傷儀：焊縫探傷難題的“克星”

更新時(shí)間：2025-09-02

點(diǎn)擊次數(shù)：301

在工業(yè)生產(chǎn)的龐大體系中，焊接工藝作為金屬結(jié)構(gòu)連接的核心手段，廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、石油化工、航空航天、船舶制造等眾多領(lǐng)域，從日常使用的汽車(chē)、家電，到大型的橋梁、壓力容器，再到精密的航空航天器部件，焊接無(wú)處不在。而焊縫質(zhì)量，無(wú)疑是決定這些工業(yè)產(chǎn)品和設(shè)施安全性、可靠性與使用壽命的關(guān)鍵因素。

一旦焊縫存在缺陷，后果不堪設(shè)想。在石油化工行業(yè)，輸送易燃易爆介質(zhì)的管道若焊縫質(zhì)量不佳，可能引發(fā)泄漏，導(dǎo)致火災(zāi)、爆炸等嚴(yán)重事故，不僅會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)對(duì)人員生命安全和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成嚴(yán)重威脅；在航空航天領(lǐng)域，飛行器的關(guān)鍵部件焊縫出現(xiàn)問(wèn)題，極有可能在飛行過(guò)程中引發(fā)結(jié)構(gòu)失效，釀成機(jī)毀人亡的慘劇；在船舶制造中，船體焊縫的缺陷可能致使船舶在航行時(shí)出現(xiàn)漏水、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降等問(wèn)題，危及航行安全。

為了確保焊縫質(zhì)量，焊縫探傷應(yīng)運(yùn)而生。焊縫探傷是采用各種檢測(cè)技術(shù)和方法，在不破壞被檢測(cè)工件的前提下，對(duì)焊縫內(nèi)部及表面的缺陷進(jìn)行探測(cè)和評(píng)估，它如同給焊縫做 “體檢”，及時(shí)發(fā)現(xiàn)諸如裂紋、氣孔、未熔合、夾渣等各類(lèi)缺陷，以便采取相應(yīng)措施進(jìn)行修復(fù)或改進(jìn)，從而保障焊接結(jié)構(gòu)的質(zhì)量與安全。

然而，焊縫探傷并非一帆風(fēng)順，在實(shí)際操作中面臨著諸多難題。例如，不同的焊接工藝和材料會(huì)對(duì)探傷結(jié)果產(chǎn)生影響，像一些新型復(fù)合材料的焊縫，其探傷難度就遠(yuǎn)超傳統(tǒng)金屬材料；復(fù)雜的焊縫形狀和結(jié)構(gòu)，如多層多道焊、曲線焊縫、T 型接頭等，容易形成探傷盲區(qū)，使得缺陷難以被有效檢測(cè)出來(lái)；同時(shí)，缺陷的種類(lèi)繁多、形態(tài)各異，準(zhǔn)確判斷缺陷的性質(zhì)、大小和位置也具挑戰(zhàn)性，探傷過(guò)程中還可能受到外界干擾因素的影響，如電磁干擾、噪聲等，導(dǎo)致檢測(cè)信號(hào)失真，影響探傷的準(zhǔn)確性和可靠性。這些難題嚴(yán)重制約著焊縫探傷的效果和效率，亟待更有效的解決方案。

焊縫探傷的 “疑難雜癥”

（一）常見(jiàn)缺陷難識(shí)別

在焊縫中，氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋等是最為常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型。氣孔是焊接時(shí)熔池中的氣體在凝固時(shí)未能逸出而形成的空穴，呈球形或橢球形，單個(gè)氣孔回波高度低，波形穩(wěn)定，從各個(gè)方向探測(cè)，反射波大致相同，稍一移動(dòng)探頭就消失；密集氣孔則為一族反射波，波高隨氣孔大小而不同，探頭定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)此起彼落的現(xiàn)象。夾渣是焊后殘留在焊縫的熔渣，表面不規(guī)則，分點(diǎn)狀?yuàn)A渣和條狀?yuàn)A渣，點(diǎn)狀?yuàn)A渣的回波信號(hào)與點(diǎn)狀氣孔相似，條狀?yuàn)A渣回波信號(hào)多呈鋸齒狀，反射率低，波幅不高，波形常呈樹(shù)枝狀，主峰邊上有小峰，探頭平移時(shí)波幅有變動(dòng)，從各個(gè)方向探測(cè)，反射波幅不相同。

未焊透是指焊接時(shí)，接頭處母材與母材未完熔透，一般位于焊縫中心線上，有一定長(zhǎng)度，在厚板雙面焊縫中，未焊透位于焊縫中部，聲波在未焊透缺陷表面類(lèi)似鏡面反射，用單斜探頭探測(cè)時(shí)有漏檢危險(xiǎn)，單面焊根部未焊透類(lèi)似端角反射，探頭平移時(shí)，未焊透波形穩(wěn)定，焊縫兩側(cè)探傷時(shí)，均能得到大致相同的反射波幅。未熔合是指熔焊時(shí)，焊道與母材之間或焊道與焊道之間，未完熔化結(jié)合的部分，當(dāng)超聲波垂直入射到其表面時(shí)，回波高度大，探頭平移時(shí)，波形較穩(wěn)定，兩側(cè)探測(cè)時(shí)，反射波幅不同，有時(shí)只能從一面探測(cè) 。裂紋的回波高度較大，波幅寬，會(huì)出現(xiàn)多峰，探頭平移時(shí)，反射波連續(xù)出現(xiàn)，波幅有變化，探頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，波峰有上下錯(cuò)動(dòng)現(xiàn)象。這些缺陷的回波信號(hào)特征存在一定相似性，在實(shí)際探傷過(guò)程中，探傷人員很容易產(chǎn)生誤判，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別缺陷類(lèi)型，進(jìn)而影響對(duì)焊縫質(zhì)量的準(zhǔn)確評(píng)估。

（二）表面與近表面缺陷易漏檢

焊縫表面的反射波會(huì)對(duì)探傷信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，使得表面及近表面缺陷的檢測(cè)難度大幅增加。在使用超聲波探傷時(shí)，由于聲波在焊縫表面的反射和散射，探傷儀接收到的信號(hào)變得復(fù)雜，容易掩蓋缺陷信號(hào)。例如，在一些表面粗糙的焊縫中，探傷儀的信號(hào)波動(dòng)較大，難以準(zhǔn)確判斷是否存在缺陷以及缺陷的具體位置和大小。同時(shí)，探傷方法本身也存在一定局限性，對(duì)于一些微小的表面及近表面缺陷，常規(guī)的探傷手段可能無(wú)法有效檢測(cè)到。如渦流探傷雖然對(duì)表面和近表面缺陷敏感，但檢測(cè)深度有限，一般僅適用于檢測(cè)表面及近表面幾毫米范圍內(nèi)的缺陷，對(duì)于稍深一些的近表面缺陷就可能漏檢。

表面及近表面缺陷如果被漏檢，在后續(xù)的使用過(guò)程中，由于受到外力、腐蝕等因素的作用，這些缺陷可能會(huì)逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致焊縫的強(qiáng)度和密封性下降，最終引發(fā)嚴(yán)重的安全事故。比如，在化工管道中，表面及近表面的微小裂紋可能會(huì)在介質(zhì)的侵蝕下逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致管道泄漏，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)損失。

（三）復(fù)雜結(jié)構(gòu)檢測(cè)阻礙多

當(dāng)焊縫所在結(jié)構(gòu)形狀不規(guī)則或存在空腔時(shí)，探傷工作會(huì)面臨諸多阻礙。以形狀不規(guī)則的焊接件為例，其表面的不平整會(huì)導(dǎo)致超聲波的傳播路徑發(fā)生復(fù)雜變化，產(chǎn)生多次反射和折射，使得探傷信號(hào)變得雜亂無(wú)章，難以分析。在檢測(cè)具有空腔的結(jié)構(gòu)時(shí)，空腔內(nèi)的空氣會(huì)對(duì)超聲波產(chǎn)生強(qiáng)烈的衰減和散射，影響探傷的有效范圍和信號(hào)的準(zhǔn)確性。

這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)不僅增加了探傷的難度，還嚴(yán)重影響了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。為了檢測(cè)這些復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的焊縫，探傷人員往往需要花費(fèi)更多的時(shí)間和精力，采用多種探傷方法和探頭進(jìn)行多角度檢測(cè)，即便如此，仍可能存在檢測(cè)盲區(qū)，無(wú)法全面檢測(cè)焊縫質(zhì)量。在大型船舶的復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，探傷工作需要耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，而且檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性也難以保證，給船舶的安全運(yùn)行帶來(lái)了潛在風(fēng)險(xiǎn)。

超聲波探傷儀，原理開(kāi)啟探傷新篇

（一）神奇的超聲波

超聲波，作為一種頻率高于 20000 赫茲的聲波，具有的物理特性，這些特性使其在焊縫探傷領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

從頻率和波長(zhǎng)的角度來(lái)看，超聲波的高頻率決定了其波長(zhǎng)短的特性。這一特性使得超聲波具有良好的指向性，就像一束光線能夠沿著特定方向傳播一樣，超聲波可以集中地向一個(gè)方向發(fā)射，從而在探傷時(shí)能夠精確地確定缺陷的位置。在檢測(cè)一條長(zhǎng)焊縫時(shí)，超聲波能夠沿著設(shè)定的路徑傳播，準(zhǔn)確地找到焊縫內(nèi)部的缺陷，而不會(huì)像低頻聲波那樣在傳播過(guò)程中發(fā)生較大的散射，導(dǎo)致檢測(cè)精度下降。

超聲波還具有較強(qiáng)的穿透能力和能量。它能夠穿透較厚的金屬材料，深入到焊縫內(nèi)部進(jìn)行檢測(cè) 。這是因?yàn)槌暡ㄔ诠腆w介質(zhì)中傳播時(shí)，能量衰減相對(duì)較小，能夠保持較強(qiáng)的信號(hào)強(qiáng)度。以常見(jiàn)的金屬材料為例，超聲波可以穿透數(shù)十毫米甚至更厚的鋼板，而不會(huì)因?yàn)閭鞑ゾ嚯x的增加而失去檢測(cè)能力。在對(duì)大型壓力容器的焊縫進(jìn)行探傷時(shí)，超聲波能夠穿透容器壁，檢測(cè)到內(nèi)部焊縫的缺陷情況，為設(shè)備的安全運(yùn)行提供保障。

此外，超聲波在遇到不同介質(zhì)的界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。當(dāng)超聲波從一種金屬材料進(jìn)入焊縫中的缺陷（如氣孔、裂紋等）時(shí)，由于缺陷與金屬材料的聲學(xué)特性不同，超聲波會(huì)在界面處發(fā)生反射，反射回來(lái)的超聲波被探傷儀接收，從而為檢測(cè)缺陷提供了重要依據(jù) 。這些特性使得超聲波能夠敏銳地感知到焊縫內(nèi)部的微小變化，即使是極其細(xì)微的缺陷，也難以逃過(guò)超聲波的 “探測(cè)”。

（二）探傷儀的工作機(jī)制

超聲波探傷儀的工作機(jī)制基于超聲波的傳播特性，通過(guò)一系列精密的轉(zhuǎn)換和處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫缺陷的檢測(cè)。

探傷儀內(nèi)部的核心部件 —— 超聲換能器，在工作中扮演著關(guān)鍵角色。它能夠?qū)㈦娔芨咝У剞D(zhuǎn)換為超聲波能量，并定向發(fā)射至被檢測(cè)的焊縫中。超聲換能器通常由壓電材料制成，當(dāng)在壓電材料上施加交變電場(chǎng)時(shí)，材料會(huì)發(fā)生機(jī)械變形，從而產(chǎn)生超聲波。這種將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過(guò)程，是超聲波探傷儀工作的起點(diǎn)。

當(dāng)超聲波在焊縫中傳播時(shí)，一旦遇到缺陷，由于缺陷與周?chē)牧系穆晫W(xué)特性存在差異，部分超聲波會(huì)被反射回來(lái) 。換能器在發(fā)射超聲波后，會(huì)迅速切換到接收狀態(tài)，接收這些反射回來(lái)的超聲波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換回電信號(hào) 。這個(gè)過(guò)程就像是雷達(dá)發(fā)射電磁波，遇到目標(biāo)后反射回來(lái)被接收一樣，只不過(guò)超聲波探傷儀使用的是超聲波來(lái)探測(cè)焊縫中的缺陷。

接收到的反射電信號(hào)會(huì)傳輸至探傷儀的信號(hào)處理系統(tǒng)，在這里，信號(hào)會(huì)經(jīng)歷一系列復(fù)雜而精細(xì)的處理流程。首先，信號(hào)會(huì)被放大，因?yàn)榉瓷浠貋?lái)的信號(hào)往往比較微弱，需要放大才能進(jìn)行后續(xù)的分析。接著，通過(guò)分析信號(hào)的時(shí)間、幅度、頻率等參數(shù)，并結(jié)合已知的超聲波在材料中的傳播速度，探傷儀能夠精確計(jì)算出缺陷在焊縫內(nèi)部的位置。通過(guò)測(cè)量發(fā)射與接收超聲波的時(shí)間差，并利用數(shù)學(xué)公式，可以計(jì)算出反射點(diǎn)（即缺陷位置）距離探頭的距離；根據(jù)反射信號(hào)的幅度大小，還可以估算缺陷的尺寸，幅度越大，通常意味著缺陷對(duì)超聲波的反射能力更強(qiáng)，尺寸也可能更大。

探傷儀還可以通過(guò)深入分析反射信號(hào)的頻率變化等特征，進(jìn)一步揭示缺陷的性質(zhì)，判斷是裂紋、氣孔還是其他類(lèi)型的缺陷。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后的反射波信號(hào)，通常會(huì)以波形或圖像的形式在屏幕上顯示出來(lái)，操作人員可以通過(guò)觀察這些波形或圖像，直觀地了解焊縫內(nèi)部的缺陷情況。整個(gè)工作過(guò)程高效而精確，使得超聲波探傷儀成為焊縫探傷的有力工具