洁新型无损检测技术在焊接工程中的应用

近年来新发展的并已在焊接工程中得到应用的工业CT、金属磁记忆、红外热成像和声发射四种无损检测技术在这里统称为无损检测新技术。下面对它们的工作原理、基本特点和适用范围作简要介绍。

1.实时成像检测技术和工业CT检测技术简介

实时成像检测技术和工业CT检测技术是射线检测技术中发展出来的两种新方法，它们之间的区别主要表现在对工件透射和显示的方式不同，传统的射线检测技术是采用胶片射线照相方式，把透照工件后出来的射线感光在胶片上；而实时成像检测技术是把透照工件出来的射线通过实时摄像把它显示在电视屏幕上；工业CT检测技术则是采用面状射线束透射工件的每一个层面，把各层面上的缺陷的信息转换成图像显示出来。

采用胶片射线照相方式虽有较好的分辨率与较高的对比度，以及底片黑度动态范围大等特点，但由于胶片感光时，胶片吸收射线的效率低，从而导致曝光时间增加，又需要后续的显影、定影与干燥处理等，使得从照相到底片可观察的时间变得很长，成本因而增加，另外，也难以实现检测过程的自动化，因此其应力范围受到一定限制，而逐渐被实时成像检测技术和工业CT检测技术代替。

（1）实时成像检测技术简介 实时成像检测技术之所以能实现缺陷影像实时显示，主要因为有X射线图像增强器系统。它由X射线机、图像增强器、光学镜头、摄像机、图像采集卡、计算机主机（包括模拟量/数宇量转换系统）、显示器、图像采集和评定及处理软件、图像存储系统等组成。它采用一种可以把X射线转化为光线的图像转换增强器，放在待检工件后面，缺陷影像经过增强后亮度很高，增强系数达100～1000偌，但尺寸缩小近10偌。缺陷的光学影像再经过大广角透镜组投射到摄像机上，然后传给计算机和显示器，如图11-58所示。

实时成像检测技术目前已进入工业焊接产品检测的实际应用。

图11-58 射线照相实时显示图像增强系统

图11-59 工业CT结构工作原理图

（2）工业CT检测技术简介 工业CT检测技术是采用面状射线束透射工件的一个层面，检测器阵列与射线束处于同一平面，通过机械驱动装置对工件形成一定的扫描透射，采集射线束穿过该层面的相关信息，并重建该层面图像，这样就可直接观察到缺陷的位置、形状和大小，从而实现对这一层面的检测。

工业CT系统一般由射线源、机械扫系统、探测器与数宇采集系统和计算机系统四部分构成，如图11-59所示。其射线源主要采用低能X射线源、γ射线源和高能X射线源三种。工业CT图像质量是通过测试卡进行控制，测试卡分空间分辨率测试卡和密度分辨测试卡两类，如图11-60所示。

（3）三种射线检测技术的比较 胶片射线照相检测技术、缺欠实时成像检测技术和工业CT检测技术之间的比较，见表11-40。

表11-40 三种射线检测技术的比较

图11-60 工业CT图像质量测试卡

a）空间分辨率试样 b）密度分辨率试样

2.金属磁记忆无损检测技术简介

金属磁记忆技术是20世纪末俄罗斯科学家提出来的无损检测的新技术，它能准确地检测出被测对象上以应力集中为特征的危险构件或部位，已成为对磁性金属构件进行早期诊断唯一行之有效的无损检测的方法。

该技术是基于磁记忆效应原理而研发出来的。当铁磁性金属（常见的钢铁等）构件在工作时，由于受工作载荷和地球磁场的共同作用，在应力和变形集中区域发生具有磁致收缩性质的磁畴定向和不可逆的重新取向，这种磁状态的不可逆变化在工作载荷消除后不仅会保留，而巨还与曾经有过的最大作用应力有关。构件受工作载荷作用后，其残余磁性发生改变和重新分布，并在构件表面形成漏磁场。在应力和变形集中区域形成的是最大漏磁场H_P。这种漏磁状态记忆着微观缺陷或应力集中区的位置，这就是磁记忆效应。此时的表面漏磁场的切向分量H_P（x）具有最大值，而法向分量H_P（y）有方向性巨具有零值点，如图11-61所示。

通过对构件上漏磁场的场强法向分量H_P（y）的测定，可准确地推断出构件的应力集中区或缺陷所在的位置。

基于金属磁记忆效应面制作的检测仪器，其工作过程如图11-62所示。

图11-61 磁记忆效应检测原理图

图11-62 磁记忆无损检测工作过程示意图

a）工件表面磁场检测示意图 b）应力集中

区的磁畴在工件内外引起的磁场分布

图11-62a表示工件在x方向被拉伸，在E区出现应力集中，即在该区的应力大于其他地方。该区的磁畴发生不可逆的重新取向，其产生的磁场经过工件表面形成漏磁场。当载荷消除，即不再拉伸时，这种漏磁场仍然保留，其磁场分布如图11-62b所示。图中磁力线的疏密反映了磁场的强弱，箭头方向表示磁场方向，该漏磁场的特点是，在应力集中附近（即图中B点）磁场的切向分量具有最大值，而法向分量有方向性巨具有零值点。对漏磁场法向分量的测定如图11-62所示，将探头的检测面平行于工件表面，两者无需接触，沿图示方向移动进行扫描，记录各测点的磁场强度沿工件表面的法向分量，一旦检测到磁场强度为零，巨左右磁场方向相反，就说明该处是应力集中区，其内部有缺欠或损伤。

磁记忆检测设备主要分为多通道应力集中测量仪、单通道应力集中磁检测仪和磁测式裂纹电磁指示仪等几种类型。

磁记忆检测仪一般由主机、扫查器及其他辅助设备组成，主要性能要求如下。

①多通道测量，一般要求四通道以上。考虑到压力容器的焊缝宽度，需要扫查的面积比较大，采用多通道技术有利于快速扫查出缺陷。

②高灵敏度、小体积和长寿命的扫查器。微磁状态下检测的关键部件是扫查器，目前常用的扫查器是磁阻元件和霍尔元件等。扫查器的检测灵敏度可＞4.0×10^-9T。

③相应的辅助电路。一般要求仪器有温度补偿、地磁补偿和光电编码电路。温度补偿电路用于补偿温度的化对测量精度的影响；地磁补偿电路用于补偿测量由于和地磁场方向发生偏差而产生的误差；光电编码电路则是测量扫查位移和控制数据采集，使扫查速度和采集数据量成正比例。

④具备存储、分析等功能。能实时分析和存储现场采集的数据，并能实现事后的数据回放功能。采集存储的数据能通过通信端口上传到计算机进行保证和进一步的数据处理。

磁记忆无损检测技术最大的优点是能对铁磁性金属构件进行早期诊断，找出潜在的危险部位，对工件检测表面无需特殊清理，探头和工件表面有小范围间隙不影响检测结果；它不仅能检测修理的设备，也能检测正在运行的设备；对机械制造零件，能百分之百地进行质量检测和生产在线分选；它对环境不会造成任何污染，对检测人员的身体健康没有任何影响，是一种“绿色环保”型无损检测技术；它设备轻巧，操作简便，不需专门的人工磁化，劳动强度低，检测速度快，工期短，不依赖于人的经验，测试结果重复性和可靠性好，可以降低检测成本。但是，该检测技术也有局限性，目前只能发现缺欠的部位，还不能判定缺欠的性质，所以只用于早期诊断或作为一般性普查，以便及时发现缺欠及其所在位置。

目前，磁记忆检测方法还不理想，有很多理论和实践问题尚须进一步研究和完善。例如，机理研究尚未达到十分透彻和系统的程度，工件中的应力场和磁记忆场之间的关系、表面缺欠和应力分布之间的关系、缺欠大小形状和磁记忆参数之间的关系等还不是十分清楚；工程应用中还不能独立地进行检测，对缺欠只能证明其存在，而无法进行定性和定量描述，尚须建立明确的检测技术标准供工程上应用。随着磁记忆检测技术得到业界的认可与重视，磁记忆检测技术必将得到发展和完善；磁记忆检测技术的应用也会越来越广泛。

3.红外热成像无损检测技术简介

红外热成像无损检测（红外辐射检测）技术的实质是利用物体辐射红外红的特点进行非接触的红外温度记录法。从物理学可知，任何温度高于绝对零度（-273.15^oC）以上的物体就会产生自发的电磁波辐射。物体由于其自身分子的运动，不停地向外辐射红外热能，从而在物体表面形成一定的温度场，经外诊断技术是通过吸收这种红外辐射能量，测出设备表面的温度及温度场的分布。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，在显示屏上得到与物体表面热分布相应的热像图，实现对被检测目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析，以判断其完好性。

当物体内部存在缺陷时，它将改变物体的热传导，使物体表面的温度分布发生变化，通过红外检测仪可以测量出物体表面温度的这种变化，从而推断该缺陷的存在及其所在的位置。

现代的红外检测仪具有热成像功能，它集光电成像技术、计算机技术和图像处理技术于一身，通过接收物体辐射来的红外线，将其热像显示在荧光屏上，可以实时观察和记录到物体表面浊度分布情况，从而准确地判断出缺陷位置。

图11-63是红外线检测物体表面温度变化示意图；图11-64是红外热成像检测仪检测系统框图。

红外热成像检测法分成两大类，一类是主动式，即人工向工件注入一定热量，经一段时间延迟后，检测其表面因热辐射所形成的温度分布，如图11-63所示。另一类是被动式，它不需外加热量，是对依靠工件自身的热辐射而在其表面形成的温度场进行检测的。目前最常用的是被动式，如在工业上用于设备和构件检测，在军事上用于红外夜视仪、红外瞄准镜，在医学上用于检测体内温度异常点等。

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图11-63 红外检测物体表面温度变化示意图（主动式）

a）正面检测 b）背面检测

主动式检测方法分正面检测和背面检测，前者是加热和检测在工件的同一面进行，又称单面法，如图11-63a所示；后者是在工件表面加热，在其背面进行检测，又称双面法，如图11-63b所示。此外，按被检工件加热状态分有稳态和非稳态之分；按工件表面温度分则有热图法、温度分布曲线法和逐点测温法三类。

红外热成像检测法的优点是能非接触遥控测量，可直接显示实时图像，方便快捷、直观易懂，灵敏度高，测速快，热像仪结构简单，使用安全，环保，数据处理速度快，并能自动检测和永久性记录，受工件表面粗糙度影响小等。但也存在局限性，因检测灵敏度与热辐射率相关，故受表面及背面辐射的干扰，受缺陷的大小、深度影响，对厚工件分辨率差，不能精确测定缺陷的形状、尺寸和位置，检测结果解释比较复杂，需要有参考标准，操作人员要培训等。

红外热成像检测仪类型较多，有进口的和国产的，在市场上可以按需选购。GB/T 19870—2005《工业检测型红外热像仪》国家标准规定了产品分类与基本参数、性能要求，功能要求及测试方法等。适用于工业检测型红外热像仪的设计定型、生产与检测。

红外热成像检测法在焊接生产中的应用主要是对焊接缺陷的无损检测，用以确定缺陷的位置，生产时能及时地把有缺陷的工件区别开来。

图11-64 红外热成像检测仪检测系统框图

4.声发射无损检测技术简介

固体材料在外力或内力作用下材料内局部源迅速释放能量而产生瞬态弹性波向周围传播的现象称为声发射。有时也称为应力波反射。在金属中的声发射起源于裂纹的萌生和扩展，某些塑性变形区或相变区；在复合材料的构件中，它起源于界面破坏（脱开）、纤维断裂或基体断裂等活性缺欠。

声发射是一种常见的物理现象，各种材料声发射信号的频率范围很宽，从几赫兹的次声频、20Hz～20kHz的声频到数兆赫兹的超场频；声发射信号幅度的变化范围也很大，有从10～13m的微观位错运动到1m量级的地震波。如果声发射释放的应变能足够大，就可产生人耳听得见的声音。大多数材料变形和断裂时有声发射发生，但一般材料的声发射信号强度很弱，人耳不能直接听见，需要借助灵敏的电子仪器才能检测出来。用仪器探测、记录、分析声发射信号和利用声发射信号推断声发射源的技术称为声发射技术，人们将声发射仪器形象地称为材料的听诊器。

声发射检测方法已经在压力容器、常压储罐、压力管道和阀门、转动机械、机械加工、航空航天、大型水坝、大型变压器、复合材料、木质材料和岩石等方面有所应用。

声发射无损检测技术的基本原理是利用耦合在材料表面的压电陶瓷探头将材料内声发射产生的弹性波转变为电信号，然后用电子设备将电信号进行放大和处理，并予以显示和记录，从而获得材料和发射源的动态信息，通过检测过程中所获得的信号特征和各种统计数据的分析，就可以推知材料内部缺欠状态和严重程度。图11-65是声发射无损检测技术原理示意图。

如果用多个探头（传感器）在不同部位同时检测，就可以测出声发射信号到达各探头的时间差，以此来确定声发射源的位置。

图11-65 声发射无损检测技术原理示意图

声发射检测系统按硬件获取并输出存储的数据不同可分为参数和波形两大类声发射仪。参数声发射仪硬件获取并输出存储的数据是幅度、计数等声发射波形信号的特征参数，数据量小，信息相对波形数据少，但数据通信存储容易，通常只有波形数据的几千分之几。波形声发射仪硬件获取并输出存储的数据是波形数据，数据量大、信息丰富但数据通信存储困难。获得参数数据的方法有三种，硬件模拟电路获得参数，其特征是获得参数前没有将模拟声发射波形信号经过A/D模数转换为数宇波形信号；硬件数宇电路获得参数，其特征是获得参数前已经将模拟声发射波形信号经过A/D模数转换为数宇波形信号；软件分析产生参数，其特征是硬件只获取波形数据，不产生参数又称全波形声发射仪。图11-66是典型声发射仪的特征结构框图。

图11-66 典型声发射仪特征结构框图

a）典型模拟参数声发射仪器的功能框图 b）典型全波形声发射仪器的功能框图 c）典型数宇参数-波形混合声发射仪器的功能框图

早期的声发射系统都是硬件模拟参数声发射仪而没有波形数据存储记录，现在大多数声发射系统是全部通道硬件数宇参数加部分通道波形数据存储记录声发射仪，也有硬件仅获取波形数据不产生参数，而采用软件处理获得参数的全波形声发射仪。

声发射无损检测技术有如下特点：

1）它是一种动态无损检测技术。其检测到的声源能量来自被测构件活性缺陷本身，因此具有实时、在线的特点。

2）除极少数材料外，材料、有色金属、复合材料、塑料、木材、岩石、混凝土等固体材料等都有声发射现象，其频率范围很宽，都可进行声发射无损检测。

3）它是一种整体检测技术，适用于工业过程在线监控和早期及临近破坏预报。

4）对线性缺陷较为敏感，能检测到外加结构应力下缺欠的活动情况，而稳定性缺欠不产生声发射信号。

5）对被测构件的几何形状无特殊要求，可用于形状复杂的构件活性缺欠检测与评价，也适于在难以接近的情况下检测，如高低温、核辐射、易燃易爆及剧毒等环境。

6）对于在役设备定期检测，可提供活性缺欠随载荷、时间和温度等参数而变化的实时或连续信息。可缩短停机时间或不停机检测。

7）对于非活性缺欠（又叫静缺欠）不能检测，需要给予外力或温度激活后才有可能检测。此外，探头（传感器）与工件接触要良好，通常需使用耦合剂；检测时不能有噪声进入检测系统。

用于检测的设备是声发射检测仪，有各种类型，在市场上可以按需选购。按通道分有单通道、双通道和多通道之分，单通道声发射检测仪功能单一，较适合于实验室试样粗略检测或现场构件局部检测；双通道声发射检测仪具有两个传感（探头）有一维源定位功能，较适合于实验实试样精密检测和管道、焊缝等一维源定位检测；多通道声发射检测仪的通道数可扩展到十几个甚至多数十个通道，具有二维源定位功能，具有多参数分析、多种信号鉴别、及时和事后分析功能。通常配备有计算机，用于数据采集、分析、定位计算、储存和显示。功能齐全，能综合和精确分析，但价格昂贵，操作复杂。适用于金属、复合材料等多种材料的检测，可用于实验室和现场开发与应用，以及大型构件的结构完整性评价。此外，还有工业专用的声发射检测仪，多为小型机，功能单一，适合于现场实时指示或报警，如用于刀具破损监视、泄漏监视和旋转机械异常监视等。所以总的选用原则是实验室研究选用通用型、大型金属结构选用多通道型，而对过程监视则选用专用型。此外，还须考虑检测仪的工作频率，声发射信号的频域、幅度、频度特性随材料类型有很大不同，例如，金属材料的频域约为数kHz至数MHz，复合材料约为数kHz至数百kHz，岩石和混凝土约为数百Hz至数百kHz。对不同材料须考虑不同的工作频率；选传感器时要考虑频响、灵敏度、使用温度、环境和尺寸等；选择通道数时要考虑被检工件尺寸和传播衰减，确定源定位时要考虑是否要定位，是区域定位还是时差定位等。

我国对声发射检测技术在工程中应用已颁布实施如下的国家标准和行业标准：

GB/T 12604.4—2005《无损检测 术语 声发射检测》。

GB/T 18182—2000《金属压力容器声发射检测及结果评定方法》。

GB/T 19800—2005《声发射检测换能器的一级校准》。

GB/T 19801—2005《声发射检测传感器的二级校准》。

JB/T 8283—1999《声发射检测仪器性能测试方法》。

JB/T 7667—1994《在役压力容器声发射检测评定方法》。

JB/T 6916—1993《在役高压气瓶声发射检测和评定方法》。

5.几种无损检测新技术比较

为了正确选用检测方法，本书对近年研发的声发射、工业CT、金属磁记忆和红外热成像四种无损检测新技术，从工作原理、所有设备、优点、局限性和适用范围等方面进行了比较，列于表11-41。

表11-41 几种无损检测新技术的比较

（续）