焊缝超声检测在船舶中的应用

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【摘要】本文介绍了焊接超声技术的特点及其在船舶中的应用现状，同时对超声波技术的新进展：超声相控阵和TOFD技术也进行了简要介绍。希望本文能对我国焊缝超声检测技术的应用及其在船舶工业中的选用有所参考作用。

【关键词】超声检测；船舶；超声相控阵；TOFD

随着现代科学技术的发展及中国造船业在世界船业界的崛起，造船工艺也在不断地进步。船体构件的连接，几乎全部采用了焊接，焊接接头的质量好坏，将直接影响到产品结构的安全性。无损检测技术在船舶工业中的应用越来越广泛，技术要求也越来越高，成为产品质量管理的重要手段。焊接质量的高低直接影响了船舶修造的质量与安全，作为现场检验人员来说，对船舶焊接的检验必须高度重视。通过无损检测技术，把焊接缺陷限制在一定的范围内，以确保船舶航行安全和水上人命财产安全。本文主要介绍在船舶焊缝无损检测中的超声检测的应用及其新发展。

1.焊缝主要缺陷形式及检验方法

焊接缺陷的种类较多，按其在焊缝中的位置不同，可分为外部缺陷和内部缺陷。常见的焊接内部缺陷有：气孔、夹渣、焊接裂纹、未熔合与未焊透等。根据产品的技术要求和有关规范的规定，焊接质量检验可采用无损检测和破坏检验两类。在船舶建造和检验中无损检测已经成为船厂船东和验船师保证船舶质和设备安全运行的重要手段。CCS《钢制海船入级规范》（2006）及《材料与焊接规范》（2006）对无损检验有大量涉及[1]。船舶无损检测的特点是：检测对象复杂（各部分焊接结构的载荷特性、应力状态、焊缝形式及等级多样），检测量大（一条万吨级船焊缝测量就在1万m以上）及检测条件差（90%以上检测在现场进行）[2]。

无损检验方法常见的有外观检查、密性试验和无损探伤等。无损探伤有射线检测、超声波检测、磁粉检测、渗透检测、涡流检测等方法。每种检测方法都有其各自的应用领域，超声波检测最主要针对焊缝内部缺陷的检测。

2.焊缝超声检测技术

声波频率在16Hz～20kHz为人的听觉范围；频率小于l6Hz的声波称为次声波；频率超过20kHz的声波称为超声波。超声波具有频率高、波长短、传播能量大、穿透力强、指向性好的特点。超声波在均匀介质中沿直线传播，遇到界面时发生反射和折射，并且可以在任何弹性介质 （固体、液体和气体）中传播。

超声波探伤是利用超声波在物体中的传播、反射和衰减等物理特性来发现缺陷的一种探伤方法。按其工作原理可分为脉冲反射法、穿透法和共振法超声波探伤等。船舶焊接检验常用脉冲反射法超声波探伤仪[2]。

脉冲反射波法是利用脉冲发生器发出的电脉冲激励探头晶体产生超声脉冲波。超声波以一定的速度向零件内部传播，遇到缺陷的波发生反射，得到缺陷波，其余的波则继续传播至零件底面后发生反射，得到底波。探头接收发射波、缺陷波和底波，放大后显示在荧光屏上。由发射波、缺陷波和底波在时间基线上的位置求出零件内缺陷的部位。依缺陷波的幅度判断缺陷的大小，具体方法有当及量法、定量法等。对于缺陷的性质则主要依缺陷波的形状和变化，结合零件的冶金、焊接或毛坯铸、锻工艺特点，以及参照缺陷图谱和探伤人员的经验来判断。

超声波探伤的特点：超声波探伤迅速，灵敏度高，可探测5～3000mm厚的金属或非金属材料的构件，设备简单，操作灵活、方便，探测范围广，对人体无害。但对零件表面粗糙度有一定要求，一般要求粗糙度等级高于Ra6.3um，表面清洁、光滑，与探头接触良好。由于零件表面一段距离内的缺陷波与初始波难于以分辨，难以探测缺陷，所以这段距离称为盲区。盲区的大小因超声波探伤仪不同而异，一般为5～7mm。超声波探伤中对缺陷种类和性质的识别较为困难，需借助一定的方法和技术[3]。

3.焊缝超声检测技术的新进展

超声相控阵技术是通过控制各个独立阵元的延时，可生成不同指向性的超声波波束，产生不同形式的声束效果，可以模拟各种斜聚焦探头的工作，并且可以电子扫描和动态聚焦，无需或少移动探头，检测速度快，探头放在一个位置就可以生成被检测物体的完整图像，实现了自动扫查，且可检测复杂形状的物体，克服了常规A型超声脉冲法的一些局限[4]。

与常规超声波检测设备比较，超声相控阵检测设备具有如下一些特点：

（1）检测速度快。

（2）使用灵活。

（3）检测可靠。

（4）功能强大。

（5）操作简便。

TOFD技术是超声波检测的一种新技术，其中文名称是超声波衍射时差法，TOFD是英文“Time Of Flight Diffraction”的缩写。TOFD技术具有快速高效、高精度、高可靠性的特点，并且能形成统一的质量标准，有利于保障产品发展和质量安全，因此被广泛地应用于锅炉、压力容器、管道等的焊缝检测中，近年来世界各先进国家都纷纷出台了TOFD的国家检测规范和标准。我国核电、压力容器等领域都对此开展了积极研究，2009年底，参照欧盟的标准，我国也颁布了相应的TOFD技术标准[5]。

TOFD技术的优越性主要体现在：

（1）一次扫查几乎能够覆盖整个焊缝区域（除上下表面盲区），可以实现非常高的检测速度；（2）可靠性要好，对于焊缝中部缺陷检出率很高；（3）能够发现各种类型的缺陷，对缺陷的走向不敏感；（4）可以识别向表面延伸的缺陷；（5）采用D-扫描成像，缺陷判读更加直观；（6）对缺陷垂直方向的定量和定位非常准确，精度误差小于1mm；（7）和脉冲反射法相结合时检测效果更好，覆盖率100%。

目前，我国已将超声相控阵和TOFD技术研发成果成功用在了在役船舶、在役海洋平台等大型钢结构和复合材料的检测中，成功解决了常规无损检测方法无法解决的技术难题，创造了巨大的经济和社会效益。

4.结论

目前在无损检测领域发展最快适用较广的技术是超声波自动检测，该技术可应用在船舶制造中焊接工艺的各个阶段，并且对人员无辐射危害，成本低、灵敏度高、时实显示、使用方便。随着超声技术的进步，目前超声相控阵和TOFD技术也在船舶焊缝无损检测中得到了应用。

参考文献

[1]季肖枫，顾娜.船舶焊接超声检测.应用科技，2009（10）：213-214.

[2]景艳.无损检测在船舶焊接中的应用.现代制造技术与装备，2012，210（5）：32-34.

[3]张燕宏，李志远.焊接结构件焊缝缺陷的无损检测技术研究.机电产品开发与创新，2003（2）：27-29.

[4]李衍.超声相控阵技术，第一部分：基本概念.无损检测，2007，31（4）：24-28.

[5]白艳，邢涛.焊接结构超声TOFD法的研究现状及展望.森林工程，2010，26（5）：32-36.