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摘要 ：超声检测是无损检测的重要技术之一，已经成为了 安全检查中的优选方案，并在近几年将其应用到的金属材质本身缺陷及焊接接头平面缺陷等缺陷检测中。金属焊接工艺在实 践中不断优化 ，超声无损探伤技术本身也得到了完善与革新， 现已能够实现缺陷位置， 尺寸及大小的准确探伤。将超声无损检 测技术运用到工业领域中，确保焊接质量前提下促进企业高效 生产。
关键词 ：超声检测,无损检测,金属焊接
随着我国科学技术不断地发展，金属材料焊接在工业制造与加工领域中得到了广泛地应用。大到核工程项目、航空飞行技 术、高楼大厦、居民生活等，超声无损检测技术已广泛应用于我国各个领域、各个产业中。金属材料的焊接方法非常多，但是因 为焊接技术自身决定了金属材料中质量因素，压力因素和温度因素对于金属材料自身都有很大影响，所以金属材料焊接行业内有关检测检验技术有很多类型。目前， 超声无损检测技术被广泛用于金属材料的焊接检测。
1 超声无损检测技术概述
超声无损检测技术是指通过对样品的超声波作用，研究样 品的反射、透射和散射等的波动，对样品的宏观缺陷进行检测， 测量其几何特征， 探测和描述其组织和机械性能的改变， 最后对 其应用进行评价。随着技术的发展和应用的不断增长， 超声无损 检测技术在工业焊接中的应用日益广泛。超声无损检测技术可 以检测出制品、工件及物料的内在缺陷，具有操作简单，准确度 高等特点。金属材料在焊接过程中会有不一样的形变， 甚至导致 内部缺陷的产生， 因此， 有必要对金属材料的焊接过程实施无损 检测。
超声无损检测技术中精度与质量是两个关键点。在全球经 济一体化的背景下， 世界各国之间的技术交流逐渐增加， 无损检 测技术在其中的意义得到了人们的普遍重视。超声无损检测技 术是将超声波与被测量对象的同质性的回声信号结合起来进行 探测。研究发现，在超声波无损检测试验中，超声波可以快速地 在弹性材料中传递，其传播速率与材料、环境的关系密切。不同 材料的传输速率不同，在固态媒质中，声波的传播速率缓慢，并 且在固态媒质中具有更高的温度 ;材料的均匀性对超声的传播 速率有很大的影响，而且超声的传播速率也受到材料的均匀性的影响。超声无损检测技术具有宽适用范围、高检测精度等优 点，显著提高金属材料焊接检测水平。
2 超声无损检测技术在金属焊接中的发展现状
80 年代初期，国内自行开发和制造的超声检测装置在测量 精度、放大器线性、动态范围等关键技术指标上都有了较大的进 步。80 年代末，随着 LSI 技术的发展，国内已开展了超声仪器的 研究工作。近几年，国内超声仪器的发展迅猛，国内已经形成了 一批专门研究、生产超声仪器的机构和企业(例如 ：武汉物理研 究所，汕头超声研究所，南通精密仪器有限公司，鞍山美斯仪器 有限公司)。目前，我国超声波探伤设备正在向数字化和智能化 方向发展， 并取得了一些成果。
此外，在我国很多行业(如航空航天、石油化工、核电站、 铁道部等)，利用国外先进的仪器和检测技术(如相控阵超声波 探伤和 TOFD探伤装置及技术)，不仅使我国的仪器设备更加完 善，而且对其技术的发展起到了推动作用。我国很多研究者大都 从事以现代信号处理技术为基础的超声无损检测方法的研究工 作，并且已经取得了相当大的成绩。经过视频与小波变换结合分 析技术对超声回波信号进行处理，可以很大程度上提高检测灵 敏度与信噪比，南京大学张淑仪教授对该方面也进行了较为广 泛而又深入细致的研究，并提出了能够估算高斯小波最佳频率 与带宽比值的理论模型，该方法有利于利用小波变换对缺陷反 射波进行分析并最终对缺陷进行精确识别与定位。
国内外学者对于超声无损检测技术已经做了全面而深入地 研究，但是对于早期由于焊接导致金属材料制品热劣化损伤而 采用的超声无损检测技术文献资料报道还不多，所以，研究超 声无损检测技术对于金属材料焊接过程的进一步应用具有重要意义。
3 超声无损检测技术存在的优势和缺陷
3.1 超声无损检测技术存在的优势
把超声无损检测技术运用到对各类物件进行检测的过程当 中，可以发挥出超高的作用， 超声无损检测技术可以获得缺陷的 投影图像， 缺陷定位及识别性能较为准确， 所以被广泛应用到各 个领域当中，而运用得最为出色的是机械制造业和钢铁制造行 业。超声无损检测技术已经逐步被引入到国防、航空领域以及其他领域。超声无损检测技术方式对物品质量进行检验， 对工作流 程进行规范，并以此为依据，产生一定效果。其中，针对超声无 损检测技术来说，其应用时不仅可以对金属材料进行简单检测， 还能够对非金属材料进行检测， 其本身具有很好的适应能力。再 者超声无损检测技术与其它种类的技术相比，该技术具有较高 优点， 可以获取更深度的焊接缺陷， 这样就可以在某种程度上避 免人力、物力及财力等资源的过多产出。在该技术应用过程中， 需要的费用并不是很高， 检测起来也是灵活多样， 是其它种类技 术都没有的，而超声无损检测技术则是在计算机这种新兴技术 带动下显示出非常高昂的科技费用，从而使金属部件安全性得 到显着增强，这样一来，不仅可以促进检测效率的提高，也能确 保检测过程中工作人员的安全。在这一阶段， 随着社会经济的发 展，超声无损检测技术也在一定程度上进行了提升与革新， 它已 经在各地区金属材料检测方面进行了大范围的运用。由此可知， 增加超声无损检测的使用有着非常重要的意义。
3.2 超声无损检测技术的缺陷
就目前情况而言，超声无损检测技术虽起到了一定作用，但 利弊并存， 它仍存在一些不足。若要对金属材料焊接过程中超声 无损检测技术的运用进行有力的研究，则需要对超声无损检测 技术中的不足进行分析， 并在对以上内容进行把握的前提下， 进 而对其采用符合其特点的方法。
超声无损检测技术是借助于固体内部回声能量对缺陷程度 进行判别，而这一方法相对繁杂，针对不规则形状产品来说，很 难对其中所存缺陷进行有效检测， 现阶段， 若不能对其尺寸程度 以及具体部位进行细致把握，则会对后期工作发展造成一定影 响， 同时超声无损检测技术对所检材料质量具有规范性要求， 并 不是所有材料产品均能对其缺陷性进行检测。假定不知道缺陷 的具体长度及尺寸就不能结合实际情况制定有关计划。再者超 声无损检测技术中面积检测和体积检测过程中存在明显空白， 经相关研究发现面积检测率远高于体积检测率，由此可以看出， 该技术在体积检测过程中还存在一定缺陷。最后是超声波无损 检测更适合用于材料较细产品的检测，其更适合用于材料较粗 产品内部的检测。
4 超声无损检测技术应用过程中的注意事项
4.1 考虑焊接材料自身特性的影响
焊接质量的好坏，直接关系到金属材质的优劣。虽然它具有 许多优点， 但它在金属材料的焊接中还存在着一定的局限性， 在 实践中可以采用超声波技术来对焊缝进行评估。但在实际焊接 过程中金属材料组织及形状不规则，非破坏性超声波检测技术 在使用过程中还存在一定困难，这就为后期模型修改增加了难 度，从而影响了最终判断精度。检测前需要对金属焊接所使用 金属材料的具体材料与技术需要清楚的了解，需要了解不同金属材料与金属工艺所需要使用的超声无损检测技术也是不一样 的，这样才能确保检测工作能够顺利进行。
4.2 超声无损检测存在的技术局限性
控制技术在超声无损检测技术中客观存在，在焊接过程中 要客观地认识到各种缺陷对金属材质外观有直接的影响。体积 检测方面差异性大。金属焊接领域中超声无损检测技术应用存 在局限性，对焊缝深处隐藏裂纹的超声无损检测其准确性与精 度将大大降低。
作者总结了经大量工程实践经验总结出超声无损检测用于 金属材料焊接工艺应综合考虑各种材料的性能。首先， 在焊缝的 判定上，需要根据不同金属材质智能化设计并选择最佳焊接工 艺，最合适的检测流程以及时间窗口，其次，需要采用非破坏性 超声波检测工艺来检测被处理工件的真实使用情况， 再次， 需要 检测位置即探头位置来具体判定，只有确保检测位置精准才能 从根源上确保试验数据精准， 在超声无损检测中， 反射波幅值的 明确定义与其回波的传输速率和回波信号的准确率有关。在实 际检查过程中，需要有专门的检验师，通过对超声技术的分析， 找出其缺陷。只有对缺陷进行快速的发现， 才能持续提高焊缝的 质量， 提高超声技术在金属焊缝的检测中的广度和柔性。
5 超声无损检测技术的基本操作方法
在此重点介绍了目前较为流行的 2 种超声无损检测方 法——直接接触法与液浸法。
5.1 直接接触法
此法是用超声波检测金属焊接技术中最常用的一种。具体操 作方法为 ：把超声波探头直接置于待测物体表面上(表面涂覆一 层无腐蚀性耦合剂，例如甘油或水)，超声波对内部缺陷发生反 射，依据回波形貌即可对金属焊接工艺性能进行分析和研究。
5.2 液浸法
该方法利用超声波与金属内部缺陷相遇后产生反射这一原 理，在金属材料焊接工艺中对工业制成品进行质量控制是最为 常用的作业方法。由于超声波探头与待测物不直接接触且回波 信号比较稳定， 从而使缺陷分析的流程也比较简单。
6 超声无损检测技术的系统硬件设计
6.1 探头选择
超声探头作为整个检测系统中的最前端的器件，最容易受 到电磁信号的干扰。为了使超声无损检测系统发挥其应有的作 用，系统必须要有优秀的抗干扰能力，保证探头，仪器以及电缆 之间阻抗的良好匹配。
频率是探头选型的最关键点， 须着重考虑如下几个方面 ：
(1) 高频超声波的衰减较大，穿透能力较差，但其扩散角较小，波长较短，具有良好的指向性及分辨率，可对细小缺陷进行 探测及精确定位。
(2) 在同一频率范围内，金属材料的晶粒越粗大，声波的衰 减就越显著， 晶粒的反射就越易发生。选用探头时应充分考虑穿 透力及分辨率， 调节检测频率以改善金属焊接制品检测性能。
6.2 信号源设计
在探测焊接过程引起的微结构热劣化损伤方面，如果探测 仪探测频率较低，例如常规的 1MHz, 其只能探测到毫米级缺陷， 为了全面而有效地探测到焊接缺陷，需要使用 1MHz 或更高频 率和更高性能的超声无损探测设备，还要有专门的回波信号分 析和处理能力。
硬件系统以纵波接触式高频探头为主，普通检验系统采用 HS610e 数字式超声探伤仪。采用了一种直接的纵波脉冲反射方 式，其工作原理是 ：由超声波形成的接收端发射一次高频率的 脉冲， 由耦合介质将超声波注入受检体， 在该检测器上进行超声 回波的显示， 并将其同步地进行储存， 最后由该计算机经一台计 算机进行数据的传输 ;通过Math CAD 和LabVIEW软件开发出 各种功能模块， 实现对信号的显示、存储和分析。
该系统利用高频带宽的超声波脉冲装置可与数字示波器、 探头等设备相匹配， 实现了高频、高灵敏度的超声检测。
这种超声波脉冲装置的特点是 ：
(1) 频率范围大，可以按需选择适当阻尼值、脉冲能量、脉 冲重复频率等参数。
(2) 能够选择高通滤波器或者低通滤波器，抑制高，低频噪 声的透过。
(3) 超声波脉冲装置配合 50MHz 水浸聚焦探头可以精确地 判断出小于 100μm 的夹杂情况。
(4) 配合宽频带探头应用于 10MHz ~ 50MHz 的场合，可对 薄材料或者无衰减的材料进行探测和分析。
6.3 软件数据库设计
整个系统的操作过程需要建立数据库存储传统的检测数据 并根据金属材料的晶粒尺寸， 超声特性的差异分类存储。在金属 材料的焊接过程中，应将温度的改变、颗粒尺寸的统计、声学等 信息纳入到数据库中;声阻尼因子， 一、二次底表面的基本频率。 在生产实践中，要有效地对被测试的金属物质进行超声波无损 测试， 并简化其后期的分类存储和数据检索， 以达到更好的试验 效果。
6.4 软件功能设计
(1) 系统界面设计。超声无损检测仪器系统界面设计符合清晰、操作简单直观等原则， 可根据检测需求迅速切入到对应功能模块。如果运行过程中发生差错， 则进行信息提示。
(2) 系统设置模块。为了对材料名称、类型、系统硬件名称 进行设置操作， 需要建立系统设置模块。严格按照特定的描述完 成对应的操作，在设定完成之后，系统按照物料的名称，模型规 范等会自动生成文档的存储通道，而将该文档的热加工温度作 为文档的名字。
(3) 综合分析模块。本模块主要由时域分析和频域分析2 个 模块组成。利用LabVIEWMathCAD 工具软件编写并开发了相应 的分析程序，利用连续小波分析法对超声回波信号进行了分析， 其结果存储在数据库中。
(4) 数据采集模块。本模块主要是对超声回波信号进行采集 并通过预设路径回传。应该指出，在数据采集之前，程序串口需 要初始化设定。
7 超声无损检测技术在金属材料焊接检测中的实践案例
在金属材料的焊缝加工中，采用了多种不同的方法，其中， 采用何种方法对焊缝进行有效的测试是非常重要的。因为材料 特性， 零件外形及尺寸等因素的影响， 焊接时金属焊接缺陷有多 种形式。超声无损检测技术方案在制定时要考虑金属材质本身 的缺陷特征以及工件的实际状况。金属材质在焊接过程中会有 很多检测手段被使用，其中超声无损检测作为重要补充检测手 段和其他检测手段共同作用下得到最终检测结论。例如 ：超声 无损检测技术检测金属焊接材料时，需要先将金属焊接材料检 测出来， 并依据检测所得金属材料的特性， 来选择合适的检测时 间，另外还要考虑周边环境的实际状况和其他材料特性来选择最佳的检测时间。
8 结语
超声波无损探伤技术是目前工业上使用比较广泛的一种探伤技术，它具有操作方便，性能稳定的特点，自身可以有效地检测出工件的每一个环节。目前， 金属材料焊接对工艺具有严格要求，将超声无损检测技术运用到金属焊接材料焊接工艺中， 可采 用多种运用方式，不同运用方式相对于不同金属材料，外形，性能，不同金属材料焊接时出现的缺陷各不相同， 最后焊接外观亦 各不相同， 要想对金属材料缺陷做出具体评判， 应从金属材料表面，焊接过程等方面具体分析，并选择适合的检测方式。金属材料焊接过程中存在广泛的热劣化损伤，该损伤往往会导致安全事故。所以，要想彻底消除现存问题，预防事故危害，就必须对金属材料焊接位置处进行相关无损检测。
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