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1、辽宁科技大学本科生毕业设计 第1页焊缝无损检测现状澳大利亚 RJ Ditchburn SK Burke CM Scala超声检测 20世纪60年代，超声检测就被作为焊缝检验的一种NDT技术。从那时起，这种技术就得到广泛的发展，日益被人们所接受。因此，超声检测现已成为一项重要技术，用来判定很多在役检验的焊接结构，如海上结构、核工业及压力容器工业，以及海洋应用的某一范围。在在役检验方面，超声检测之所以比X射线照相更受欢迎，是由于射线照相的内在局限性和应用超声所获得的实际利益。如上所述，射线照相在辨别立体缺陷时非常有效，但在检查或测量平面缺陷，有可能是最严重的缺陷类型裂纹时，其能力则有限。超声波经平
2、面和立体缺陷散射，可用于探测这两种类型缺陷，并测量其尺寸，如果采用适当的方法，超声甚至能探测出闭合的裂纹。超声还能容易地给出与缺陷有关的深度信息，而X射线，还需专门且昂贵的技术（如CT）才能获得这些信息。在节约资金方面，通过提高生产率，超声检测比射线照相可获得更大的利益。90年代，人们对射线安全性的日益关注严重阻碍了X 射线照相的继续使用。在过去的几十年里，超声检验已从一种单纯的人工操作技术，经过计算机辅助处理的人工操作技术，到自动扫描仪的使用，最近发展为焊缝评估用联接多个压电传感器的全自动系统。对日益完善的系统在缺陷探测方面应用的可靠性研究已形成建立超声焊缝检验可信度的一个重要因素。如对钢构
3、件检验方法（PISC) I ,和进行研究的目的是要获得超声检验在核工业和压力容器工业中的最佳应用。在PISC研究之外，已进行了某些工作来确定检验特殊焊缝几何形状的可靠方法，包括单面V形坡口焊缝、双面V形坡口焊缝以及对接焊缝。这些研究中的几项已用射线照相和超声检验的可靠性作了比较，结果表明，用超声探测缺陷的可靠性随着该系统完善的程度而增大。根据Lebowitz 和DeNale，该结果还表明人工操作超声技术，甚至使用最不完善的超声方法，对存在的不连续处的拒收率等于或大于射线照相的拒收率。超声检测焊接结构要求不仅能可靠地探测缺陷，而且能精确地对缺陷定位和测量其大小，使接收拒收准则能够正确实施，人工操
4、作的超声系统通常使用的技术是20dB衰减（图la）、6dB衰减或与来自钻孔的幅度比较。然而，这些技术都有误差，这种误差不仅是由缺陷形状、方向和位置的影响引起的，而且还由衰减、耦合、分辨力及设备特征引起。结合计算机辅助处理的超声系统使得用于缺陷探测及测量的好方法如声时衍射法( TOFD)（图lb）便于实施，在 PISC中，标准方法加上TOFD，对所要求的缺陷拒收率，可得到近乎完美的结果。在测量缺陷大小方面，根据合成的小孔聚焦（SAFT）及其派生方法如 SUPER SAFT。进行超声成像的自动超声系统已取得了重要进展。（a）20dB衰减技术 （b）TOFD技术图1 超声测量缺陷尺寸对于焊缝超声检验
5、可靠方法的开发要求了解声波与各种类型焊缝缺陷的相互作用、超声波在复杂几何体中的传播、检验某一结构中表面闭合缺陷所引起的特殊问题、复合层和其它显微组织对超声波传播的影响。虽然超声波在铁素体和轻质合金焊缝中的传播相对来说不是很复杂，但对奥氏体焊缝的显微组织已引起特别注意。这些材料对超声波的衰减很严重，由于存在大晶粒散射而使背底噪声高，除非沿着主要晶轴传播，否则还导致超声波束的偏移。因此，最近的研究已直接面向开发专门的超声技术去处理这些复杂情况，特别PISC,和对超声波在奥氏体材料中传播的详细模拟试验，已取得了重大进展。将来，这些模型应能更精确地估算特殊缺陷的位置和大小误差，为奥氏体钢和奥氏体焊缝钢
6、检验采用改进的规则奠定基础。目前，人们对降低焊缝检验成本的需求日益增长。在现代超声系统中，自动扫描仪的出现、多个探头的使用及计算机辅助处理通过提高检验速度和检验的可靠性降低了成本，但使用自动化设备时，设备和校准费用增高了。同时、由于近来超声系统的发展，分析超声数据的费用有可能提高，因为各种类型的缺陷（甚至很小的缺陷）都能探测到，而不管这些缺陷是否严重。对这个问题的解决方法就是改进缺陷严重性接收拒收准则的自动化应用。因此，现在要努力开发神经网络，使其用于超声系统中对缺陷类型、尺寸和位置进行分级，得出的结果符合特定的检验规则。在模拟的焊缝缺陷（已获得100正确的缺陷类型分辨力）和真实的焊缝缺陷（使
7、用不同方法获得约为90的成功率）研究方面，一些试验室已获得非常有价值的结果。借助于神经网络，接收拒收准则在自动化应用方面的预备工作也已进行。神经网络只能在有代表性的数据上试用后，才能证明它们是成功的。然而，获得代表性数据的费用很高。一种替代方法，是在网络上采用从超声波与焊缝缺陷相互作用的加强数学模型产生的数据。这些模型是PISC 下一个PISC继续项目的开发。在这些数学模型变得更完善之前，对于焊缝的超声判定，强调使用合格的科技人员是有必要的。今后，进一步优化焊缝超声检验仍有很多困难，先进方法如TOFD的应用有可能取得实质性的改进，同时，神经网络的实施还只是个开始。在焊接应用中，改进的超声产生和
8、探测有多种选择方法，如使用相控阵、激光技术（如下所述）和其它特种探头。在超声可靠性范围内需考虑其它一些因素，如残余应力、较高频率的影响及对真实缺陷而不是模拟缺陷更全面的考虑。对检验的总经济效益也应给予更多的考虑。要获得最大经济效益就需对所给的某项检验选择最适合的技术，包括使用一种以上的技术来判定焊接结构的不同部位。例如，磁粉检验与超声结合快速而经济有效地探测焊缝表面裂纹。新的电磁方法在这种情况下也起着作用（如下面所讨论的）。还存在的问题是如何将超声检验技术的进展补充到焊缝判定规则中。在线焊缝检验在自动焊接过程中，焊接工艺的在线监测和控制能提高焊缝质量并增加产量，通过实时无损评价技术与焊接工艺的
9、结合，可达到焊缝的监测和控制。另外，如果产生了焊接缺陷，则在这些缺陷被后续焊道覆盖前，对这些缺陷进行修补以减少焊后的检验和修补。高质量焊缝取决于与焊接准备工作有关的正确的焊池尺寸、几何形状和位置。在线自动焊缝监测系统通常具有可提供焊池状况信息的传感器。利用这些信息，确定焊池状况与至少一个临界焊接参数（如电流、电压、焊距位置和传送速度）间的关系，通过传感器的反馈线路调整焊接工艺（图3）。该系统可连续调节工艺参数来维持期望的稳定工艺状态，且不需要操作人员介入。图2 描述焊接工艺引入检测原理示意图焊接的动态特征意味着数据采集和处理必须能迅速获得焊接过程中的有用信息，两级实时射线照相分析包括快速寻找缺
10、陷区域，并对缺陷进行仔细辨别和定位的系统已达到这个要求。实时射线照相图像已用于对接接头焊缝电弧焊条件的控制；焊池凹陷的实时射线照相图像和池后焊缝迅速固化图像的综合方法可用于焊缝熔透和质量控制。在线超声传感已用于确定金属极气体电弧焊(GMA)和钨极气体保护电弧焊（GTA）焊接工艺的质量，这种技术可实时探测焊池几何形状和焊缝缺陷。该技术评价了焊条处熔化的焊池质量和焊条后固化的焊缝金属质量，可探测侧壁不完全熔透和密集气孔。使用具有92成功率的专家系统技术可将这些不连续与完好焊缝区分开来，遗憾的是这个专家系统的算法不能成功地识别不连续的类型。正确辨别密集气孔的比率为70%，正确辨别侧壁不完全熔化则为6
11、3。Bull 等人已表明GTA和电阻点焊可用超声法监测，并在电阻点焊在线监测系统开发方面有所进展。使用压电传感器和耦合剂因存在耦合介质使焊缝不纯净，对生产是不利的，为了解决这个问题，已研制出一种非接触式超声系统。该系统用一种受脉冲作用的钕YAG激光来产生超声波，用电磁声传感器（EMAT）接收。另外，两种非接触检测技术正在研究过程中，第一种技术使用双波长光导纤维传感器可同时观察来自焊接过程的红外线（IR）和紫外线（UV），射线由热熔池和由光束/气体相互作用发出的等离子体产生。这种技术已成功地用于显示激光焊中所遇到的干扰。第二种技术使用录像图像在线处理，它可保证GMA焊接中焊缝接头区和焊道中心线的
12、冷却速率，模糊逻辑控制装置和人工神经网络可用这个信息来修改工艺参数。 结论及今后的工作近几年在焊缝NDT技术方面已取得了重大进展，特别是用超声和电磁方法测量裂纹尺寸和残余应力，以及焊接工艺的在线监测方面。成本效益与诸多因素有关，如NDT技术的可靠性、灵敏度、速度和覆盖面，这些方面的要求导致焊缝自动超声检验系统的应用得以扩大，特别是在核工业和压力容器领域。非接触式NDT技术已取得迅速发展，今后在自动数据处理的神经网络不断发展的同时，还应提高其检验速度。总之，焊缝NDT特别是在使检验成本降至最低而不损坏结构完整性方面，仍有很多难题，通过焊接工程师与NDT专家之间的密切合作，这些难题正在得到解决，既
13、具备NDT知识又具备焊缝生产，断裂力学和结构力学知识，是获得最佳效果的基础。NDT of Welds: state of the artR.J. Ditchburn , S.K. Burke and C.M. ScalaUltrasonicsUltrasonics was introduced as an NOT technique for weld inspection in the 1960s .Since then, the technique has undergone extensive development and gained increasing acceptance. Co
14、nsequently, ultrasonics is now the major technique used for validation of welded structures in many in-service inspection applications, eg in off-shore structures. In nuclear and pressure vessel industries and in a range of naval applications.The emergence of ultrasonics as a preferred technique ove
15、r X-radiography in these in-service inspections is due both to inherent limitations in radiography and to actual benefits in applying ultrasonics. As described above, radiography is excellent for identifying volumetric defects but is limited in its ability to detect or size planar defect, such as cr
16、acks, which are likely to be the more serious defects type. Ultrasonic waves are scattered by planar and volumetric defects, making the ultrasonic technique useful for detecting and sizing both types of defects. Even closed cracks are detectable by ultrasonic. Provided that appropriate procedures are used. Ultrasonics also readily gives depth inf
