摘要：焊接操作与焊接接头成型后的钢板缺陷，气孔存在的比例较大，并成群出现，这便是密集气孔。密集气孔严重影响了焊接接头质量，在部分由钢板组成的设备部件中，密集气孔是禁止出现的缺陷，因此采取无损检测方法定位密集气孔缺陷至关重要。
关键词：钢板焊接；密集气孔；无损检测
引言
钢板有较小的密度、较高的比强度等特点，同时其广泛应用在各种工程结构中，是比较理想的材料。但在钢板焊接过程中，结晶过程易出现气孔，进而导致断裂，这对钢板的应用造成了不利影响，因而采取无损检测法处理密集气孔的问题。
一、钢板焊接密集气孔的无损检测方法
（一）X射线检测法
这种方法在科学技术革新中形成，故而有必要不断提高无损检测的要求。在全新发展形势下，根据图像呈现数据，综合运用计算机系统与数字处理技术，为工作人员提供检测结果。与其他检测技术比较，这样的方法不只提升了检测水平，还可以全面监督检测出现的问题，推动无损检测工作的智能化发展。
（二）普通超声波检测
在工业超声波检测中，包括了各种不同的超声波波形。比如在检测锻铸件与型材、复合板的内部缺陷时应用纵波，在检测焊缝、管材和工件内倾斜缺陷应用横波，在检测金属薄板、细棒与薄壁时应用兰姆波。由此可知，超声波检测产生了广泛的范围。
（三）衍射时差法
该项检测技术是超声波与工件不连续端部发挥作用，发射出衍射波或反射波检出不连续并且对其定量的技术，由于衍射信号与角度没有关系，无需借助信号振幅测量不连续量值，其优点是稳定性高、定量精度高、检测数据可以永久保存等，当金属结构材料的厚度、强度等不断提高要求时，焊缝质量就显得至关重要。
（四）相控阵
相控阵是相位补偿机阵，其不只可以接收数据，还可以发射信息，工作原理是结合基阵阵元规律排列信号实行合理的移相，使阵波束发生移动，在不同方向同时完成相位补偿，最终获得多波束。其优点是不需借助机械转动基阵就可以在规定的空间范围内对波束实行扫描，应用灵活方便。同时，适当扩大基阵尺寸以便提升空间增益。
二、气孔的形成原理
（一）氢的溶解
焊接溶液内氢的具体来源：母材与工件内固溶的氢；金属受高温影响，其表面的铁锈、油污、吸附水等物质分解成氢；电弧保护气氛包含氢与水分；空气的水分等。焊接时，氢在高温环境内分解为单原子氢，此时单原子氢产生较大的溶解度，进而在熔池内溶入大量的氢原子
（二）气泡的形成
焊接熔池进行焊接时金属过热，之后产生熔池，氢的吸收量明显超过铝合金内溶解的氢量。降低熔池温度，熔池产生过饱和气。熔池形成纯金属，不存在气泡核的附着点，故增加了产生气泡的难度。但当熔池产生现成表面时，如悬浮的高熔点杂质结合熔池底部固液，其表面气泡易成核，在内外压力下气泡快速长大。
（三）形成气孔
形成气泡后，由于内外压强的共同作用，气泡不断长大。气泡达到一定尺寸后，与吸附表面分离，开始上浮和溢出。这个过程需要一部分时间，气泡才会出现在熔池表面。在结晶初期，无法产生气泡，由于晶粒长大速度超过氢的扩散速度，氢气无法及时聚集气泡。在结晶后期，一方面，金属降低了温度，随之降低的溶解度形成过饱和气。另一方面，结晶速度放慢，聚集的氢气增大气泡倾向，熔池发生结晶时，在熔池内的难溶杂质上，形成较大的吸附表面，有可能增大气泡。气泡通过自身的上浮速度与结晶速度共同决定是否形成气孔。
三、钢板焊接密集气孔的无损检测过程
选择人工制作的含密集气孔缺陷的钢板对接接头。工件表面光洁度达到规定的要求。
（一）检测分析
1.各种方法检测数据
RT检测工艺参数：利用铅箔增感屏，像质计指数11、灵敏度AB级、管电压185kv、曝光时间超过3min、焦距700mm、透明角度0°。
UT检测工艺参数：灵敏度Φ1×6-9dB、机油耦合补偿2dB、探头2.5P8×12K2、在焊缝两侧开始锯齿形扫查。检验中产生不同的观测数值，移动探头时形成一簇移动的反射波，波高在大小气孔中也不相同。
TOFD检测灵敏度补偿是dB、选择机油作为耦合剂，利用扫查架实现非平行扫查，由公式（1）设计PCS，得到扫描距离300mm、扫查时间30s。
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（1）
相控阵检测设定5MHz使用频率，采取32晶片线性阵列探头，利用有机玻璃楔块，耦合剂选择机油，表面补偿是2dB，结合焊口截面的检测合理设计参数。
2.数据分析
检测工件材质属于钢板对接接头，利用RT和UT方法检测出接头内部的密集气孔缺陷。其中，RT检测在焊缝中心线周围清晰发现四个气孔，同时准确定性与定量分析缺陷，得到极高的分辨率，但测量深度时难度较高，采取射线底片测量孔深的可行性方法即黑度测量法，需要合理检验其效果。UT方法能轻松的发现缺陷反射波，转动探头得到波动的信号。单个回波圆心是气孔位置，旋转探头，由各个方向实现探测，产生基本相同的反射波。从各个方面移动探头，单个回波表现出点状缺陷，即波幅得到最大的平滑度，之后又下降至最小。与RT方法比较，UT方法难以定性分析气孔，要求检测人员具备较高的技术水平，定量也仅使用相对能量法，无法直接观察气孔的大小，如此降低了分辨率，其优点是精确定位单个缺陷。
TOFD与相控阵的明显优点是通过合理的方式以图像形式表达缺陷，与涡流气孔三维仿真技术相比，其应用非常特殊。在计算机技术迅速发展的过程中，不只便捷存储检验结果，还可以采用仪器软件测量与保存有缺陷的图像。虽然成像技术的局限性比较明显，TOFD和相控技术一定程度减轻了人为因素带来的检测压力。经过TOFD扫查分析可知，密集气孔缺陷混合在一起，不能分辨单一缺陷，主要是产生了深度分辨力：对于TOFD检测来讲，1个信号波形一般划分为2-3个周期，识别2个信号即是分辨率。比如5MHz探头，持续2个全周期，利用TOFD对探头实现图像检测，深度方向的分辨率为：
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（2）
TOFD在深度和长度上将密集气孔作为整体缺陷，通过成像的方式表现出来，但是TOFD很难定性分析缺陷。相控阵扫描时，经不断切换仪器调节模式，得出密集气孔的缺陷性质。定量分析缺陷方面，可以根据成像的热度图或灰度图，科学使用软件测量。根据不同的成像原理，与X射线检测比较，相控阵图像的定量与分辨率存在较大差距。其中，分辨率对密集气孔来讲是一项非常关键的因素，实际检测中结合固定位置的密集气孔，为了优化分辨率必须改善焦距与探头参数，这项检测操作没有任何困难。结合上述检测方法，在检测密集气孔中相控阵检测发挥了关键的作用。
由以上分析可知，以上几种检测方法存在各自的优缺点。X射线检测结果准确、分辨率较强，但存在定位盲点，与厚板焊接接头并不适合；超声波检查容易发生定量误差，可用于厚板焊接接头检测；TOFD检测密集气孔提高了分辨率和定性的难度，但其认定密集气孔为一个综合缺陷，在深度定位研究方面体现出现实意义；相控阵可以直接反映缺陷图像，测量方式便捷，结果稳定；适合的探头和准确的参数有利于迅速检测到密集气孔缺陷，该种方法的应用发展前景良好。
结束语
结合板厚的差异，对钢板焊接出现的密集气孔缺陷采取恰当的无损检测方法，各种方法科学结合，快速找出焊接密集气孔的缺陷。针对焊接密集气孔缺陷，需要科学使用检测技术，进而保证检测结果的准确性。
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论文作者:L梁华中
论文发表刊物:《电力设备》2020年第2期
论文发表时间:2020/4/30