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摘要：无损检测是保证焊接工作的重要的检验方法和手段。在众多的无损检测方法中，应用最为广泛的是基于声学的无损检测方法。主要阐述了超声C扫描、超声TOFD、超声相控阵、声发射及其他相关声学技术的技术特点、在国内焊接领域上的工程应用及科学研究。结合实验室的研究经历，简要分析了相关研究方法存在的问题，最后展望了基于声学无损检测的未来发展趋势。
关键词：国内焊接；缺陷；声学无损检测
一、超声C扫描
超声C扫描可对工件内部的缺陷进行定位及定量检测，且检测精度较高，被广泛运用于钎焊、点焊、激光焊、电子束焊、扩散焊等焊接接头的缺陷检测。
超声C扫描在检测焊接构件的缺陷上运用广泛，检测结果也比较可靠，但超声C扫描也存在技术弊端，如图像识别困难、边界模糊及缺陷面积难以计算等问题。针对上述技术弊端，国内学者开展了相关研究工作。刘静[12]采用双三次图像插值细分重建了步长为1000μm的扫描图像，不仅提升了分辨率，还提高了扫描效率，可实现点焊接头超声C扫描的快速检测；在此基础上，对插值后的二维扫描图像进行图像增强、边缘检测处理，获得了清晰的熔核边界形貌。孙鑫宇等人[13]提出了借助C扫描图像的灰度值变化特征测量焊核直径的方法。该方法避免了人为因素的影响，将该方法的测量值和实际值相对比，其结果具有较高的吻合度。刘海强等人[14]针对C扫描检测钎焊焊缝时缺陷面积难以有效计算的问题，通过设置图像像素灰度值的阈值，将图像边界和周围背景环境进行分割，较好地计算出了钎焊焊缝的缺陷面积。
二、超声TOFD
超声TOFD法具有精度高、定位准以及信号接收不受缺陷位向的约束，能全方位多角度检测焊缝的各种缺陷的特点，被广泛运用于厚壁的焊接结构缺陷的检测。
史俊伟等人采用手动超声TOFD扫描成像系统对搅拌摩擦焊焊接接头进行超声TOFD扫描。研究发现可以很好地检出焊缝中的缺陷，证实了超声TOFD扫描适用于特种焊接构件，尤其是搅拌摩擦焊构件的缺陷识别和可视化检测技术研究。赵力等人分别采用了脉冲反射法和TOFD法，对缺陷进行了定位、定量的方法研究。研究发现对于具有方向性的缺陷，相对于常规超声波检测，TOFD检测精度更高；同时研究表明，通过脉冲反射法和TOFD法的技术互补，可获得理想的检测效果。彭国平等人采用超声TOFD-D扫描，成功表征了焊缝常见缺陷如侧壁未熔合、根部未焊透、气孔、裂纹等缺陷。同时，研究发现将超声TOFD-D扫描图像特征与超声TOFD检测信号特征相结合，可以提高对缺陷类型的识别能力。
三、超声相控阵
超声相控阵由于其灵活的声束偏转及聚焦性能，非常适合复杂几何工件的检测。上海航天精密机械研究所的王飞等人针对薄壁构件搅拌摩擦焊锁底焊缝结构件装机状态下检测空间狭小、焊缝厚度薄且结构复杂的检测难题，采用内置30°楔块的相控阵探头对该焊缝结构件进行检测。研究表明，该方式能实现3mm厚铝合金搅拌摩擦焊锁底结构焊缝内部缺陷的检测。沈阳航空航天大学的易冠英等人采用扇形扫查方式对搅拌摩擦焊焊缝进行检测，确定了低通-高通滤波及激发晶片数等关键参数，实现了隧道缺陷及未焊透缺陷的检测，且在隧道缺陷的深度检测上，误差仅有2%左右。首都航天机械公司的张丽娜等人采用超声相控阵对典型的搅拌摩擦焊的焊缝缺陷进行了检测。结果表明，对于搅拌摩擦焊焊缝缺陷，超声相控阵检测技术检测能力强，可准确检测出面积型缺陷及体积型缺陷。南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司的万升云等人研究发现，超声相控阵检测技术能够可靠地检测联轴节电子束焊焊缝内部缺陷和熔透深度。
在常规超声法难于检测的摩擦焊，特别是搅拌摩擦焊的接头缺陷检测上，相控阵技术是潜在的行之有效的方法，但相关研究还需进一步深入。随着超声相控阵检测效率及检测精度的不断提升，定会使相控阵检测技术在工程上发挥更重要的作用。
四、声发射
声发射检测技术不同于常规检测方法，其原因主要是能够动态地检测缺陷的形成，比如焊接过程中裂纹的形成及扩展等，且能够获得缺陷形成过程中实时、连续的信号。另外，声发射检测的材料种类范围广，大多数材料都可以成为声发射源。
袁少波通过分析焊接裂纹声发射信号的频率谱，发现裂纹元的形成与声发射波形的密集程度有直接关系。重庆理工大学的朱洋等人利用焊接过程检测到的结构负载声发射信号来表征激光和微束等离子弧两种热源复合的稳定性特征和复合效果。研究表明，声发射信号的时域特征波形与焊接过程表现出良好的相关关系。华东理工大学的孙国豪等人对含气孔、条渣、未焊透及无缺陷试样进行了声发射信号的计数、能量和幅值的分布特点及其相关性的分析，得出了不同缺陷的特征参数分布特点和各参数之间的相关性。北京化工大学的柏青等人将声发射技术用于摩擦叠焊焊接工艺监测并利用声发射技术监测焊接过程的平稳性来保证焊接质量。
能进行实时监测是声发射检测技术的优势所在，但由于在焊接过程中，该技术容易受到干扰噪音的影响又限制了其运用。若在焊接缺陷监测过程中对排除干扰信号进行更为深入的研究，将会使声发射检测技术更广泛地运用于焊接缺陷的检测。
五、其他声学方法
（一）超声导波
超声导波检测由于传播距离长、无盲区、且可实现全方位检测的特点，引起了世界范围内广泛的研究。无损检测中的超声导波主要有Lamb波、Rayleigh波、棒波等。由自身特性所决定，导波适合用于薄板焊接结构缺陷的检测。导波检测技术还存在很多难题，如频散、多模态以及与缺陷体作用后的模态转换问题等，使导波不能最大限度地用于工程實际，并且当焊接缺陷较多时，导波回波信号将变得难以识别。在导波理论、检测机理深入研究的基础上，对焊接缺陷检测回波进行信号分析及模式识别，将会提升导波在焊接结构缺陷检测中的应用价值。
（二）非线性超声
非线性超声检测技术能够用来检测可以引起线性声学性质变化的缺陷，可使用于复杂形状的零件、复合材料结构以及大型结构的检测，且可以用来预测材料失效行为，有效地补充和扩展了传统线性超声检测技术的应用范围。非线性超声检测技术目前正处于发展的关键阶段，在复杂焊接结构的缺陷定性定量检测以及如何运用于工程实际等方面还具有广阔的研究空间。
六、结束语
综上所述，在现代工业中发展，各种检测技术层出不穷。声学无损检测作为快速、有效、绿色环保的焊接缺陷检测方法，，为焊接结构设计及使用安全性提供了技术支持。随着现代工业对焊接质量要求的不断提升，声学检测技术也在不断地深入研究及推广应用。基于声学的无损检测技术在未来的工业建设中将发挥更为重要的作用。
参考文献：
[1]杨育光.基于共振声学无损检测技术的机械结构的识别研究[D].中北大学，2018.
[2]邱长春，张碧星，沈建中.高速铁路路基声学无损检测方法研究[A].中国声学学会.泛在信息社会中的声学——中国声学学会2010年全国会员代表大会暨学术会议论文集[C].中国声学学会：中国声学学会，2010：2.
关键词：国内焊接；缺陷；声学无损检测
一、超声C扫描
超声C扫描可对工件内部的缺陷进行定位及定量检测，且检测精度较高，被广泛运用于钎焊、点焊、激光焊、电子束焊、扩散焊等焊接接头的缺陷检测。
超声C扫描在检测焊接构件的缺陷上运用广泛，检测结果也比较可靠，但超声C扫描也存在技术弊端，如图像识别困难、边界模糊及缺陷面积难以计算等问题。针对上述技术弊端，国内学者开展了相关研究工作。刘静[12]采用双三次图像插值细分重建了步长为1000μm的扫描图像，不仅提升了分辨率，还提高了扫描效率，可实现点焊接头超声C扫描的快速检测；在此基础上，对插值后的二维扫描图像进行图像增强、边缘检测处理，获得了清晰的熔核边界形貌。孙鑫宇等人[13]提出了借助C扫描图像的灰度值变化特征测量焊核直径的方法。该方法避免了人为因素的影响，将该方法的测量值和实际值相对比，其结果具有较高的吻合度。刘海强等人[14]针对C扫描检测钎焊焊缝时缺陷面积难以有效计算的问题，通过设置图像像素灰度值的阈值，将图像边界和周围背景环境进行分割，较好地计算出了钎焊焊缝的缺陷面积。
二、超声TOFD
超声TOFD法具有精度高、定位准以及信号接收不受缺陷位向的约束，能全方位多角度检测焊缝的各种缺陷的特点，被广泛运用于厚壁的焊接结构缺陷的检测。
史俊伟等人采用手动超声TOFD扫描成像系统对搅拌摩擦焊焊接接头进行超声TOFD扫描。研究发现可以很好地检出焊缝中的缺陷，证实了超声TOFD扫描适用于特种焊接构件，尤其是搅拌摩擦焊构件的缺陷识别和可视化检测技术研究。赵力等人分别采用了脉冲反射法和TOFD法，对缺陷进行了定位、定量的方法研究。研究发现对于具有方向性的缺陷，相对于常规超声波检测，TOFD检测精度更高；同时研究表明，通过脉冲反射法和TOFD法的技术互补，可获得理想的检测效果。彭国平等人采用超声TOFD-D扫描，成功表征了焊缝常见缺陷如侧壁未熔合、根部未焊透、气孔、裂纹等缺陷。同时，研究发现将超声TOFD-D扫描图像特征与超声TOFD检测信号特征相结合，可以提高对缺陷类型的识别能力。
三、超声相控阵
超声相控阵由于其灵活的声束偏转及聚焦性能，非常适合复杂几何工件的检测。上海航天精密机械研究所的王飞等人针对薄壁构件搅拌摩擦焊锁底焊缝结构件装机状态下检测空间狭小、焊缝厚度薄且结构复杂的检测难题，采用内置30°楔块的相控阵探头对该焊缝结构件进行检测。研究表明，该方式能实现3mm厚铝合金搅拌摩擦焊锁底结构焊缝内部缺陷的检测。沈阳航空航天大学的易冠英等人采用扇形扫查方式对搅拌摩擦焊焊缝进行检测，确定了低通-高通滤波及激发晶片数等关键参数，实现了隧道缺陷及未焊透缺陷的检测，且在隧道缺陷的深度检测上，误差仅有2%左右。首都航天机械公司的张丽娜等人采用超声相控阵对典型的搅拌摩擦焊的焊缝缺陷进行了检测。结果表明，对于搅拌摩擦焊焊缝缺陷，超声相控阵检测技术检测能力强，可准确检测出面积型缺陷及体积型缺陷。南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司的万升云等人研究发现，超声相控阵检测技术能够可靠地检测联轴节电子束焊焊缝内部缺陷和熔透深度。
在常规超声法难于检测的摩擦焊，特别是搅拌摩擦焊的接头缺陷检测上，相控阵技术是潜在的行之有效的方法，但相关研究还需进一步深入。随着超声相控阵检测效率及检测精度的不断提升，定会使相控阵检测技术在工程上发挥更重要的作用。
四、声发射
声发射检测技术不同于常规检测方法，其原因主要是能够动态地检测缺陷的形成，比如焊接过程中裂纹的形成及扩展等，且能够获得缺陷形成过程中实时、连续的信号。另外，声发射检测的材料种类范围广，大多数材料都可以成为声发射源。
袁少波通过分析焊接裂纹声发射信号的频率谱，发现裂纹元的形成与声发射波形的密集程度有直接关系。重庆理工大学的朱洋等人利用焊接过程检测到的结构负载声发射信号来表征激光和微束等离子弧两种热源复合的稳定性特征和复合效果。研究表明，声发射信号的时域特征波形与焊接过程表现出良好的相关关系。华东理工大学的孙国豪等人对含气孔、条渣、未焊透及无缺陷试样进行了声发射信号的计数、能量和幅值的分布特点及其相关性的分析，得出了不同缺陷的特征参数分布特点和各参数之间的相关性。北京化工大学的柏青等人将声发射技术用于摩擦叠焊焊接工艺监测并利用声发射技术监测焊接过程的平稳性来保证焊接质量。
能进行实时监测是声发射检测技术的优势所在，但由于在焊接过程中，该技术容易受到干扰噪音的影响又限制了其运用。若在焊接缺陷监测过程中对排除干扰信号进行更为深入的研究，将会使声发射检测技术更广泛地运用于焊接缺陷的检测。
五、其他声学方法
（一）超声导波
超声导波检测由于传播距离长、无盲区、且可实现全方位检测的特点，引起了世界范围内广泛的研究。无损检测中的超声导波主要有Lamb波、Rayleigh波、棒波等。由自身特性所决定，导波适合用于薄板焊接结构缺陷的检测。导波检测技术还存在很多难题，如频散、多模态以及与缺陷体作用后的模态转换问题等，使导波不能最大限度地用于工程實际，并且当焊接缺陷较多时，导波回波信号将变得难以识别。在导波理论、检测机理深入研究的基础上，对焊接缺陷检测回波进行信号分析及模式识别，将会提升导波在焊接结构缺陷检测中的应用价值。
（二）非线性超声
非线性超声检测技术能够用来检测可以引起线性声学性质变化的缺陷，可使用于复杂形状的零件、复合材料结构以及大型结构的检测，且可以用来预测材料失效行为，有效地补充和扩展了传统线性超声检测技术的应用范围。非线性超声检测技术目前正处于发展的关键阶段，在复杂焊接结构的缺陷定性定量检测以及如何运用于工程实际等方面还具有广阔的研究空间。
六、结束语
综上所述，在现代工业中发展，各种检测技术层出不穷。声学无损检测作为快速、有效、绿色环保的焊接缺陷检测方法，，为焊接结构设计及使用安全性提供了技术支持。随着现代工业对焊接质量要求的不断提升，声学检测技术也在不断地深入研究及推广应用。基于声学的无损检测技术在未来的工业建设中将发挥更为重要的作用。
参考文献：
[1]杨育光.基于共振声学无损检测技术的机械结构的识别研究[D].中北大学，2018.
[2]邱长春，张碧星，沈建中.高速铁路路基声学无损检测方法研究[A].中国声学学会.泛在信息社会中的声学——中国声学学会2010年全国会员代表大会暨学术会议论文集[C].中国声学学会：中国声学学会，2010：2.