厚板電子束焊縫的超聲扇形掃描檢測(cè)

欒亦琳， 王永東

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022)

0 引 言

近年來，電子束焊接在航空航天、船舶和能源等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。與傳統(tǒng)的焊接方法相比，電子束焊接具有能量密度高、加熱速度快、焊接熱影響區(qū)小、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)，在焊接厚度超過50 mm的厚大結(jié)構(gòu)中，體現(xiàn)了極大的優(yōu)越性［1］。厚板電子束焊接的焊縫窄、深寬比大，缺陷多集中在狹長的焊縫和熱影響區(qū)，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能和使用壽命將產(chǎn)生不利的影響［2］。因此，開展厚板電子束焊縫質(zhì)量無損評(píng)價(jià)研究，對(duì)推廣厚板電子束焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)用尤為重要。

目前，焊接結(jié)構(gòu)最常用的無損檢測(cè)方法有射線檢測(cè)和超聲檢測(cè)。射線檢測(cè)具有靈敏度高、缺陷顯示直觀、可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)［3］。但對(duì)裂紋類缺陷檢測(cè)的靈敏度受缺陷方位及試樣厚度的影響嚴(yán)重［4］。同時(shí)，射線檢測(cè)無法獲取缺陷的埋藏深度信息，對(duì)于大厚度的電子束焊縫來說，需要掌握缺陷在焊縫深度方向的位置［5］。

超聲檢測(cè)是利用超聲波在物體中傳播、反射和衰減等物理特性，來發(fā)現(xiàn)缺陷的一種檢測(cè)方法。Matikas［6］采用超聲波檢測(cè)飛機(jī)零件中的鈦合金電子束焊縫，研究了聲波頻率、入射角度和波束尺寸的影響，以獲得最佳的信噪比。袁鴻等［7］對(duì)18CrNi4A 低合金滲碳鋼大型推進(jìn)齒輪電子束焊接結(jié)構(gòu)的圓周焊縫進(jìn)行了超聲檢測(cè)。采用水浸法分別從焊縫表面沿熔深方向和沿軸體外圓周徑向?qū)宇^區(qū)域作超聲C 掃描，比較全面、直觀地反映了焊縫的內(nèi)部缺陷。史亦韋等［8］采用超聲TOFD 法檢測(cè)9 mm 不銹鋼板電子束焊縫，加工了側(cè)孔、開口槽和豎孔缺陷。該方法能清晰識(shí)別側(cè)孔缺陷，但對(duì)于豎孔和近表面的槽型缺陷卻很難識(shí)別。為了提高檢測(cè)靈敏度，比較適宜的方法是超聲斜角探傷法［9］。該方法采用橫波斜探頭，在垂直于焊縫試樣的表面移動(dòng)，超聲波束以一定的角度傾斜入射到焊縫中。為了保證超聲波束覆蓋整個(gè)焊縫，對(duì)試樣的寬度有一定的要求，當(dāng)試樣的寬度有限，無法保證超聲波束覆蓋整個(gè)焊縫時(shí)，會(huì)使檢測(cè)受到限制。

為了解決上述問題，使檢測(cè)結(jié)果更為直觀，筆者采用超聲相控陣扇形掃描法，檢測(cè)厚板電子束焊縫，希望在不需要移動(dòng)相控陣換能器位置的情況下，實(shí)現(xiàn)整個(gè)焊縫波束的覆蓋，以解決厚板焊縫檢測(cè)時(shí)受試樣寬度限制的問題。

1 超聲相控陣

超聲相控陣法的特點(diǎn)是換能器由多個(gè)陣元組成，每個(gè)陣元可以單獨(dú)控制發(fā)射或接收超聲波，每個(gè)陣元發(fā)射/接收的時(shí)間可以調(diào)節(jié)。如果改變單個(gè)換能器陣元的激勵(lì)時(shí)間，使它們按照一定的規(guī)則延時(shí)，則各陣元發(fā)射的超聲子波束會(huì)疊加形成新的波陣面，從而使發(fā)射波束具有聚焦或偏轉(zhuǎn)特性［10］，如圖1 所示。在圖1a 中，各陣元的波陣面法線指向位于中心陣元法線方向上的一曲率中心，實(shí)現(xiàn)了波束的聚焦;在圖1b 中，各陣元合成的波陣面法線方向與線性陣列平面的法線方向形成一定的角度，實(shí)現(xiàn)了波束的偏轉(zhuǎn)。

圖1 波束聚焦和偏轉(zhuǎn)示意Fig．1 Diagrammatic sketch of beam focusing and deflection

超聲相控陣具有電子掃描、動(dòng)態(tài)深度聚焦和扇形掃描三種基本掃描方式［11］。電子掃描是對(duì)一組陣元施加相同的聚焦法則，沿著超聲相控陣換能器的長度方向進(jìn)行相同深度的掃描。動(dòng)態(tài)深度聚焦，超聲波束沿著主波束的聲軸方向，在不同深度進(jìn)行聚焦。扇形掃描將超聲相控陣的波束偏轉(zhuǎn)與波束聚焦結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)超聲波束在一個(gè)扇形區(qū)域內(nèi)的掃描。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2．1 材料與設(shè)備

焊接試樣材料為鈦合金TC4，試樣的厚度為55 mm，長度305 mm，寬度60 mm。電子束焊接在MEDARD45 型電子束焊機(jī)上進(jìn)行，采用雙面焊接，加速電壓60 kV，焊接束流為200 mA，焊接速度為6 mm/s，聚焦電流為773 mA。超聲相控陣檢測(cè)采用Harfang X-32 檢測(cè)儀。該設(shè)備可以進(jìn)行A 掃描、D掃描和扇形掃描的實(shí)時(shí)觀測(cè)，并可將數(shù)據(jù)保存在UTStudio 軟件中，進(jìn)行后續(xù)分析。相控陣換能器頻率為5 MHz，陣元數(shù)量32 個(gè)，排列方式為一維線形陣列，尺寸0.8 mm ×12 mm，間隙為0.04 mm，楔塊材料為有機(jī)玻璃，角度35°。

2．2 方法

在焊縫檢測(cè)前，首先對(duì)超聲波束在TC4 中電子束焊縫的偏轉(zhuǎn)聚焦特性進(jìn)行模擬。作為例子給出掃描角度分別為30°、50°和70°時(shí)陣元延遲時(shí)間t 及波束的聚焦偏轉(zhuǎn)，如圖2 所示。

圖2 陣元延遲時(shí)間和波束偏轉(zhuǎn)聚焦模擬Fig．2 Elements delay and simulation of beam deflection and focusing

Ⅰ圖為32 個(gè)陣元的延遲時(shí)間，Ⅱ圖為波束偏轉(zhuǎn)聚焦的模擬演示，Ⅱ圖中的虛線代表各陣元發(fā)出的超聲子波束。32 個(gè)陣元依據(jù)延遲時(shí)間發(fā)射，各超聲子波束經(jīng)過楔塊傳播后，在楔塊與試樣的界面發(fā)生折射，再經(jīng)過試樣傳播后，匯聚于焦點(diǎn)位置。

對(duì)TC4 電子束焊縫扇形掃描檢測(cè)進(jìn)行模擬分析，掃描角度為30°～70°，掃描步長為0.25°。由于焊縫有余高，表面凹凸不平，與換能器楔塊耦合效果差，所以應(yīng)使換能器楔塊避開焊縫區(qū)域。焊縫扇形掃描模擬結(jié)果見圖3。圖3 中的灰色區(qū)域?yàn)槁暿采w區(qū)域，由圖3 可知，采用扇形掃描的方式，換能器不需要沿焊縫寬度方向移動(dòng)，通過聲束的偏轉(zhuǎn)和聚集，實(shí)現(xiàn)了焊縫內(nèi)部一定區(qū)域的掃查。圖3a 剖面線所示區(qū)域，將試樣翻轉(zhuǎn)，在試樣底面再次進(jìn)行檢測(cè)，如圖3b 所示，保證焊縫全部被檢測(cè)，從而解決了寬度受限的超聲檢測(cè)問題。

圖3 TC4 電子束焊縫扇形掃描模擬Fig．3 Simulation of sectorial-scan of TC4 electron beam welding seam

對(duì)TC4 電子束焊縫進(jìn)行扇形掃描檢測(cè)，結(jié)合D掃描和A 掃描分析缺陷圖像的特征。在疑似缺陷位置采用線切割的方法將焊縫剖開，試樣的端面在200#、500#、800#和1000#砂紙上逐級(jí)磨光后，再用金鋼石拋光液拋光，用體積比為1∶2∶25 的氫氟酸、硝酸和水混合液腐蝕，在Olympus 光學(xué)顯微鏡觀察缺陷的形貌，確定缺陷的類型，并與扇形掃描圖像建立聯(lián)系。

焊縫中缺陷的三維定位一直是倍受關(guān)注的研究熱點(diǎn)。研究中相控陣設(shè)備的UTStudio 軟件中自帶三坐標(biāo)系統(tǒng)，電子束焊接試樣也可以建立三坐標(biāo)系統(tǒng)，通過對(duì)軟件中坐標(biāo)參數(shù)的合理設(shè)置，使兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)統(tǒng)一，利用軟件中的坐標(biāo)，即可以實(shí)現(xiàn)焊縫中缺陷的三維定位。圖4 是電子束焊縫缺陷三維定位示意，相控陣換能器位于焊縫的一側(cè)，沿焊縫進(jìn)行掃查，虛線換能器為掃查的起始位置。將掃查起始位置換能器楔塊前沿與試樣邊緣的交點(diǎn)設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)，x 軸指向焊縫，y 軸為焊縫深度方向，z 軸為掃查方向。從扇形掃描圖像中可以讀取x、y 和z 三個(gè)坐標(biāo)，分別表示缺陷距離換能器楔塊前沿的距離、缺陷在焊縫中的埋藏深度和掃查距離。z 坐標(biāo)加上相控陣波束距離換能器楔塊側(cè)面的距離14.6 mm，即可得到缺陷距離掃查起始位置的水平距離。

圖4 焊縫缺陷三維定位Fig．4 Diagrammatic sketch of three-dimensional orientation of defect

3 結(jié)果與討論

3．1 焊縫缺陷圖像特征

氣孔是電子束焊縫中常見的缺陷，母材中所含有的氫、夾雜及低熔點(diǎn)成分，材料中原有氣孔的存在及工件表面油污等是出現(xiàn)氣孔的主要原因。電子束焊接時(shí)熔池中少量的金屬雜質(zhì)汽化以及雜質(zhì)氣體的逸出形成一個(gè)個(gè)微小的氣孔源，在表面張力及熔池的流動(dòng)等共同作用下，這些微小的氣孔匯聚在一起，最終形成氣孔。氣孔形成以后，在還未來得及逃逸時(shí)，電子束就離開已熔化區(qū)域，焊縫中即出現(xiàn)缺陷。

圖5 為焊縫氣孔的掃描圖像。在圖5a 的扇形掃描圖像中，由于氣孔距離試樣上表面比較近，位于扇形掃描邊緣區(qū)域，檢測(cè)圖像中沒有包含缺陷的全部信息;圖5b 扇形掃描圖像中可以清晰地看到缺陷，氣孔在圖像中呈圓弧形。為了深入研究氣孔缺陷圖像特征，圖5c 和5d 給出掃描角度37.75°的D掃描和A 掃描圖像，在圖像中能清楚地看出缺陷回波。

圖5 電子束焊縫氣孔缺陷掃描圖像Fig．5 Scan images of pore in electron beam welding seam

電子束焊接接頭中出現(xiàn)冷裂紋的主要原因，是由于電子束焊接的快速加熱及冷卻作用，以及材料本身室溫延性低的影響所致。圖6 為焊縫裂紋的掃描圖像。其中圖6a 為裂紋的扇形掃描圖像，圖6b和6c 為掃描角度35.75°的D 掃描和A 掃描圖像。裂紋接近于焊縫根部，在扇形掃描、D 掃描和A 掃描圖像中反射均很強(qiáng)烈。

圖6 裂紋缺陷掃描圖像Fig．6 Scan images of crack in electron beam welding seam

焊接前在試樣的中部焊接面上涂抹黃油以制造人工缺陷，導(dǎo)致這部分區(qū)域未完全熔合，形成未熔合缺陷，圖7 為未熔合區(qū)域的掃描圖像。未熔合缺陷的面積較大，在許多掃描角度的D 掃描和A 掃描圖像中均可看到缺陷回波，圖7 中只給出典型掃描角度47.75°的D 掃描和A 掃描圖像。

受焊接工藝的影響，電子束焊接試樣后端完全未焊透，兩塊試樣僅是貼合得比較緊密，中間留有空隙，聲波會(huì)在空隙處產(chǎn)生反射，掃描結(jié)果如圖8 所示。扇形掃描圖像中，整個(gè)焊縫區(qū)域均有回波，從57.50°的D 掃描和A 掃描圖像中可以看出，缺陷反射回波的幅度并不高。

圖7 未熔合缺陷掃描圖像Fig．7 Scan images of lack of fusion in electron beam welding seam

3．2 缺陷的三維定位

根據(jù)2.2 中所述方法，將UTStudio 軟件中自帶的三坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)設(shè)置在掃查起始位置換能器楔塊前沿與試樣邊緣的交點(diǎn)位置，對(duì)缺陷進(jìn)行三維定位，結(jié)果如圖9 所示。圖9 為扇形掃描圖像中心位置的缺陷，x 坐標(biāo)為6.39 m，y 坐標(biāo)為32.38 m，z 坐標(biāo)為13.00 m，根據(jù)缺陷定位方法可知，此缺陷距離換能器楔塊前沿的距離為6.39 mm，在焊縫中的埋藏深度為32.38 mm，與掃查起始位置的距離由z 坐標(biāo)與換能器中波束距離楔塊側(cè)面的距離14.6 mm求得，即27.6 mm。

圖8 未焊透缺陷掃描圖像Fig．8 Scan images of lack of penetration in electron beam welding seam

圖9 焊縫缺陷的三維定位Fig．9 Three-dimensional orientation of defect

4 結(jié) 論

(1)采用超聲相控陣扇形掃描，實(shí)現(xiàn)了寬度有限的厚板焊縫的檢測(cè)，扇形掃描圖像能夠更加直觀地顯示缺陷。

(2)在TC4 電子束焊縫中，采用扇形掃描與D掃描、A 掃描相結(jié)合的方法，可以檢測(cè)出氣孔、裂紋、未熔合和未焊透四種缺陷。

(3)合理設(shè)置坐標(biāo)系，可以實(shí)現(xiàn)焊縫內(nèi)缺陷的三維定位，測(cè)量可以得到缺陷距離換能器楔塊前沿的距離、埋藏深度和距離掃查起始位置的水平距離。

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