爆炸復(fù)合接頭防銹鋁/防銹鋁層界面結(jié)合品質(zhì)的超聲檢測(cè)

王禮營(yíng)，王 貝，張 磊，馬衛(wèi)輝

(1.西安天力金屬?gòu)?fù)合材料有限公司， 西安 710201; 2. 陜西省層狀金屬?gòu)?fù)合材料工程研究中心， 西安 710201)

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【機(jī)械制造與檢測(cè)技術(shù)】

爆炸復(fù)合接頭防銹鋁/防銹鋁層界面結(jié)合品質(zhì)的超聲檢測(cè)

王禮營(yíng)1,2，王 貝1，張 磊1，馬衛(wèi)輝1

(1.西安天力金屬?gòu)?fù)合材料有限公司， 西安 710201; 2. 陜西省層狀金屬?gòu)?fù)合材料工程研究中心， 西安 710201)

對(duì)爆炸復(fù)合接頭防銹鋁/防銹鋁層界面有明顯界面回波的區(qū)域進(jìn)行了金相試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)和滲透檢測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析比較，得到在超聲檢測(cè)防銹鋁/防銹鋁層界面之間出現(xiàn)界面回波，防銹鋁/防銹鋁層界面之間有尺寸大于0.2 mm的熔化塊。對(duì)防銹鋁界面進(jìn)行滲透檢測(cè)，熔化塊區(qū)域出現(xiàn)線性和點(diǎn)狀顯示。采用超聲檢測(cè)法評(píng)估鋁鋼復(fù)合接頭界面結(jié)合品質(zhì)，可以無(wú)損快速判斷界面金相和剪切情況，判定最優(yōu)工藝。

爆炸焊接；鋁/不銹鋼；超聲波檢測(cè)

鋁/不銹鋼爆炸焊接復(fù)合過(guò)渡接頭，既具有鋁材的導(dǎo)熱性，導(dǎo)電性，耐蝕性，又具有不銹鋼的耐蝕性和物理性能，主要應(yīng)用于船舶、化工和電極行業(yè)。鋁/不銹鋼爆炸焊接復(fù)合板結(jié)合狀態(tài)的檢測(cè)主要采用超聲波檢測(cè)。

鋁/不銹鋼爆炸復(fù)合過(guò)渡接頭，主要用于防銹鋁容器和不銹鋼管道過(guò)渡連接的作用。理論上同種材料由于聲阻抗一樣，如果結(jié)合完好，就不會(huì)產(chǎn)生界面反射回波，但是超聲檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)防銹鋁和防銹鋁界面有明顯的界面回波。通常要進(jìn)一步分析防銹鋁界面的結(jié)合品質(zhì)，要選用金相試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)等破壞性試驗(yàn)進(jìn)行分析。因此不同防銹鋁/防銹鋁界面回波與界面金相及剪切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用超聲檢測(cè)方法評(píng)價(jià)鋁鋼復(fù)合接頭的結(jié)合品質(zhì)，有迫切的現(xiàn)實(shí)意義。

我公司研制的復(fù)合接頭是由基板65 mm不銹鋼SA240 304L和復(fù)層56 mm防銹鋁5083組成，由于復(fù)層防銹鋁厚度較厚，考慮到爆炸焊接過(guò)程防銹鋁減薄的因素，采用35 mm防銹鋁分兩次爆炸焊接完成。但是在對(duì)鋁/不銹鋼超聲檢測(cè)時(shí)候發(fā)現(xiàn)，兩層防銹鋁之間有明顯的界面回波。理論上同種材料聲阻抗沒(méi)有差別，防銹鋁/防銹鋁界面如果結(jié)合良好，不會(huì)產(chǎn)生界面回波，但是不同爆炸焊接條件的3塊試塊，防銹鋁/防銹鋁界面回波不同。通常分析防銹鋁界面的結(jié)合品質(zhì)，要選用金相試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)等破壞性試驗(yàn)進(jìn)行分析。金相和剪切試驗(yàn)只是在邊部取樣，一方面無(wú)法真實(shí)評(píng)估整張復(fù)合板的性能，另一方面需要一定的試驗(yàn)周期和經(jīng)費(fèi)。但是分析不同防銹鋁/防銹鋁界面回波與界面金相及剪切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用超聲檢測(cè)方法評(píng)價(jià)鋁鋼復(fù)合接頭的結(jié)合品質(zhì)，既可以快速高效無(wú)損評(píng)價(jià)防銹鋁/防銹鋁界面的結(jié)合品質(zhì)，又可以對(duì)整個(gè)復(fù)合接頭全面評(píng)價(jià)。因此爆炸復(fù)合接頭鋁/鋁層界面結(jié)合品質(zhì)超聲檢測(cè)研究有現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)的復(fù)合接頭材質(zhì)是5083/5083/SA240304L，厚度是35 mm/35 mm/65 mm。分別對(duì)不同爆炸焊接條件的3塊試塊，使用PXUT-330儀器，5Mφ20 mm直探頭進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試塊1超聲檢測(cè)

試塊1進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，鋼面一次底波高度為100%，復(fù)合板防銹鋁5083與防銹鋁5083之間的界面波高度為80%，鋁鋼界面波高度為60%，如圖1(a)。理論上同種材料聲阻抗沒(méi)有差別，防銹鋁/防銹鋁界面如果結(jié)合良好，不會(huì)產(chǎn)生界面回波，但是防銹鋁5083界面之間有80%高的界面波，顯示防銹鋁界面有異常。

1.2.2 試塊2超聲檢測(cè)

試塊2進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，鋼面一次底波高度為100%，復(fù)合板防銹鋁5083與防銹鋁5083之間的界面波高度為40%，鋁鋼界面波高度為60%，如圖1(b)。試塊2防銹鋁5083界面之間有40%高的界面波，雖然比試塊1有所降低，但仍顯示防銹鋁界面有異常。

1.2.3 試塊3防銹鋁/防銹鋁界面回波

試塊3進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，鋼面一次底波高度為100%，復(fù)合板防銹鋁5083與防銹鋁5083之間沒(méi)有界面回波，如圖1(c)。試塊3防銹鋁5083界面沒(méi)有界面波，符合同種材料聲阻抗沒(méi)有差別，防銹鋁/防銹鋁界面結(jié)合良好，顯示試塊3防銹鋁界面結(jié)合良好。

2 結(jié)果與分析

2.1 金相試驗(yàn)

對(duì)3塊試塊防銹鋁5083和防銹鋁5083的界面進(jìn)行金相試驗(yàn)，如圖2。

1) 對(duì)試塊1防銹鋁5083與防銹鋁5083之間的界面金相檢驗(yàn)，如圖2(a)，顯示防銹鋁5083與防銹鋁5083界面漩渦區(qū)有0.6 mm×0.75 mm尺寸的熔化塊。根據(jù)惠更斯-菲涅爾原理，超聲檢測(cè)靈敏度為λ/2。已知鋁的聲速為C鋁=6 320 m/s，探頭頻率f=5 MHz的，波長(zhǎng)λ=C/f=1.264 mm，鋁板的超聲波檢測(cè)靈敏度約為λ/2=0.632 mm。因?yàn)樵噳K1防銹鋁界面之間的熔化塊尺寸大于0.6 mm，所以熔化塊可以被超聲檢測(cè)出。

2) 對(duì)試塊2防銹鋁5083與防銹鋁5083之間的界面金相檢驗(yàn)，如圖2(b)，顯示防銹鋁5083與防銹鋁5083界面漩渦區(qū)有0.2 mm×0.4 mm尺寸的熔化塊。試塊2防銹鋁界面之間的熔化塊尺寸在0.2～0.4 mm，雖然熔化塊尺寸小于0.6 mm，仍可以被超聲檢測(cè)出，但是在防銹鋁界面的界面回波高度比試塊1降低了1/2。

3) 對(duì)試塊3防銹鋁5083與防銹鋁5083之間的界面金相檢驗(yàn)，如圖2(c)，顯示防銹鋁5083與防銹鋁5083界面漩渦區(qū)有0.08 mm×0.2 mm尺寸的熔化塊。試塊3防銹鋁界面之間的熔化塊尺寸已經(jīng)小于0.2 mm，防銹鋁界面沒(méi)有有界面回波，表明尺寸小于0.2 mm的熔化塊無(wú)法被超聲檢測(cè)出。

圖1 超聲波檢測(cè)波形

圖2 防銹鋁5083與5083界面金相

試驗(yàn)表明實(shí)際超聲檢測(cè)中，爆炸焊接材料界面熔化塊尺寸小于超聲檢測(cè)理論靈敏度，也可以被檢測(cè)到。在超聲檢測(cè)防銹鋁5083界面之間出現(xiàn)界面回波，則防銹鋁5083界面之間有尺寸大于0.2 mm的熔化塊。

2.2 剪切試驗(yàn)

界面熔化塊可能會(huì)影響復(fù)合材料的結(jié)合強(qiáng)度，因此對(duì)3塊試塊進(jìn)行剪切試驗(yàn)，如表1。

表1 剪切試驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)比上述結(jié)果，可以看出，熔化塊尺寸越小，界面強(qiáng)度越低。這與3種試塊的工藝設(shè)計(jì)有關(guān)，其中試樣1對(duì)在工藝產(chǎn)生的爆炸載荷最大，界面碰撞的能量最大，從而產(chǎn)生的熔化塊大，界面硬化程度大，因此強(qiáng)度最高；反之，試樣3界面熔化塊尺寸最小，強(qiáng)度最低。

2.3 滲透檢驗(yàn)

對(duì)于鋁鋼復(fù)合接頭來(lái)說(shuō)，除剪切強(qiáng)度的要求外，還要求界面不得有線性缺陷，熔化塊尺寸越大，出現(xiàn)超標(biāo)線性缺陷的可能性越大。因此，對(duì)試板進(jìn)行了滲透檢驗(yàn)，如圖3所示。試塊1出現(xiàn)超標(biāo)的線狀缺陷，試塊2有不超標(biāo)的點(diǎn)狀缺陷。而試塊2的結(jié)合強(qiáng)度高于試塊3，因此試塊2對(duì)應(yīng)的工藝是最佳工藝。

圖3 試塊1,2鋁鋁界面滲透圖片

3 結(jié)論

1) 當(dāng)防銹鋁界面中熔化塊尺寸大于0.2 mm時(shí)，兩層防銹鋁界面回波明顯存在。超聲檢測(cè)中，爆炸焊接材料界面熔化塊尺寸小于超聲檢測(cè)理論靈敏度，也可以被檢測(cè)到；

2) 防銹鋁5083和防銹鋁5083的界面回波是由其界面漩渦區(qū)的熔化塊產(chǎn)生，進(jìn)行滲透檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)熔化塊越大，越易出現(xiàn)超標(biāo)線性缺陷；

3) 檢測(cè)結(jié)果顯示，試塊2對(duì)應(yīng)的工藝最優(yōu)，界面結(jié)合品質(zhì)最好。

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(責(zé)任編輯 唐定國(guó))

Explosive CladJoint Aluminum/Aluminum Layer Interface Combined With Quality Ultrasonic Detection Research

WANG Li-ying1, 2, WANG Bei1, ZHANG Lei1, MA Wei-hui1

(1.Xi’an Tianli Clad Metal Materials Co., Ltd., Xi’an 710201, China;2.Shaanxi Engineering Research Center of Clad Metal Materials, Xi’an 710201, China)

Metallographic test, shear test and penetrate testing are processed in the Antirust aluminum/rust layer of explosive composite joint interface which has obvious interface echo. And we compare the data, and get in the ultrasonic testing antirust aluminum/rust layer interface between interface echoes, there is melting block anti-rust aluminum/antirust aluminum melt layer interface between them and its size is greater than 0.2 mm. We do the penetrate examination of the antirust aluminum interface, and there is linear and dot in the melting area. We use ultrasound tests to evaluate aluminum steel composite joint interface bonding quality, which can judge the interface microstructure and shearing, and determine the optimal process quickly without any damage.

explosion welding; aluminum/stainless steel; ultrasonic test

2017-02-10；

2017-03-15

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2015AA03A501)

王禮營(yíng)(1982—)，男，工程師，主要從事爆炸復(fù)合材料的無(wú)損檢測(cè)研究。

10.11809/scbgxb2017.06.024

format:WANG Li-ying, WANG Bei, ZHANG Lei， et al.Explosive CladJoint Aluminum/Aluminum Layer Interface Combined With Quality Ultrasonic Detection Research[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(6):109-111.

TG456

A

2096-2304(2017)06-0109-03

本文引用格式： 王禮營(yíng)，王貝，張磊，等.爆炸復(fù)合接頭防銹鋁/防銹鋁層界面結(jié)合品質(zhì)的超聲檢測(cè)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(6):109-111.