鋁合金微觀組織對超聲檢測精確度的影響研究

付天孟　孫偉　李正利　楊東旭

摘要：鋁合金焊縫在超聲檢測中由于缺陷定位不準(zhǔn)而難以消除質(zhì)量缺陷，直接影響設(shè)備的安全運(yùn)行?，F(xiàn)對微觀組織均勻度不同的鋁合金材料進(jìn)行了超聲參數(shù)測試及金相試驗(yàn)，結(jié)果表明，結(jié)合材料聲學(xué)性能，合理選擇鋁合金試塊，能使超聲檢測精確度控制在2%以內(nèi)。

關(guān)鍵詞：超聲檢測;鋁合金;晶粒度

1 概述

目前，5083鋁合金因?yàn)榫哂辛己玫目垢g性、優(yōu)良的焊接性能而在電網(wǎng)GIS設(shè)備中被廣泛應(yīng)用，對GIS設(shè)備焊縫質(zhì)量的檢測越來越受到人們的重視[1]。在GIS設(shè)備現(xiàn)場檢測中，主要運(yùn)用射線及超聲波對焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢測，但射線檢測只能確定缺陷的水平位置，很難確定缺陷深度，而超聲檢測可以很好地彌補(bǔ)上述缺陷，同時(shí)，超聲檢測還具有安全、操作方便、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

鋁合金材料與鋼的聲速不同，其各向異性對超聲波聲場的影響很大，在超聲檢測粗晶組織材料的焊縫質(zhì)量時(shí)會導(dǎo)致缺陷定位不準(zhǔn)，影響后續(xù)焊接工藝處理及焊接可靠性評判，為此筆者對鋁合金晶粒度進(jìn)行了試驗(yàn)分析，對超聲基本參數(shù)進(jìn)行修正，在現(xiàn)場檢測中得到了比較準(zhǔn)確的缺陷定位結(jié)果，能將超聲檢測精確度控制在2%以內(nèi)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1? ? 試樣選擇

選用5塊鋁合金材料作為試驗(yàn)材料，分別編號為#1、#2、#3、#4、#5，均制成CSK-IA試塊，在試塊100 mm圓心處設(shè)置反射溝槽，根據(jù)材料晶粒度進(jìn)行分組，其中#1、#2試塊為一組，#3試塊為一組，#4、#5試塊為一組，共分3組。

2.2? ? ?試樣檢測

對鋁合金及鋼CSK-IA試塊進(jìn)行檢測，考慮到鋁合金材料聲衰減小慢，橫波探頭頻率選用5 MHz，探頭規(guī)格為：5P9×9K3。探頭折射角在試塊？準(zhǔn)1.5 mm的橫孔上進(jìn)行調(diào)節(jié)，檢測結(jié)果如表1所示。

由表1可知，鋁合金微觀組織不同將改變橫波在材料中的傳播速度，進(jìn)而導(dǎo)致折射角變化，聲速變慢其折射角將變小。在已知材料聲速的情況下，可以根據(jù)折射定律修正由于折射角不同造成的缺陷深度誤差。

sin βs1/Cs1=sin βs2/Cs2

式中，βs1為鋁合金橫波折射角;βs2為鋼CSK-IA實(shí)測橫波折射角;Cs1為鋁合金橫波聲速;Cs2為鋼CSK-IA橫波聲速。

根據(jù)表1，繪制聲速-前沿關(guān)系圖，如圖1所示，根據(jù)聲速-前沿關(guān)系圖可以修正不同聲速的前沿長度。

2.3? ? 試樣晶粒度超聲測試

在各鋁合金試塊100 mm半徑圓弧上采用5P9×9K3型橫波探頭測試多次反射波，結(jié)果如圖2所示。根據(jù)波幅顯示情況，#1、#2試塊多次反射波多于其他試塊，#5試塊波幅衰減更厲害，通過能量衰減情況可知，#1、#2試塊組織晶粒度均勻，#3、#4試塊組織存在較粗晶粒，#5試塊為嚴(yán)重的各向異性粗晶組織，晶粒度越均勻，其實(shí)測前沿長度越小[2]。

2.4? ? 實(shí)測前沿誤差分析

根據(jù)超聲波在材料傳播中的波速擴(kuò)散情況，制作相應(yīng)參考試塊，試塊厚25 mm，在R100 mm圓弧上左右兩側(cè)分別布置實(shí)測K值的？準(zhǔn)1 mm橫孔，探頭K值折射角可通過試塊右側(cè)上R100 mm圓弧及？準(zhǔn)1.5 mm人孔處進(jìn)行校準(zhǔn)，試塊尺寸如圖3所示。

橫波探頭選擇K3，在試塊圓心處調(diào)節(jié)時(shí)，探頭除了接收右側(cè)K3的？準(zhǔn)1 mm橫孔反射波，由于波速擴(kuò)散，同時(shí)也接收了K5與K2的？準(zhǔn)1 mm橫孔反射波，但超聲儀器僅顯示它們聲壓疊加的一個(gè)波幅。將探頭向右側(cè)移動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)包絡(luò)線最高點(diǎn)發(fā)生改變，位置自然前移，出現(xiàn)了L0測量誤差，左側(cè)檢測時(shí)與右側(cè)情況相同。結(jié)果顯示，當(dāng)探頭主聲速尋找最高點(diǎn)時(shí)，在波速擴(kuò)散范圍內(nèi)，類似參考試塊？準(zhǔn)1 mm橫孔的粗晶粒反射波會疊加在主聲速上，造成最高聲壓發(fā)生變化，改變前沿長度。

2.5? ? 金相試驗(yàn)

對5塊鋁合金CSK-IA試塊在相同位置進(jìn)行金相試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。金相組織與超聲多次反射法測試的晶粒度結(jié)果吻合。

3 結(jié)論

（1）前沿為探頭的固有參數(shù)，不會因被檢工件變化而改變，超聲檢測中往往由于變形鋁合金有帶狀粗大的微觀組織造成實(shí)測前沿產(chǎn)生誤差。

（2）由于材料晶粒度會影響前沿測量誤差結(jié)果，因此在制作鋁CSK-IA試塊時(shí)，宜采用與所檢工件晶粒度相同或相近的鋁合金材料制作。

（3）鋁合金超聲聲速會改變探頭折射角，現(xiàn)場檢測時(shí)要對實(shí)測數(shù)值進(jìn)行修正。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 王金源.淺析GIS設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國科技縱橫，2013（2）：71.

[2] 張武能，汪毅，馬建民，等.鋁合金焊縫超聲檢測缺陷定位誤差原因[J].無損檢測，2018，40（9）：35-37.

收稿日期：2020-04-01

作者簡介：付天孟（1987—），男，山東菏澤人，工程師，從事電網(wǎng)輸電、變電設(shè)備金屬材料及特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測工作。