相控陣技術(shù)在爆炸焊接鈦/鋼復合板檢測中的應(yīng)用

王 茹，樊科社，吳江濤，汪 洋，王禮營

(西安天力金屬復合材料股份有限公司，陜西 西安 710201)

爆炸焊接鈦/鋼金屬復合板既有鈦的耐蝕性，又有普通鋼板作為結(jié)構(gòu)件的強度和塑性，是應(yīng)用最廣泛的爆炸焊接層狀金屬復合材料之一。在生產(chǎn)制造過程中，鈦/鋼復合板常見的結(jié)合界面缺陷有分層、邊部弱結(jié)合[1-3]。結(jié)合界面缺陷主要采用超聲方法進行檢測。目前，鈦/鋼復合板超聲檢測方法與驗收標準，國標執(zhí)行的是NB/T47013.3—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分:超聲檢測》，美標執(zhí)行的是ASTM B898—2019《活性難熔金屬復合板技術(shù)規(guī)范》，且國內(nèi)、國外標準均規(guī)定采用的超聲檢測方法是常規(guī)的超聲脈沖回波法，其對于分層類缺陷較容易檢出，對于弱結(jié)合缺陷卻較難檢出。由于鈦/鋼復合板中鈦覆層厚度往往較薄，所以對弱結(jié)合的缺陷波形評判有一定的困難，對操作者的技能要求較高，需要非常高的波形變化評判經(jīng)驗水平。后續(xù)對鈦/鋼復合板進行鉆孔、焊接支撐件等加工過程中，弱結(jié)合部位會產(chǎn)生一定的質(zhì)量隱患，因此對需要進行機加工部位存在的弱結(jié)合缺陷的有效檢出至關(guān)重要。目前，常規(guī)的超聲C掃方法雖然可以對結(jié)合界面波紋成像，但是需要水浸耦合，將整張復合板放置水中，操作受限，對板材有銹蝕污染，而且掃查方式是二維、逐點掃描[4]，檢測效率低，難以滿足批量工業(yè)化生產(chǎn)需求。隨著國內(nèi)爆炸金屬復合板生產(chǎn)加工技術(shù)的快速發(fā)展，國外一些大型化工設(shè)備制造商也在國內(nèi)采購爆炸金屬復合板，并提出較高的質(zhì)量要求。

為了提高鈦/鋼復合板超聲檢測效率，滿足國外廠商的要求，西安天力金屬復合材料股份有限公司引進了相控陣超聲檢測設(shè)備，這對于保障產(chǎn)品質(zhì)量、提升鈦/鋼復合板檢測水平具有重要意義。

1 相控陣超聲檢測基本原理

常規(guī)超聲檢測多采用單晶探頭，超聲波聲束以一定發(fā)射角沿聲束軸線傳播。與此不同的是，超聲相控陣檢測的核心技術(shù)是基于惠更斯原理的相位控制。相控陣探頭由多個相互獨立的壓電晶片按照一定形狀排列而成，每個晶片均可視為超聲波源，通過電子系統(tǒng)控制各個晶片陣元，按一定延遲時間激發(fā)各個陣元，各個陣元的波陣面相互疊加，形成一個新的波陣面，可以達到改變聚焦特性、聲束偏轉(zhuǎn)、聲束位移等相控效果[5-8]。

相控陣探頭由多個晶片按一定的規(guī)律分布排列，常用的是線陣列，通過軟件可以單獨控制每個晶片的激發(fā)時間，從而控制發(fā)射超聲波束的形狀和方向，實現(xiàn)超聲波束的掃描、偏轉(zhuǎn)、聚焦。相控陣的線性掃查，也叫電子掃描，相控陣探頭的晶片總數(shù)為N，晶片間距為d，一次激勵的晶片數(shù)量為A，如第1次激勵的晶片序列為1至A，第2次激勵的晶片序列為2至A+1，依次類推，第n次激勵晶片序列為n至A+n-1。由此可推導出，采用電子掃描時相控陣超聲波束總數(shù)為N-A+1，進行1次掃查，相控陣探頭聲束有效覆蓋寬度為d(N-A+1)。常規(guī)超聲C掃需要通過單晶探頭做鋸齒形軌跡的二維掃查，相控陣C掃只需要做單軸直線掃查，因此，根據(jù)掃查原理和路徑，相控陣掃查方式的效率明顯提高很多，根據(jù)相控陣探頭移動的距離L，則可計算出工件1次掃查的面積為dL(N-A+1)[9,10]。

2 相控陣超聲檢測有效性分析

實驗設(shè)備為OmniScan X3相控陣探傷儀。探頭型號為10L128，與楔塊配合使用。將探頭和編碼器固定在手持掃查架上，構(gòu)成一套完整的相控陣C掃描快速成像檢測系統(tǒng)。采用直接接觸方式，以水作為耦合劑，壓緊探頭使其與板面耦合良好，移動探頭，相控陣C掃圖像實時呈現(xiàn)。

選取不同工藝爆炸焊接的1#、2#、3#鈦/鋼復合板試板為實驗對象，復合板覆層、基層的材質(zhì)與厚度見表1。覆板材料均滿足ASME SB265《鈦及鈦合金條、薄板、板規(guī)范》要求，基板材料均滿足ASME SA516《中、低溫壓力容器用碳鋼板》要求。

表1 鈦/鋼復合板材質(zhì)與和厚度

圖1a為爆炸焊接鈦/鋼復合板1#試板的相控陣C掃描像。從圖1可以看出，界面波紋清晰直觀，波紋形貌整體連續(xù)均勻。對被檢區(qū)域鈦層與基層進行機械分離處理，觀察界面真實形貌，如圖1b所示。對比圖1a與圖1b可以看出，界面的相控陣C掃描像與實物形貌高度吻合，相控陣C掃描像反映

圖1 1#試板的界面相控陣C掃描像和鈦層機械分離后 的真實界面形貌Fig.1 Interface phased array C-scan image (a) and real interface morphology after mechanical separation (b) of titanium layer of 1# test plate

界面形貌的真實度較高，滿足對波紋走向和特征的判斷。需要說明的是，機械分離去除覆層金屬過程中，難免會對復合界面造成機械損傷，例如鏟刀的痕跡，但這并不影響對波紋形貌的整體判斷。

2#試板為通過特殊爆炸焊接工藝使其產(chǎn)生缺陷的鈦/鋼復合板。圖2a為2#試板相控陣C掃描像。從圖2a可以看出，界面波紋清晰直觀，大部分區(qū)域波紋整體連續(xù)均勻，還有部分區(qū)域呈白色，觀察不到波紋。對被檢區(qū)域鈦層與基層進行機械分離處理，觀察界面真實形貌，如圖2b所示。對比圖2a與圖2b可以看出，在圖2a中觀察不到波紋的位置對應(yīng)圖2b真實界面也未見波紋，因此相控陣C掃描像反映該類型弱結(jié)合位置界面形貌的真實度較高，滿足對弱結(jié)合波紋特征的判斷。

圖2 2#試板界面相控陣C掃描像和鈦層機械分離后 的真實界面形貌Fig.2 Interface phased array C-scan image (a) and real interface morphology after mechanical separation (b) of titanium layer of 2# test plate

3#試板也是通過特殊爆炸焊接工藝使其產(chǎn)生缺陷的鈦/鋼復合板。圖3a為3#試板的相控陣C掃描像。從圖3a可以看出，界面波紋清晰直觀，大部分區(qū)域波紋整體連續(xù)均勻，但存在一段波紋斷續(xù)的區(qū)域。對被檢區(qū)域鈦層與基層進行機械分離處理，觀察界面真實形貌，如圖3b所示。對比圖3a與圖3b，圖3a中波紋斷續(xù)的區(qū)域?qū)?yīng)圖3b真實界面的波紋也是斷續(xù)的，因此相控陣C掃描像反映該類型弱結(jié)合位置界面形貌的真實度也較高，滿足對弱結(jié)合波紋特征的判斷。

圖3 3#試板界面相控陣C掃描像和鈦層機械分離后 的真實界面形貌Fig.3 Interface phased array C-scan image (a) and real interface morphology after mechanical separation (b) of titanium layer of 3# test plate

基于1#、2#、3#試板的相控陣C掃查結(jié)果以及與真實結(jié)合界面形貌的對比，表明相控陣C掃成像方法在爆炸焊接鈦/鋼復合板界面波紋檢測上應(yīng)用是有效的，能夠清晰、直觀地判斷界面波紋的連續(xù)區(qū)域、無波紋區(qū)域和波紋斷續(xù)區(qū)域，且相控陣C掃結(jié)果與真實界面相比較吻合度較高，滿足對波紋連續(xù)性和波紋異常特征的有效判斷。此外，利用常規(guī)超聲檢測方法對于圖2、圖3中的弱結(jié)合位置進行檢測，發(fā)現(xiàn)其超聲反射波形與復合板結(jié)合完好區(qū)的超聲反射波形并無明顯差異，說明常規(guī)超聲檢測方法難以發(fā)現(xiàn)該類弱結(jié)合區(qū)域。相控陣C掃檢測方法通過圖像直觀地顯示出弱結(jié)合特征，準確可靠，是對復合板常規(guī)超聲檢測手段的有效補充。

3 應(yīng) 用

某化工項目用鈦/鋼復合板的覆層材質(zhì)為SB265 Gr1，厚度3.3～4.6 mm，基層材質(zhì)為SA516 Gr70，厚度66～72 mm，單張面積為23～30 m2。該批化工項目用鈦/鋼復合板產(chǎn)品執(zhí)行的技術(shù)標準為ASTM B898—2019《活性難熔金屬復合板技術(shù)規(guī)范》，交貨狀態(tài)為退火態(tài)。項目驗收主要指標為：① 滿足標準ASTM B898—2019，A級，結(jié)合面積大于99%，單個未結(jié)合區(qū)域長度小于25 mm；② 結(jié)合界面抗剪切強度≥180 MPa；③ 結(jié)合界面波紋整體連續(xù)均勻。對于第3項，要求采用相控陣C掃描超聲成像方法進行檢測。圖4為采用相控陣C掃描超聲成像方法對復合板進行檢測，其邊部和中部的界面掃描結(jié)果。從圖4可以看出，爆炸波紋整體連續(xù)均勻，反映出鈦/鋼復合板覆層與基層結(jié)合較好。

圖4 化工用復合板邊部和中部界面相控陣C掃描像Fig.4 Interface phased array C-scan images at the edge (a) and middle (b) of clad plate for a chemical project

按照ASTM B898—2019標準，在復合板邊部不同位置取樣18件進行剪切性能測試，結(jié)果見表2。從表2可見，剪切數(shù)值均在200 MPa以上，說明復合板邊部結(jié)合強度較高。一般來說，復合板邊部位置是爆炸焊接相對薄弱的區(qū)域[11,12]，根據(jù)板材內(nèi)部的波紋整體連續(xù)均勻的形貌特征，可以推斷復合板中部的結(jié)合強度也較高，并且優(yōu)于復合板邊部。

表2 鈦/鋼復合板抗剪切強度

該化工項目是國內(nèi)首個應(yīng)用相控陣C掃成像檢測方法進行鈦/鋼復合板檢測的項目，并得到客戶的高度認可。實踐證明，相控陣C掃成像檢測方法操作簡單便捷，檢測效率高，界面波紋成像直觀。同時，也驗證了相控陣C掃檢測方法是目前鈦/鋼復合板工業(yè)化檢測的好方法。

4 結(jié) 論

(1)相控陣C掃成像方法可用于爆炸焊接鈦/鋼復合板界面波紋檢測，能夠清晰、直觀地判斷界面波紋的連續(xù)區(qū)域、無波紋區(qū)域和波紋斷續(xù)區(qū)域，且相控陣C掃結(jié)果與真實界面相比較吻合度較高，滿足對波紋連續(xù)性和波紋異常特征的有效判斷。

(2)相控陣C掃成像檢測方法首次在國內(nèi)某化工項目用鈦/鋼復合板檢測上應(yīng)用，并得到客戶的高度認可。相控陣C掃成像檢測方法操作簡單便捷，檢測效率高，界面波紋成像直觀。