大厚度擴(kuò)散焊NLU成像檢測(cè)技術(shù)

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1、‘●隨著新材料、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，航空制造領(lǐng)域?qū)o(wú)損檢測(cè)技術(shù)的需求日益增加，這直接推動(dòng)了該技術(shù)的發(fā)展，而高靈敏度、高分辨率、高可靠性是現(xiàn)代航空材料和結(jié)構(gòu)無(wú)損檢測(cè)的技術(shù)核心和應(yīng)用基礎(chǔ)。欄目策劃：海山良辰大厚度擴(kuò)散焊NLU成像檢測(cè)技術(shù)米劉松平，李樂(lè)剛，劉菲菲，史俊偉(中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京101300)[摘要】針對(duì)鈦合金大厚度擴(kuò)散焊，基于非線性超聲(Non—linearultrasonic，NLU)原理，構(gòu)建了一種NLU成像方法和檢測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)制備了不同的大厚度擴(kuò)散焊試件，進(jìn)行了NLU成像檢測(cè)試驗(yàn)分析。檢測(cè)結(jié)果表明，采用NLU成像檢測(cè)方法，可實(shí)現(xiàn)鈦合金大厚度擴(kuò)散焊

2、的超聲可視化檢測(cè)，最大檢測(cè)厚度可達(dá)70mm。關(guān)鍵詞：超聲檢測(cè)；擴(kuò)散焊；非線性超聲；超聲成像DOI：10．16080／j．issnl671—833x．2017．05．034劉松平理學(xué)博士，研究員，從事復(fù)合材料及焊接無(wú)損檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)研究。擴(kuò)散焊屬于一種固相焊接，因其正常焊接界面的冶金組織和力學(xué)性能與母材相同，因而在現(xiàn)代飛機(jī)及航空發(fā)動(dòng)機(jī)等領(lǐng)域不斷得到推廣應(yīng)用”。2】，特別是鈦合金薄板擴(kuò)散焊，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到了許多的工程應(yīng)用pl。在宇航領(lǐng)域，由于質(zhì)量和*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61571409和60727001)。34航窄制造技術(shù)-2017年第5期安全要求，通常要求對(duì)

3、擴(kuò)散焊縫進(jìn)行100％無(wú)損檢測(cè)。由于擴(kuò)散焊接缺陷在很多情況下具有緊貼、微細(xì)、彌散分布的微觀特點(diǎn)一。5l，因此，采用常規(guī)超聲和x一射線等檢測(cè)方法難以檢出擴(kuò)散焊中的缺陷。采用近年推出的超聲TOFD(TimeofFlightDiffraction)等方法也難以檢出這類缺陷[4】。一般認(rèn)為，采用常規(guī)的超聲檢測(cè)技術(shù)，在25MHz以下的頻率時(shí)，很難檢出這類缺陷15-91，從而非常容易造成漏檢。因此，在擴(kuò)散焊檢測(cè)時(shí)，當(dāng)采用常規(guī)的超聲方法沒(méi)有檢出缺陷時(shí)，必須十分小心所采用的超聲檢測(cè)技術(shù)(包括所采用的超聲檢測(cè)方法、儀器及參數(shù)、檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)等)是否對(duì)擴(kuò)散焊中的缺陷具有可靠的檢出能力。目前薄板擴(kuò)散焊無(wú)損

4、檢測(cè)技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展和不斷完善，已經(jīng)比較成熟，而且已有扎實(shí)的工程實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，主要是采用高頻超聲檢測(cè)技術(shù)[5-6,101。薄板擴(kuò)散焊接頭通常在幾毫米厚范圍內(nèi)，高頻超聲波在其中有很好的穿透能力。而厚板擴(kuò)散焊零件的檢測(cè)厚度可達(dá)40mm，甚至達(dá)到60～70mm厚，檢測(cè)厚度的急劇增加，會(huì)造成高頻聲波的劇烈衰減，影響超聲波在擴(kuò)散焊接區(qū)的穿透能力，甚至超出了高頻聲波的檢測(cè)能力，因此，采用薄板擴(kuò)散焊檢測(cè)技術(shù)很難解決厚板擴(kuò)散焊的無(wú)損檢測(cè)。近年Edwill等采用非線性超聲(Non—linearultrasonic，NLU)檢測(cè)鈦合金擴(kuò)散焊中的缺陷?】，利用超聲在材料微細(xì)缺陷周

5、圍產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象，進(jìn)行微細(xì)緊貼擴(kuò)散焊缺陷的無(wú)損檢測(cè)。本文針對(duì)70mm厚度鈦合金擴(kuò)散焊，介紹了一種利用非線性超聲(NLU)成像方法。厚板擴(kuò)散焊特點(diǎn)就無(wú)損檢測(cè)而言，目前常見(jiàn)的厚板擴(kuò)散焊主要有兩種界面連接形式：(1)平行擴(kuò)散焊界面，如圖1(a)所示，即擴(kuò)散焊界面與零件表面平行；(2)非平行擴(kuò)散焊界面，如圖l(b)所示，即擴(kuò)散焊界面與零件表面呈現(xiàn)一定的夾角。目前航空用厚板擴(kuò)散焊以鈦合金擴(kuò)散焊為主，對(duì)于正常的N。ndes蚴(：ti。。Tesl煙Te。hn。啪y無(wú)損檢測(cè)技術(shù)擴(kuò)散焊界而圖1厚板擴(kuò)散焊基本形式Fig．1TypesofDBinterfacesinthickplate擴(kuò)散焊接，

6、其擴(kuò)散焊接區(qū)的冶金組織與母材一樣，即不會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)散焊界面[4-5]；對(duì)超聲波而言，在正常擴(kuò)散焊接區(qū)，不會(huì)產(chǎn)生聲波反射。當(dāng)出現(xiàn)意外的工藝原因時(shí)，可能會(huì)在擴(kuò)散焊接區(qū)產(chǎn)生缺陷，而且不論是圖1中哪種類型的擴(kuò)散焊接界面形式，其可能產(chǎn)生的實(shí)際工藝缺陷在大多數(shù)情況下可以分為兩類：(1)宏觀未焊合，這種缺陷比較容易檢出，而且隨著擴(kuò)散焊工藝和裝備水平的不斷提高，目前這種缺陷不容易產(chǎn)生；(2)緊貼性未焊合，通常這類缺陷具有顯著的微細(xì)、緊貼和彌散分布的特點(diǎn)，從而會(huì)導(dǎo)致常規(guī)超聲對(duì)這類缺陷的檢出困難[4-5](射線等其他檢測(cè)方法對(duì)這類缺陷的檢出能力遠(yuǎn)不如超聲方法靈敏)。NLU成像檢測(cè)方法間；僅。(Z)為

7、入射聲波在擴(kuò)散焊母材中的聲衰減系數(shù)，與入射聲波的頻率、材料特性等有關(guān)；X。為入射聲波從被檢測(cè)擴(kuò)散焊零件表面?zhèn)鞑ブ翑U(kuò)散焊接界面的距離，這里僅考慮入射聲波沿?cái)U(kuò)散焊零件厚度(X)方向的一維傳播情況。(1)當(dāng)擴(kuò)散焊接界面沒(méi)有缺陷即正常焊接時(shí)，如圖2(a)所示(注：圖中淺灰色虛線僅是為了示意擴(kuò)散焊界面，實(shí)際上正常擴(kuò)散焊是看不到界面的[4-5])，此時(shí)考慮到U．(一，t)在擴(kuò)散焊接區(qū)傳播產(chǎn)生的非線性作用，對(duì)于同種材料擴(kuò)散焊，在擴(kuò)散焊接界面形成的非線性高階透射諧波阱(．疋，t)可近似表示為：“(正，t)=R“U。(n