唐盛明，齊子誠，劉子瑜，郭智敏，王曉艷，鄭 穎

（中國兵器科學(xué)研究院 寧波分院，寧波 315103）

電子束焊接是以高能密度電子束作為能量載體，對結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)焊接的新型焊接特種工藝方法。它的優(yōu)點(diǎn)在于不需要任何焊接材料、能量密度越高其焊縫就越窄、深寬比大、熱影響區(qū)小、組織性能好、焊接殘余應(yīng)力小等［1］。而且焊接工藝參數(shù)容易被精確控制、重復(fù)性和穩(wěn)定性好，生產(chǎn)效率高。該焊接技術(shù)被廣泛應(yīng)用到兵器工業(yè)、航空航天工業(yè)、核工業(yè)以及精密加工業(yè)等［2］。

某車輛發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵部件傳動(dòng)齒輪采用雙齒輪搭接，再用電子束焊接形成，如圖1所示。然而，在焊接過程中由于齒輪間未清理雜質(zhì)或電子束受到電磁場的干擾，導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)氣孔、夾雜、焊偏（未熔）、熔深不足等缺陷，使傳動(dòng)齒輪存在嚴(yán)重安全隱患，按企業(yè)規(guī)定，需要100%全覆蓋檢測。目前，焊縫的常用檢測方法是X 射線照相和接觸式超聲波檢測法，傳動(dòng)齒輪整體較厚，X 射線照相能量不足時(shí)難以穿透，并且無法測量熔深。接觸式超聲波檢測檢測效率低、可能漏檢。

圖1 傳動(dòng)齒輪剖面圖和實(shí)物圖

通過高能加速器工業(yè)CT 和超聲波C掃描檢測技術(shù)對傳動(dòng)齒輪中電子束焊縫進(jìn)行檢測對比試驗(yàn)，設(shè)計(jì)加工對比試塊，調(diào)整兩種檢測方法的各項(xiàng)工藝參數(shù)。了解了兩種檢測技術(shù)在電子束焊縫檢測中的優(yōu)缺點(diǎn)，為下一步確定該產(chǎn)品的檢測標(biāo)準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 對比試塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到缺陷類型和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，需對CR齒輪電子束焊接質(zhì)量和熔深深度進(jìn)行檢測，如圖2所示，材料為合金鋼，環(huán)形對比試塊外直徑φ600mm，內(nèi)直徑φ540mm，厚度為20mm。為了確定檢測系統(tǒng)的靈敏度，在環(huán)形對比試塊半圓周上等間隔加工5個(gè)平底孔，直徑分別為1，2，3，4，5mm，孔深分別為10，8，6，4，2 mm。在試塊的另一個(gè)半圓周制作用于模擬熔深的臺階，徑向上由內(nèi)向外加工深度分別為5，10，15，20，25mm 的五級臺階。

1.2 超聲波C掃描檢測試驗(yàn)方法

1.2.1 超聲波C掃描檢測系統(tǒng)工作原理

圖2 環(huán)形對比試塊結(jié)構(gòu)

超聲波C 掃描檢測系統(tǒng)基本工作原理是將超聲波垂直發(fā)射到齒輪電子束焊縫區(qū)，調(diào)整界面波閘門，使其覆蓋焊縫區(qū)域。當(dāng)閘門中沒有反射回波信號時(shí)，說明該區(qū)域內(nèi)不存在能使超聲波反射回來的氣孔、未溶合或焊偏等缺陷；當(dāng)閘門中有反射回波信號時(shí)，表示該區(qū)域內(nèi)存在缺陷［3］。在選擇閘門位置過程中，應(yīng)避開結(jié)構(gòu)性回波信號。在掃描過程中，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將閘門內(nèi)的最高反射回波信號的幅值經(jīng)超聲波信號采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并保存于內(nèi)存中，計(jì)算機(jī)中的C 掃描軟件根據(jù)用戶自定義色表，將回波幅值映射為對應(yīng)的顏色，將掃描區(qū)域的缺陷以等比例顯示在圖像上。從而在圖像上可直觀地看到焊縫的焊接質(zhì)量，如圖3所示。

圖3 點(diǎn)聚焦水浸探頭檢測

1.2.2 超聲波C掃描檢測參數(shù)及工藝

試驗(yàn)設(shè)備采用自行研發(fā)的六軸超聲波C 掃描檢測系統(tǒng)，試驗(yàn)所用探頭為超聲波點(diǎn)聚焦水浸探頭，頻率為10 MHz，晶片直徑5 mm，曲率半徑25mm，耦合方式采用水和防銹劑。掃查方式為平面圓環(huán)掃描，掃描角速度為20rad／s，徑向步進(jìn)0.2mm。在對齒輪進(jìn)行檢測前，需用校準(zhǔn)試塊調(diào)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)，確定設(shè)備檢測靈敏度。首先通過理論計(jì)算，確定聚焦探頭到工件表面距離，保證電子束焊縫處于聲束有效焦柱內(nèi)。接著調(diào)節(jié)探頭與入射角度，保證聲束垂直入射，該設(shè)備具有A／B軸機(jī)構(gòu)，能夠通過控制探頭左右、前后擺動(dòng)實(shí)現(xiàn)對探頭的小角度微調(diào)。先調(diào)節(jié)探頭從左至右擺動(dòng)，擺動(dòng)的同時(shí)觀察表面回波高度，確定回波最高點(diǎn)時(shí)探頭機(jī)械位置，再調(diào)節(jié)探頭前后擺動(dòng)，最終確定探頭垂直點(diǎn)。將對比試塊中φ1mm 平底孔置于探頭下方，左右、前后平移探頭，確定探頭在平底孔正上方，并且平底孔對應(yīng)回波最高。調(diào)節(jié)增益使φ1 mm 平底孔回波信號幅度至80%滿屏高，并以此作為檢測基準(zhǔn)靈敏度。

由于齒輪屬于關(guān)鍵部件，必須全覆蓋檢測。C掃描徑向步距應(yīng)小于探頭焦點(diǎn)尺寸才能保證全覆蓋掃查。在環(huán)形對比試塊上多次試驗(yàn)，確定各項(xiàng)檢測參數(shù)，得到人工缺陷尺寸的檢測結(jié)果及C 掃描結(jié)果如表1、2和圖4所示。

表1 模擬熔深C掃描檢測結(jié)果 mm

表2 平底孔直徑C掃描檢測結(jié)果 mm

圖4 環(huán)形對比試塊C掃描

試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)置合理的檢測工藝參數(shù)可以清楚地檢測出1～5mm 的平底孔和模擬熔焊深度，檢測覆蓋模擬熔焊所在寬度范圍。在缺陷尺寸評定方面，利用6dB法（半波高法）確定圖像上缺陷邊界，尺寸檢測值均大于缺陷實(shí)際尺寸且誤差不超過0.2mm，原因在于，探頭完全直射平底孔底面到離開該底面，引起的底波回波高度變化存在一個(gè)漸變的過程，簡單地采用半波高度法不能精確的確定邊界位置，比實(shí)際尺寸較大。

在超聲C 掃描檢測試驗(yàn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)及液體自身原因，容易產(chǎn)生水氣泡，水氣泡附著在聚焦探頭內(nèi)凹面或工件表面，如果不及時(shí)清除這些水氣泡，會(huì)降低檢測靈敏度，造成漏檢和誤檢。

1.3 高能加速器工業(yè)CT檢測試驗(yàn)方法

1.3.1 工業(yè)CT 技術(shù)原理

工業(yè)CT（Industrial Computed Tomography，ICT）即工業(yè)計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù)，基本原理是由射線源（X 射線或γ射線）發(fā)出一束扇形（錐形）射線束穿透被檢測工件，由于射線在經(jīng)過物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生能量衰減，衰減的強(qiáng)度與物體的材料組分、密度、尺寸及入射前的能量有關(guān)，利用探測器接收穿透物體后的射線并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，輸入計(jì)算機(jī)中，采用卷積反投影法對物體截面進(jìn)行圖像重建，最終獲得一幅截面圖像［4］。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)備

因環(huán)型對比試塊采用的材料為合金鋼，密度高，直徑大，常規(guī)工業(yè)CT 射線能量不易穿透，所以試驗(yàn)采用IPT6110高能工業(yè)CT 檢測系統(tǒng)。該裝置由X 射線源分系統(tǒng)、探測器分系統(tǒng)、掃描裝置分系統(tǒng)、掃描控制分系統(tǒng)、重建檢測分系統(tǒng)及測量軟件等部分組成。射線源采用6 MeV 高能電子直線加速器，探測器采用CdWO4線陣列晶體和寬動(dòng)態(tài)范圍低噪聲的電子學(xué)系統(tǒng)探測器，可實(shí)現(xiàn)DR 數(shù)字成像、三代CT 掃描、大視野三代CT 掃描、二代CT 掃描、局部掃描以及自動(dòng)校正掃描方式。最大檢測范圍直徑達(dá)到1 000 mm，最大壁厚（等效鋼厚度）160mm，轉(zhuǎn)臺承重1 000kg，空間分辨率三代CT（φ600mm 范圍）達(dá)到2.4Lp／mm，密度分辨率大于0.3%，可檢測出內(nèi)部最小裂紋0.02mm×5mm×2.0mm，可檢測出內(nèi)部最小孔直徑0.2mm。

1.3.3 高能工業(yè)CT 掃描工藝參數(shù)

掃描工藝由測試工件的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、精度要求等因素來確定。首先采用數(shù)字射線（DR）技術(shù)對試塊掃描，掃描范圍應(yīng)涵蓋整個(gè)對比試塊，試塊放置于檢測轉(zhuǎn)臺上，所處的高度范圍為10～30mm，掃描起始高度應(yīng)不大于5mm，終止高度應(yīng)不小于35mm，保證試塊成像后處于圖像的中部。微動(dòng)次數(shù)設(shè)置為2 次，準(zhǔn)直器寬度為1 mm。微動(dòng)檢測就是在小范圍內(nèi)平移連續(xù)檢測，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)融合，通過增加檢測時(shí)間來突破硬件檢測精度的限制，降低硬件成本。經(jīng)過CT 掃查獲得的對比試塊DR 圖像如圖5所示，DR 掃描的作用是結(jié)構(gòu)分析及切層定位。

圖5 環(huán)形對比試塊DR 圖

通過觀察DR 圖像中不同模擬熔深和平底孔所在位置，在包含所有熔深和平底孔的高度進(jìn)行CT切層，在距對比試塊上表面2.0 mm 的位置做CT切層，得到對比試塊斷層圖像，典型的CT 圖像如圖6所示。為了得到較高精度的CT 圖像，掃描參數(shù)選用觸發(fā)頻率為167 Hz，轉(zhuǎn)臺速度為1.25r／min，準(zhǔn)直器寬度為1mm，微動(dòng)5次，CT 圖像重建半徑250mm，圖像重建距陣4 096mm×4 096mm，切片厚度為1.0mm。

圖6 環(huán)形對比試塊CT 圖像

1.3.4 數(shù)據(jù)測量

工業(yè)CT 圖像質(zhì)量有其特定的表征參數(shù)：密度分辨率、空間分辨率和偽像。利用系統(tǒng)自帶的圖像處理軟件傳統(tǒng)的圖像處理算法能夠減輕偽像對缺陷評定的干擾并分辨率。常規(guī)方法有調(diào)節(jié)對比度、調(diào)節(jié)窗寬窗位和調(diào)整灰度值等。采用等密度曲線測量尺寸，如圖7所示，調(diào)整所要測量平底孔及模擬熔深臺階密度曲線特征的波峰或波谷，測量其兩側(cè)半高寬之間的距離則為平底孔或模擬熔深的尺寸，缺陷尺寸測量時(shí)取三次測量結(jié)果的平均值。測量結(jié)果如表3、4所示。

表3 模擬熔深CT檢測結(jié)果 mm

表4 平底孔直徑CT檢測結(jié)果 mm

圖7 典型半高寬測量方法

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

采用上述的兩種檢測方法，對同一CR 齒輪的電子束焊縫內(nèi)部品質(zhì)進(jìn)行檢測結(jié)果如圖8，9所示，通過兩幅圖像比較可以看出，CT 圖像能夠直觀地反映出缺陷分布位置、大小及特征，超聲C 掃描圖像受工件結(jié)構(gòu)特征的影響較大，部分缺陷反射波無法被接收，導(dǎo)致缺陷漏檢，缺陷尺寸小于實(shí)際尺寸，并且無法確定缺陷在焊縫深度方向的具體尺寸。

圖8 CR 齒 輪典型CT 結(jié)果

圖9 CR 齒輪典型C掃描結(jié)果

兩種檢測方法都獲得了直觀的圖像顯示，電子束焊接焊縫品質(zhì)檢驗(yàn)無論采用C掃描還是CT 檢測方法，在一定的條件下檢測結(jié)果都能滿足要求。C掃描測量平底孔的誤差不超過0.2mm，測量的模擬熔深誤差最大為0.3mm，CT檢測測量平底孔的誤差最大為0.12mm，模擬熔深測量的誤差最大為0.11mm。工業(yè)CT檢測體積型缺陷時(shí)優(yōu)勢較大，通過調(diào)整切片厚度可以得到一個(gè)完整的體積型缺陷的幾何尺寸。C掃描檢測結(jié)果受工件結(jié)構(gòu)、缺陷形狀、圖像邊界影響較大，但檢測效率高且更為快捷，對電子束焊縫未熔及焊偏型缺陷檢出效果好，兩種檢測方法可以互補(bǔ)。

3 結(jié)論

（1）超聲波C掃描檢測技術(shù)對檢測熔深、焊偏、未熔及延遲裂紋等缺陷檢出率和靈敏度高，檢測結(jié)果會(huì)受到工件結(jié)構(gòu)、缺陷形狀的影響，缺陷測定時(shí)圖像邊界分割算法對缺陷尺寸測量結(jié)果影響較大。

（2）高能加速器工業(yè)CT 檢測系統(tǒng)對小于0.5mm以下缺陷的檢出精度高于超聲波C 掃描檢測，不受工件結(jié)構(gòu)及缺陷形狀特征的限制，其分辨率高，檢測體積型缺陷優(yōu)勢大，缺陷定量精度高于超聲波C掃描檢測技術(shù)。

［1］李志遠(yuǎn).先進(jìn)連接方法［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］王愛華.CT 技術(shù)在航天產(chǎn)品檢測中的應(yīng)用［J］.航天控制，2001（2）：12－14.

［3］徐向群，倪培君，張維國.電子束焊焊縫超聲C 掃描檢測技術(shù)研究［J］.兵器材料科學(xué)與工程，2007，30（4）：70－74.

［4］葉云長.計(jì)算機(jī)層析成像檢測［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.