馬玉蕊

((中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

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超聲波探傷在鋁合金中厚板檢測中的應用

馬玉蕊

((中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

文章介紹了鋁合金中厚板內(nèi)部的常見缺陷，比較了超聲波探傷鋁合金中厚板的常用方法，展望了鋁板超聲波探傷未來的發(fā)展。

鋁合金中厚板；缺陷；超聲波；探傷

鋁合金中厚板是指厚度≥6mm 的鋁合金板材，其中的7××× 系、2×××系以及6×××系中厚板則廣泛應用于航空航天和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域。隨著我國航空航天及交通工業(yè)的高速發(fā)展和現(xiàn)代化的進程，此類鋁合金板材的需求量急劇增加。

航空航天及交通運輸領(lǐng)域，對鋁加工材料的要求非常嚴格，材料中任何微小的缺陷都可能造成整體機械性能的大大降低，甚至會導致嚴重事故。由于我國鋁加工設備和加工工藝存在不穩(wěn)定性，鋁合金板在生產(chǎn)過程中難免會出現(xiàn)各種缺陷，為確保這些重要用途鋁合金板材的性能，根據(jù)下游客戶的要求，在中厚板生產(chǎn)過程中會進行超聲波A級或AA級探傷。本文主要介紹超聲波探傷在鋁合金中厚板檢測中的應用。

1 鋁合金中厚板缺陷

7××× 系合金屬Al-Zn-Mg-Cu系超高強鋁合金，2×××系合金是Al-Cu-Mg系高強高韌鋁合金，6×××系合金是Al-Mg-Si系鋁合金，均屬熱處理可強化鋁合金，具有較高的比強度及優(yōu)良的綜合性能。此類鋁合金板典型的生產(chǎn)工藝是：熔煉→鑄造→均熱→銑面→加熱→熱軋→淬火→拉伸→時效→探傷。這類板材生產(chǎn)工藝復雜，其成品容易出現(xiàn)一些缺陷，其中最主要的缺陷包括細孔隙、裂紋、分層以及過燒。

細孔隙一般是由于熔煉中氫氣含量高引起的，裂紋和分層與合金中較高的雜質(zhì)Fe、Si含量，以及氧化物夾雜有關(guān)；2×××系和7×××系合金最容易發(fā)生過燒，這是由于其熱處理溫度與其過燒溫度接近，當合金在較高溫度熱處理時會發(fā)生過燒。這些缺陷如果不是位于板材表面或是延伸到板材的側(cè)面和端面，肉眼很難發(fā)現(xiàn)。

以上缺陷對板材疲勞強度、韌性影響很大，必須通過檢查將不合格的板材剔除出來，而超聲波探傷可以有效的檢測出這些缺陷。

2 鋁合金中厚板超聲波探傷

在目前的超聲波探傷中，大量使用的是基于壓電效應的脈沖反射式超聲波探傷。其中包括縱波、橫波、瑞利波、蘭姆波探傷。縱波探傷主要能發(fā)現(xiàn)和探測面平行或較大的稍有傾斜的缺陷，適合于鋁合金板材探傷。

脈沖反射式縱波探傷其原理是使用超聲波掃描被檢板材，如遇到不同聲阻抗介質(zhì)的界面，便有聲能反射回來，即缺陷信號或界面信號顯示在檢驗裝置的熒光屏上，以示出其位置和當量大小，按耦合介質(zhì)的不同分為接觸探傷和水浸探傷。

2.1 探傷方法的比較

脈沖反射式接觸探傷是鋁合金板材探傷最基本的方法，用探頭直接接觸板材進行探傷，使用直接接觸法應在探頭和被探測板材表面涂一層耦合劑作為傳聲介質(zhì)，常用的耦合劑有機油、甘油等。這種方法多為手動檢測，操作方便，適合現(xiàn)場檢驗，成本較低；同時入射聲能損失少，靈敏度高。其缺點是操作人員的勞動強度大，受人為因素影響較大，不利于實現(xiàn)自動化操作。

脈沖反射式水浸探傷是鋁合金板材探傷中最常用的方法，此法以水作為耦合劑，使探頭發(fā)射的聲波經(jīng)過一段水后再進入工件探傷。水浸法的優(yōu)點是：(1)探頭與板材不接觸，因此超聲波的發(fā)射與接收都比較穩(wěn)定，不像接觸法中靈敏度受到油膜厚度、接觸壓力和表面光潔度等因素的影響；(2)被檢測板材的界面回波信號比發(fā)射脈沖信號窄得多，能量弱的多，就被檢測板材而言，這大大縮小了盲區(qū)，從而與非液浸法相比，能探測比較薄的板材。普通的接觸法能檢測的板材的最小厚度為10mm，水浸法能檢測的最小厚度為6mm；(3)容易實現(xiàn)自動化操作，可以檢查大規(guī)格的板材，目前板材最大寬度可達3500mm，最大長度可達39000mm。

水浸探傷法根據(jù)板材和探頭浸沒方式可分為全沒液浸法、局部液浸法和噴流式局部液浸法等三種方式，其原理見圖1。實際鋁板材檢驗中只使用第一種方法，主要因為其它兩種方法的精度不高。

1-超聲波探頭；2-水；3-被檢查板材圖1 水浸探傷法Fig.1 Schematic illustration of immersion ultrasonic testing

水浸法也有不足，因為聲束指向性差，對探傷不利，特別是對傾斜入射的聲束，為了保證恒定的入射角和不致出現(xiàn)其它干擾波形，多采用聚焦的方法來改善指向性。由于聲束在某一深度范圍內(nèi)直徑變窄，聲強增高，可以提高局部區(qū)域的靈敏度及橫向分辨力，在C掃描檢測中可以提高圖像的分辨率。

近年來用于鋁合金板材探傷的水浸式探傷儀裝備有相控陣聚焦探頭。超聲相控陣的關(guān)鍵是，通過壓電換能元件規(guī)則排列以及對每個元件的發(fā)射時間和相位加以控制，達到不更換探頭即可動態(tài)改變波束位置和方向的目的。相控陣聚焦技術(shù)的原理如圖2 所示，控制相控陣各陣元發(fā)射信號的時間延遲，使其發(fā)射的聲波在焦點處同相，超聲波束在焦點處同相疊加，振動達到最大值即形成聚焦。改變各陣元激發(fā)的延時規(guī)律，可以改變焦點位置和波束指向，形成在一定空間范圍內(nèi)的掃描聚焦 。

實際生產(chǎn)中探傷先是以一般模式掃查，使用固定焦點聚焦技術(shù)，在自動模式下覆蓋全部鋁板表面，同時對發(fā)現(xiàn)的缺陷標注，掃查速度可達300 mm/s。當發(fā)現(xiàn)缺陷時再進行缺陷評估再掃查，使用多個閘門和相控陣聚焦技術(shù)，對缺陷進行精確掃查。這種技術(shù)已經(jīng)可以滿足更高級別的AAA級的檢驗。

圖2 相控陣聚焦原理Fig.2 Schematic illustration of focusing with phased array

2.2 探傷缺陷的評定

依據(jù)《GB/T 6519-2000 變形鋁合金產(chǎn)品超聲波檢驗方法》，先調(diào)整檢驗系統(tǒng)的靈敏度，通過掃查，將來自被檢件超聲波反射信號幅度與規(guī)定的人工平底孔反射信號比較，評定所發(fā)現(xiàn)的缺陷和底波波形變化，將評定的結(jié)果與驗收等級進行比較來評定被檢件的質(zhì)量。AA級、A級、 B級驗收時，其允許的缺陷當量應符合表 1規(guī)定。

表1 缺陷當量

3 發(fā)展展望

新興的超聲波技術(shù)有激光超聲和電磁超聲等。激光超聲是目前國內(nèi)外研究最活躍的非接觸超聲換能方法，具有時間和空間上的高分辨力，為快速和遠距離的非接觸超聲波檢測創(chuàng)造了條件。

電磁超聲使用電磁超聲換能器(EMAT)，由于待測試件本身就是換能器的一部分，因此EMAT無需聲耦合劑。 EMAT可以通過改變線圈的繞制方式以及外加磁場的方向來產(chǎn)生橫波、縱波、導波等多種類型的超聲波，有利于提高缺陷檢測的精度。

這些新興的技術(shù)使檢測更加快速、準確、可靠，必將在今后鋁合金中厚板探傷中發(fā)揮積極作用。

[1] 超聲波探傷編寫組.超聲波探傷[M]. 北京：電力工業(yè)出版社，1980.241-242.

[2]肖亞慶等.鋁加工技術(shù)實用手冊[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2005.177.

[3]東北輕合金有限責任公司. GBT 6519-2000. 變形鋁合金產(chǎn)品超聲波檢驗方法[S].

[4]王志銀.鋁合金薄板焊縫的超聲檢測與缺陷定位[D]哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2008,8.

[5]段偉亮.鋁合金厚板電磁超聲缺陷檢測方法研究[D]哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學,2011,2.

Application of Ultrasonic Flaw Detection in Inspection of Aluminum Alloy Plate

MA Yurui

(China Nonferrous Metals Processing Technology Co., Ltd., Luoyang 471039, China)

The paper presented common defects in aluminum alloy medium plate, it summarized conventional ultrasonic examination methods for flaw detection, and it provided the perspective on the development of ultrasonic flaw detection.

aluminum alloy plate; defect; ultrasonic; flaw detection

2014-11-11

馬玉蕊(1983-)，女，碩士，工程師，主要從事有色金屬加工工程設計。

TG339

A

1671-6795(2015)02-0033-03