（中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京101300）

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[1-2]，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[3]。在宇航領(lǐng)域，由于質(zhì)量和安全要求，通常要求對(duì)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)[4-5]，因此，采用常規(guī)超聲和X-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（Time of Flight Diffraction）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[5-9]，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)[5-6，10]。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-linear ultrasonic，NLU）檢測(cè)鈦合金擴(kuò)散焊中的缺陷[11]，利用超聲在材料微細(xì)缺陷周圍產(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)

圖1 厚板擴(kuò)散焊基本形式Fig.1 Types of DB interfaces in thick plate

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1（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)于正常的擴(kuò)散焊接，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

1 NLU檢測(cè)基本原理

NLU檢測(cè)是基于超聲波在厚板擴(kuò)散焊中的傳播產(chǎn)生的非線性超聲行為進(jìn)行檢測(cè)，這種檢測(cè)方法對(duì)微細(xì)緊貼缺陷有較好的檢出能力，這主要得益于入射聲波在這種缺陷周圍產(chǎn)生的非線性聲學(xué)行為更加靈敏。如圖2所示，利用入射聲波從厚板擴(kuò)散焊的一側(cè)入射，形成入射聲波PI（f1，t），此時(shí)，在擴(kuò)散焊接界面形成的入射聲波UI（f1，t）可近似表示為:

式中，T0為入射聲波在被檢測(cè)擴(kuò)散焊零件表面的聲壓透射系數(shù)；f1為入射聲波的頻率；t為入射聲波傳播時(shí)間；α1（f1）為入射聲波在擴(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)；x1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UI（f1，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UT（f2，t）可近似表示為：

圖2 NLU檢測(cè)原理Fig.2 NLU principle

式中，n為入射聲波在擴(kuò)散焊接區(qū)形成的非線性高階諧波次數(shù)；R為入射聲波在擴(kuò)散焊零件表面的聲壓反射系數(shù)；α2（nf1）為入射聲波在擴(kuò)散焊母材中的聲衰減系數(shù)，與入射聲波的頻率和非線性高階諧波次數(shù)等有關(guān)；x2為非線性高階諧波在擴(kuò)散焊中的傳播距離；f2=nf1為非線性高階諧波的頻率。

由式（1）和式（2）可得，此時(shí)在擴(kuò)散焊零件表面另一側(cè)接收到的第n次非線性高階諧波PT（f2，t）可近似地表示為：

（2）當(dāng)擴(kuò)散焊接界面存在缺陷時(shí)，如圖2（b）所示，此時(shí)在擴(kuò)散焊接界面形成的非線性高階諧波由UT（f2，t）和UR（f2，t）兩部分構(gòu)成，此時(shí)接收得的第n次透射非線性高階諧波和反射非線性高階諧波PR（f2，t），可近似地表示為：

式中，Tw為非線性高階諧波在擴(kuò)散焊界面的透射系數(shù)，此時(shí)Tw=Tw（Δh,ΔS,nf1），即n次非線性高階諧波在擴(kuò)散焊界面的透射和折射與擴(kuò)散焊界面缺陷的緊貼程度Δh、擴(kuò)散焊界面的焊合率ΔS、頻率、非線性高階諧波次數(shù)n等密切有關(guān)[1-2]；x3為n次非線性高階諧波在擴(kuò)散焊中的傳播距離。

由式（3）和式（4）可見(jiàn)：在厚板擴(kuò)散焊界面存在缺陷和沒(méi)有缺陷時(shí)，其透射非線性高階諧波明顯不同，而且這種差異隨n值的增加而愈大，從而越易檢出擴(kuò)散焊界面缺陷。

由式（3）和（5）可見(jiàn)：在厚板擴(kuò)散焊界面存在缺陷和沒(méi)有缺陷時(shí)，其反射非線性高階諧波明顯不同，而且這種差異隨n值增加而愈大，從而越易檢出擴(kuò)散焊界面缺陷，NLU成像即是基于此原理進(jìn)行厚板擴(kuò)散焊的可視化成像檢測(cè)。

2 NLU成像方法

NLU成像基于入射聲波在厚板擴(kuò)散焊中產(chǎn)生的NLU現(xiàn)象，進(jìn)行大厚度擴(kuò)散焊的無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)專門設(shè)計(jì)的超聲單元產(chǎn)生寬帶超聲信號(hào)，激勵(lì)超聲換能器，在擴(kuò)散焊中形成入射聲波，作為NLU入射信號(hào)，利用另一寬帶換能器在被檢測(cè)擴(kuò)散焊零件的一側(cè)或者對(duì)側(cè)接收非線性高階諧波，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理和數(shù)字化后，由計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行成像顯示，發(fā)射/接收換能器在掃描系統(tǒng)的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)被檢測(cè)擴(kuò)散焊零件的自動(dòng)掃描，其位置信號(hào)實(shí)時(shí)送到計(jì)算機(jī)成像系統(tǒng)，最后由計(jì)算機(jī)根據(jù)所接收到的超聲信號(hào)和位置信號(hào)，按照給定的非線性成像算法對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行可視化成像，其基本原理和構(gòu)成如圖3所示。

圖3 NLU成像方法Fig.3 NLU imaging method

利用NLU成像模塊，通過(guò)構(gòu)建非線性函數(shù)Hn（nf1,τ），用于從非線性諧波信號(hào)PT（f2,t）中獲取NLU成像的非線性諧波分量Urgb（f2,t）：

式中，τ為時(shí)間窗口，由所選取的高階非線性諧波次數(shù)n設(shè)定；Urgb（f2,t）對(duì)應(yīng)成像灰度或者色彩值。

因此，利用入射聲波在厚板擴(kuò)散焊中產(chǎn)生的非線性聲波現(xiàn)象，通過(guò)合理的信號(hào)發(fā)射/接收技術(shù)、處理技術(shù)和掃面技術(shù)，即可實(shí)現(xiàn)厚板擴(kuò)散焊的NLU成像檢測(cè)。

試件設(shè)計(jì)制備與NLU成像系統(tǒng)

1 試件設(shè)計(jì)制備

所有試樣均采用圖1（b）所示的擴(kuò)散焊接形式，其中試件1為正常擴(kuò)散焊接工藝，即在擴(kuò)散焊接界面沒(méi)有預(yù)置缺陷，試樣厚度為70mm，長(zhǎng)210mm，高60mm（圖4），材料為鈦合金；試件2亦為正常擴(kuò)散焊接工藝，只是在擴(kuò)散焊接界面預(yù)置有4個(gè)不同大小的模擬焊接缺陷，缺陷模擬方法為：采用對(duì)擴(kuò)散焊界面局部表面污染的方法模擬緊貼型擴(kuò)散焊接缺陷，試樣厚度、長(zhǎng)度、高度及其材料與試件1相同。用于擴(kuò)散焊接試件制造的母材為無(wú)內(nèi)部缺陷的合格厚板鈦合金材料。

2 NLU成像檢測(cè)系統(tǒng)

檢測(cè)試驗(yàn)采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司的MUI-21超聲自動(dòng)掃描檢測(cè)系統(tǒng)中，該系統(tǒng)含有用于NLU成像模塊，其基本組成如圖3所示，主要包括超聲單元、超聲信號(hào)接收單元、信號(hào)處理單元、發(fā)射/接收換能器、掃描機(jī)構(gòu)、掃描控制單元、成像與顯示單元等主要部分。利用劉松平等[12]所發(fā)明的非線性超聲成像方法專利，對(duì)所設(shè)計(jì)制備的厚板擴(kuò)散焊進(jìn)行NLU成像檢測(cè)試驗(yàn)分析。

檢測(cè)結(jié)果與分析

1 檢測(cè)結(jié)果

圖4 厚板擴(kuò)散焊試件的結(jié)構(gòu)形式Fig.4 Structure of thick plate diffusion bonding

圖5 是正常厚板擴(kuò)散焊試件1的NLU成像檢測(cè)結(jié)果，用于NLU成像檢測(cè)的設(shè)備和換能器及成像軟件等均采用中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司的MUI-21超聲自動(dòng)掃描檢測(cè)系統(tǒng)及其NLU成像模塊，通過(guò)超聲換能器從試件的一側(cè)發(fā)射入射聲波（參見(jiàn)圖2和圖3），接收換能器從試件的另一側(cè)接收NLU信號(hào)（參見(jiàn)圖2和圖3），然后，基于此信號(hào)進(jìn)行NLU成像，掃描速度和步進(jìn)速度均選擇30mm/s，步進(jìn)量選擇0.3mm。圖5中四周黑色灰度分布對(duì)應(yīng)試件的周邊，其中上中部出現(xiàn)的矩形黑色灰度區(qū)F0為夾持試件的夾具部位，且灰度越亮，對(duì)應(yīng)的NLU信號(hào)越強(qiáng)烈。

圖6是正常厚板擴(kuò)散焊試件2的NLU成像檢測(cè)結(jié)果，所用的NLU成像檢測(cè)條件和工藝參數(shù)均與試件1完全相同。圖6中四周黑色灰度分布對(duì)應(yīng)試件的周邊，除了在上中部出現(xiàn)的矩形黑色灰度區(qū)F0為夾持試件的夾具部位外，還出現(xiàn)大小不同、位置不同的4個(gè)黑色灰度區(qū)F1、F2、F3、F4。此外，在圖6中的中心部位附近出現(xiàn)了一些彌散分布的深灰色點(diǎn)狀灰斑，如圖6中黑色箭頭所示的灰度分布區(qū)F5、F6所示。

2 結(jié)果分析

（1）從圖5中的NLU成像可以非常清晰地看出，除了在對(duì)應(yīng)試件夾持位置出現(xiàn)了灰色灰度分布區(qū)（如圖5中黑色箭頭指示的灰度分布區(qū)F0）外，其他部分的灰度分布非常均勻。這是因?yàn)樵谠嚰A持位置，聲波不能穿過(guò)夾具，導(dǎo)致接收不到聲波信號(hào)，即此時(shí)PT（f2，t）≈0，由式（6）可知，其對(duì)應(yīng)成像灰度Urgb（f2，t）≈0，因而在圖5中對(duì)應(yīng)試件夾持位置出現(xiàn)了矩形黑色灰度分布區(qū)F0；

圖5 正常擴(kuò)散焊試件1的NLU成像檢測(cè)結(jié)果Fig.5 NLU imaging result of specimen 1 without defect

圖6 含有擴(kuò)散焊缺陷的試件2的NLU成像檢測(cè)結(jié)果Fig.6 NLU imaging result of specimen 2 with defect

（2）在圖5中除了對(duì)應(yīng)F0以外的位置，來(lái)自試件1的NLU成像的灰度分布非常均勻，這是因?yàn)樵嚰?內(nèi)部的擴(kuò)散焊接界面沒(méi)有預(yù)置缺陷，其界面接連完好，而且，由于此時(shí)的擴(kuò)散焊界面與母材的微結(jié)構(gòu)一致，即在擴(kuò)散焊接界面沒(méi)有出現(xiàn)額外的非線性高階諧波反射信號(hào)，此時(shí)，Tw≈1，由式（2）和式（6）可知，在其他條件一定時(shí)，NLU成像灰度主要取決于Hn（nf1，τ）和PT（f2，t），而對(duì)于同一試件，在掃描成像過(guò)程中，每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的Hn（nf1，τ）和PT（f2，t）相同，因而在圖5中的灰度分布非常均勻，同時(shí)表明試件1內(nèi)部擴(kuò)散焊接界面沒(méi)有缺陷。值得指出的是，通常用于擴(kuò)散焊接的母材也是通過(guò)無(wú)損檢測(cè)合格的材料，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果表明其內(nèi)部沒(méi)有材料缺陷時(shí)，才用于擴(kuò)散焊接零件的制造。

（3）在圖5和圖6中四周的黑色灰度分布對(duì)應(yīng)試件的邊沿以外的區(qū)域，當(dāng)換能器掃查到試件邊沿以外的區(qū)域，聲波由試件中的傳播變成耦合水柱中傳播，此時(shí)聲波傳播時(shí)間分別為：

式中，t0為起始時(shí)間，掃描過(guò)程中是固定不變的，由換能器與被檢測(cè)零件表面之間的噴水距離確定；twater、υwater分別為聲波在長(zhǎng)度為L(zhǎng)的水柱中的傳播時(shí)間和聲速；tspecimen、υspecimen分別為聲波在厚度為L(zhǎng)的擴(kuò)散焊試件中的傳播時(shí)間和聲速。通常υspeciment=（3～4）υwater，由式（8）可知，tspeciment會(huì)明顯比twater小得多，從而使直接來(lái)自水柱的聲波落不到對(duì)應(yīng)的Hn（nf1,τ）窗口函數(shù)中，由式（6）可知，此時(shí)仍有Urgb（f2，t）≈0，因此在圖5和圖6中對(duì)應(yīng)試件四周的圖像位置出現(xiàn)了黑色灰度分布區(qū)。

（4）在圖6中除了出現(xiàn)F0以外，還出現(xiàn)了F1、F2、F3、F44個(gè)圓形黑色灰度區(qū)，其大小不同、分布位置也不同，分別對(duì)應(yīng)試件2中擴(kuò)散焊接界面的4個(gè)預(yù)置缺陷，缺陷顯示非常清晰易判斷。這是因?yàn)橛墒剑?）可知，在缺陷區(qū)Tw=Tw（Δh，ΔS，nf1）＜1，即此時(shí)PT（f2，t）與擴(kuò)散焊缺陷的緊貼程度Δh、缺陷區(qū)的焊合率ΔS等密切有關(guān)，由式（6）可知，Urgb（f2，t）會(huì)隨著缺陷的特性變化，從而在圖6中對(duì)應(yīng)缺陷區(qū)位置的4個(gè)圓形黑色灰度區(qū)F1、F2、F3、F4的灰度比對(duì)應(yīng)好區(qū)的灰度深，而比F0和試件四周的灰度淺。

（5）在圖6中除了出現(xiàn)F0和F1、F2、F3、F4以外，其整體灰度分布均勻性不如圖5中的灰度分布均勻性好，特別是在圖6的中心部位還可以看到一些彌散分布的點(diǎn)狀深灰色區(qū)，如黑色箭頭所指示的深灰色區(qū)F5、F6，其形狀遠(yuǎn)不如F1、F2、F3、F4有規(guī)律，其分布也呈現(xiàn)較明顯的隨機(jī)性，這些灰度區(qū)應(yīng)與擴(kuò)散焊界面的缺陷有關(guān)，也可能是在缺陷模擬時(shí)，某些污染劑意外地少量擴(kuò)散造成的，有待進(jìn)一步驗(yàn)證分析。

結(jié)論

（1）分析結(jié)果表明，在厚板擴(kuò)散焊中，缺陷的存在會(huì)使非線性高階諧波明顯改變，而且這種變化是高階諧波比低階諧波更明顯，也與厚板擴(kuò)散焊中缺陷緊貼、焊合率、分布特征等密切有關(guān)，基于此原理可以實(shí)現(xiàn)厚板擴(kuò)散焊的無(wú)損檢測(cè)；

（2）利用入射聲波在厚板擴(kuò)散焊中傳播產(chǎn)生的非線性高階諧波分量，通過(guò)構(gòu)建非線性函數(shù)，可以有效地提取非線性高階諧波信號(hào)，通過(guò)自動(dòng)掃描方式，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)厚板擴(kuò)散焊的NLU成像檢測(cè)；

（3）試驗(yàn)結(jié)果表明，利用NLU成像結(jié)果，根據(jù)其灰度分布規(guī)律，可以非常清晰地進(jìn)行擴(kuò)散焊中緊貼性缺陷的識(shí)別和判別以及缺陷的定量分析，最大檢測(cè)厚度可達(dá)70mm。因此，NLU成像方法為厚板擴(kuò)散焊提供了一種非常有效的可視化檢測(cè)方法和手段，目前已得到了較好的實(shí)際檢測(cè)應(yīng)用,取得了較好的實(shí)際檢測(cè)效果。

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