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(南京寶色股份公司，南京 211100)

鈦是一種輕金屬，具有密度小、耐腐蝕性強、無磁性、生物相容性好等優(yōu)點，被廣泛應用于航空、航天、化工、石油、冶金、輕工、電力、海水淡化、艦艇和醫(yī)療等工業(yè)生產(chǎn)中，被稱為現(xiàn)代金屬。隨著各種新型材料的研制與應用，超聲檢測技術與力學、材料科學的聯(lián)系更加深入密切，超聲檢測技術和超聲評價技術有了更大的進步[1]。

鈦合金與常用碳鋼比較，其密度較小，射線吸收系數(shù)較低[2]，聲阻抗比值約為碳鋼的60%，且聲衰減及聲各向異性差異均較碳鋼的大。目前對鈦合金設備的焊縫超聲檢測驗收，主要是參照標準NB/T 47013.3-2015《承壓設備無損檢測 第3部分：超聲檢測》 附錄H 《鋁和鋁合金制及鈦承壓設備對接接頭超聲檢測方法和質量分級》 的規(guī)定，其適用于厚度范圍8～80 mm的鈦制承壓設備對接接頭的超聲檢測，但不適用角接接頭的超聲檢測。這不能滿足承壓設備行業(yè)鈦合金厚板(厚度大于80 mm)焊縫超聲檢測的需求，以及不適用于角接接頭、T型焊接接頭的超聲檢測。

鈦合金焊縫屬于粗晶材料，其超聲檢測存在下列問題：① 由于組織不均勻和粗晶對超聲波信號的影響較大，組織噪聲回波較高，降低了缺陷的信噪比；② 超聲波穿過鈦焊縫異質界面時產(chǎn)生的折射、波型轉換會使超聲波傳播路徑更加復雜，且異種金屬焊縫界面或焊縫結構可能會引起偽缺陷信號，產(chǎn)生誤判；③ 焊縫的組織不均勻引起的各向異性和晶粒粗大使得聲速變化、聲衰減增大，可能產(chǎn)生定位、定量不準確，以及聲束寬度變化引起檢測范圍受限等不利影響。

目前，大部分鈦合金超聲檢測標準[3]主要都是關于原材料檢測方向的，針對鈦合金焊縫超聲檢測的涉及較少，檢測方法和標準的分析不夠細致，工藝研究還不夠深入，一些先進的檢測方法和工藝(如超聲相控陣法[4-5])還在標準起草或實驗室研究階段。與細晶鐵素體鋼的檢測相比，其工程適用范圍仍受到一定限制。為了解決公司智能制造項目鈦合金焊縫的超聲檢測難題，以及滿足實際生產(chǎn)需要，筆者所在公司研究了專用橫波斜探頭檢測工藝，研制了用于鈦合金焊縫的對比試塊，制定了鈦合金超聲波檢驗規(guī)程及檢測工藝，并在一些工業(yè)項目中進行了試驗，取得了良好效果。

1 鈦合金超聲檢測工藝

1.1 鈦合金組織噪聲對超聲檢測的影響

鈦合金超聲檢測時，常規(guī)超聲波檢測儀與普通探頭構建的檢測系統(tǒng)的噪聲較高，影響了缺陷信號的信噪比，同時鈦合金的顯微組織不均勻不僅對其力學性能有較顯著的影響，而且超聲波因晶界及晶內相組織上的散射，聲衰減系數(shù)會增大。錢鑫源[6]的大量試驗結果表明，鈦合金冶金過程中的組織不均勻性會產(chǎn)生較高超聲雜波信號，這是多晶體金屬超聲檢測中普遍存在的問題，是限制檢測靈敏度的根本原因。同時，組織噪聲不僅和晶粒平均尺寸有一定關系，同時還與晶粒形狀(如等軸還是長條)、夾雜物分布等有一定關聯(lián)[7-8]；另外，由于鈦合金焊接過程中，晶?？赡軙ㄏ蛏L且變得更加粗大，聲能衰減會引起底波高度降低，進一步影響焊縫超聲檢測的可達厚度及檢測區(qū)域。由于鈦合金往往用在飛機發(fā)動機、壓力容器、船舶等重要部件中，相關材料標準要求檢出缺陷的尺寸更小，所以對超聲檢測的靈敏度要求其實相對更高。但鈦合金焊縫超聲檢測目前還存在一些基礎問題，如標準、工藝、檢測人員經(jīng)驗、試塊、探頭等均未得到重視。

鑒于鈦合金母材和焊縫超聲檢測問題的特殊性，進行該類鈦合金粗晶材料焊縫超聲檢測的人員應掌握一定的材料和焊接基礎知識，對檢測中可能出現(xiàn)的問題才能做出正確的分析、判斷和處理。同時，檢測人員需要接受一定時間的有關鈦合金焊縫檢測的專業(yè)培訓，了解鈦合金焊縫的組織特征及其聲學性能，才能在鈦合金焊縫檢測工藝選擇、缺陷評價時，做出正確的分析和應對。另外，提高粗晶材料缺陷的檢出能力和信噪比是無損檢測領域中的重要研究課題。

1.2 鈦合金焊縫檢測用探頭選擇

一般采用0.5 MHz～5 MHz頻率的縱波單晶、雙晶直探頭和斜探頭，以及折射角為45°～72°的橫波斜探頭，但焊縫厚度小于20 mm或者在近檢測面1/4厚度范圍內應采用折射角為63°～72°的斜探頭進行檢測。

材料晶粒粗大時，低通濾波效應變大。同時，考慮到鈦合金焊縫超聲檢測時，頻率越高，衰減越大，穿透力越低，通常推薦用0.5 MHz～5 MHz的窄脈沖專用橫波斜探頭，而針對鈦合金原材料及焊縫周圍的母材檢測，可以視實際情況采用較高頻率(如5 MHz)的探頭。并且，鈦合金焊縫檢測探頭規(guī)格、角度及其他工藝參數(shù)選擇參照標準NB/T 47013.3-2015中的第6.3.6節(jié)，忽視了鈦合金和碳鋼回波頻率響應、探頭偏轉角度不同等重要前提，增加了操作人員進行工藝參數(shù)選擇和設置的難度。

標準NB/T 47013.3—2015附錄H并未給出具體的探頭晶片尺寸。實際檢測時，需要根據(jù)檢測材料的特點及檢測要求，定制專用規(guī)格探頭，并重視探頭測試、驗收環(huán)節(jié)。

1.3 鈦合金焊縫檢測用檢測儀器

使用數(shù)字型A型脈沖反射式超聲檢測儀，其工作頻率按-3 dB測量，頻率范圍為0.5 MHz～10 MHz，超聲儀器各性能的測試條件和指標要求應滿足NB/T 47013.3-2015附錄A的要求并提供證明文件，測試方法按標準GB/T 27664.1-2011《無損檢測 超聲檢測設備的性能與檢驗 第1部分：儀器》的規(guī)定。儀器和探頭的組合性能中時基線性偏差不大于1%，幅度線性偏差不大于2%。同時，考慮到粗晶材料超聲檢測普遍信噪比不高、噪聲較高，用于鈦合金超聲檢測的儀器，至少需要帶有方波激勵、濾波功能、波形優(yōu)化參數(shù)調整功能(比如脈沖寬度可調、探頭阻抗匹配等)?？紤]到后期智能制造方面技術需要不斷升級，故首選專用高級數(shù)字型儀器或適用于自動化檢測的數(shù)字型儀器。鈦合金焊縫超聲檢測應選用精度更高、功能更多的檢測設備，或者特殊定置化、模塊化的檢測設備。

1.4 鈦合金校準試塊及對比試塊

如果鈦合金焊縫檢測是針對外貿項目或按國外標準要求進行檢測的，則鈦合金校準試塊可以按國際焊接協(xié)會(IIW)超聲對比試塊制作，國外部分規(guī)范不需要制作DAC(距離-波幅)曲線，僅需要使用深度為15 mm,孔徑為1.5 mm的小孔來調節(jié)靈敏度。由于試塊下方刻的是半徑為25 mm的四分之一圓弧，所以在調節(jié)時基線性的時候一定要注意二次底波聲程應該是225 mm。

另外，考慮到國內一般采用CSK-IA試塊作為校準試塊，故按CSK-IA試塊圖樣(見圖1)制作鈦合金校準試塊也是可以的。由于鈦合金價格比較昂貴，故試塊設計時，應盡可能減少試塊數(shù)量，保障實際檢測需求。

圖1 鈦合金CSK-1A (TA2)校準試塊尺寸示意

參照標準NB/T 47013.3—2015附錄H鈦合金對比試塊，考慮到鈦材母材驗收(一般參照標準GB/T 5193—2007《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品超聲波探傷方法》)，在鈦合金對比試塊上增加平底孔(見圖2)。

圖2 鈦合金1#對比試塊尺寸示意

增加設置平底孔反射體的目的是減少試塊數(shù)量，擴大試塊適用范圍。

不同鈦合金材料的聲學差異較大，即使同種牌號的鈦合金熱處理狀態(tài)不一樣，聲學性能很可能有很大不同，一般需要自行測試或規(guī)定對比試塊適用的材料。

2 工藝評價及試驗結果分析

2.1 超聲檢測工藝試驗(可檢性評價)

進行鈦合金焊縫超聲檢測前，應針對選用的檢測技術進行可檢性評價，以保證有意義的檢測結果?？梢阅M試塊工藝驗證的方式或采用理論分析或有限元軟件模擬的方式進行可檢性評價。理論分析可以包括探頭、試塊、儀器實際性能測試，以分析其符合性及適用性。

鈦合金焊縫因組織不均勻且晶粒直徑較碳鋼的晶粒直徑大，所以超聲衰減較多，對超聲檢測影響也較大。標準NB/T 47013.3—2015附錄H也未對探頭、角焊縫超聲檢測對比試塊做詳細要求，原則上，只要信噪比滿足檢測的要求，單晶橫波斜探頭、單晶縱波斜探頭、縱波雙晶斜探頭等均可用于鈦合金焊縫的超聲檢測。角焊縫可以參照標準NB/T 47013.3—2015附錄N或附錄H進行檢測，但角焊縫對比試塊需要檢測責任人員自行規(guī)定或設計出符合檢測要求的專用試塊。根據(jù)實際檢測條件和檢測目的，可以采用專用或特殊探頭對其進行檢測。

2.2 專用橫波斜探頭測試及DAC曲線制作

2.2.1 專用橫波斜探頭的參數(shù)及驗收測試

圖3 定制的專用橫波斜探頭外觀

在分析粗晶對超聲檢測影響的基礎上，結合標準NB/T 47013.3—2015附錄H的要求及相關粗晶材料檢測經(jīng)驗，制作了專用橫波斜探頭(見圖3)。考慮到鈦合金和碳鋼、奧氏體不銹鋼的聲學差異，用于鈦合金焊縫檢測的探頭需要區(qū)別對待，盡量做到與專用超聲儀器配套使用。探頭相關參數(shù)為：2.5P 9×9橫波斜探頭，編號為NA047，頻率為2.5 MHz，晶片尺寸(長×寬)為9 mm×9 mm，探頭標稱角度為63.4°(碳鋼材料)，理論檢測范圍為5～30 mm(單面雙側檢測情況)。測試儀器型號為HS 800，測試溫度為25 ℃。

當匹配方波寬度為探頭中心頻率的一半時,產(chǎn)生的信號幅度將比同等電壓激勵的負尖波產(chǎn)生的幅度高12 dB左右。

采用校準試塊對專用探頭測試，采用鈦合金對比試塊對專用橫波斜探頭進行實際測試，探頭回波周數(shù)(實測不超過5周)、探頭零點、前沿、實測K值、探頭DAC曲線制作測試、最大聲程處反射體信噪比(實測約12 dB)等均達到預期目標。

2.2.2 專用橫波斜探頭DAC曲線的制作

針對板厚為8～30 mm范圍的鈦合金焊縫的單面雙側超聲檢測，可以選用2.5P K2 9×9橫波斜探頭。探頭制作廠家應選國內知名企業(yè)或國外大品牌企業(yè)，該探頭的DAC曲線如圖4所示。

對DAC曲線進行分析，可看出鈦合金組織對橫波斜探頭的聲波衰減較大，對于母材板厚大于30 mm的鈦合金焊縫，該橫波探頭對應的DAC曲線波高將低于滿屏波高的20%(信噪比滿足6 dB以上的范圍為5～35 mm)，已不能滿足標準NB/T 47013.3—2015 附錄H.6《距離-波幅曲線的制作》的要求，需要調整檢測工藝參數(shù)(如增加增益、雙面檢測)或更換其他規(guī)格橫波斜探頭，以保障檢測工藝符合標準要求。

另外，對于母材厚度大于80 mm的鈦合金對接焊縫超聲檢測，也可以考慮采用橫波斜探頭、縱波雙晶斜探頭、縱波單晶斜探頭對其進行分區(qū)檢測。檢測之前，同樣需要對縱波斜探頭進行工藝測試和評價。工藝驗證或測試滿足相關規(guī)范要求或客戶同意后，方可進行檢測，并出具相關檢測報告。

圖4 2.5P K2 9×9專用橫波斜探頭的DAC曲線

一般情況下，采用的探頭、試塊及超聲檢測儀器組成的檢測體系實測信噪比應在6 dB或以上。筆者根據(jù)多年粗晶材料的超聲檢測經(jīng)驗，特提出依據(jù)超聲檢測信噪比和材料組織噪聲綜合分級的方法，對不同鈦合金焊縫進行超聲檢測。不同信噪比和噪聲水平的鈦合金探頭分區(qū)檢測參數(shù)如表1所示(厚度大于80 mm的鈦合金需要研制專用試塊和探頭，以及制定特殊的檢測工藝，以保障滿足超聲檢測最低要求)。采用超聲檢測工藝對鈦合金模擬試塊的檢測效果最佳，具體方法可以參照ASME(美國機械工程師協(xié)會)標準，而國標可以采用首次工藝驗證的方法(怎么驗證則未規(guī)定細節(jié))，對鈦合金超聲檢測工藝進行必要的工藝驗證，或者采用射線檢測、TOFD檢測、相控陣檢測、表面檢測等技術，對超聲檢測工藝進行互相復驗。一些超聲檢測實驗室應建立鈦合金超聲檢測數(shù)據(jù)庫，進行超聲工藝可檢性研究，指導制造廠檢測人員進行工藝參數(shù)的選擇以及制定合適的檢測方案或工藝。

綜上分析，鈦合金焊縫超聲檢測工藝中，探頭是檢測工藝最為關鍵的因素，直接決定該工藝是否可行；鈦合金焊縫校準試塊及對比試塊是一個重要因素，直接涉及到超聲檢測工藝是否精準，同時設計時應盡量保證人工缺陷的設置滿足鈦合金的聲學特點，如聲各向異性，以及對比試塊能覆蓋待檢工件的最大厚度，并且信噪比滿足實際檢測要求。

鈦合金焊縫檢測對橫波斜探頭、縱波斜探頭(當采用時)均有特殊要求，這與碳鋼檢測有所不同；實際檢測時，應在試塊設計階段就充分考慮鈦合金的聲各向異性，特別是軋制方向引起的鈦合金聲速、聲衰減的變化，可能對超聲定位、定量帶來不利影響；橫波斜探頭在檢測最大聲程處的對應曲線波高應在滿屏高度的20%及以上，同時信噪比為6 dB或以上，如橫波信噪比達不到規(guī)范要求時，可以采用縱波單晶、雙晶斜探頭對該焊縫進行分區(qū)檢測。

2.3 試驗結果分析

該卷制筒體材料為鈦合金TA2，規(guī)格為740 mm×36 mm(內徑×壁厚)，由于射線檢測無法定深，筒體拼縫多次返修后均未完全去除缺陷，焊縫返修至合格存在極大困難。筆者根據(jù)實際焊接情況，編制了超聲、TOFD檢測工藝及方案，分別采用普通橫波斜探頭和TOFD技術對該焊縫實施檢測，檢測結果如圖5所示。

表1 不同信噪比和噪聲水平的鈦合金探頭分區(qū)檢測參數(shù)

圖5 橫波斜探頭對鈦合金焊縫的檢測結果

專用橫波斜探頭正面掃查結果與拍片結果不一致的缺陷有一處，見圖5(a) 。缺陷回波占滿屏波高的18.7%，噪聲在4.4%以下(該橫波斜探頭深度范圍為0～5 mm，探頭盲區(qū)、始脈沖寬度和鈦合金組織噪聲影響較大，如需檢測，要更換其他探頭，如縱波雙晶探頭)，目標缺陷回波信噪比在12 dB以上，清晰可辨，且剛過評定線，缺陷指示長度為35 mm，指示深度為21.2 mm；橫波斜探頭在板材背面對同一位置處的檢測也發(fā)現(xiàn)該缺陷回波，見圖5(b)。目前缺陷回波占滿屏波高的15.1%，目標缺陷回波與噪聲之比達到5:1，處于評定線以下，指示深度為8.2 mm。

結合超聲正反兩面檢測信號進行分析，可以肯定該信號為缺陷信號。且正反面均只有一側能發(fā)現(xiàn)目標信號，符合未熔合缺陷回波的信號特征，又根據(jù)射線底片、坡口和缺陷位置、焊接工藝等信息綜合評定該缺陷為未熔合缺陷。

另外，為了進一步對缺陷進行分析，采用TOFD檢測進行復驗，檢測結果如圖6所示。

對射線檢測、超聲檢測、TOFD三種檢測方法的檢測結果進行綜合分析，原返修缺陷在一次返修時沒有去除，同時因射線無法定深，鈦合金厚板的返修存在困難，且依靠肉眼確定缺陷是否去除的可靠性不高。采用了超聲檢測、TOFD檢測復驗后，達到了缺陷的輔助定位，客觀判定目標缺陷是否去除的目的(且TOFD可以在返修中實施補焊之前，在焊縫未焊滿時跟蹤檢測，輔助判定原缺陷是否清除干凈，這可以彌補僅依靠肉眼判斷缺陷是否去除干凈的不足)。

超聲檢測發(fā)現(xiàn)一處射線檢測合格缺陷與焊縫邊緣相距34 mm，正反面均能檢測到，說明超聲檢測靈敏度達到規(guī)范要求；TOFD正反面檢測顯示，鈦合金焊縫存在線狀缺陷，超聲檢測發(fā)現(xiàn)缺陷類似未熔合，與射線評定互相印證。

3 結論

(1) 應對鈦合金超聲檢測探頭、儀器及對比試塊提出特殊要求，并重視探頭測試驗收環(huán)節(jié)。檢測人員應了解鈦合金和碳鋼兩種材料的聲學差異，并能根據(jù)實際檢測需要，調整或優(yōu)化檢測工藝方案。

(2) 鈦合金焊縫超聲檢測目前適用標準為NB/T 47013.3—2015 附錄H，但探頭及對比試塊需要考慮鈦合金焊縫聲各向異性帶來的信噪比不高，定位、定量不準的負面影響。在定位、定量要求高的智能制造檢測項目中，可以參照奧氏體不銹鋼焊縫對比試塊，采用帶焊縫的對比試塊。且如能采用模擬試塊對檢測工藝進行工藝驗證，對評價或優(yōu)化鈦合金焊縫檢測工藝具有較強的指導意義。

(3) 實際檢測時，若檢測條件許可，應將焊縫余高磨平，實施雙面雙側掃查，有利于降低超聲檢測的盲區(qū)，提高缺陷真?zhèn)闻卸ǖ目煽啃?；當鈦合金厚度大?0 mm時，可以考慮更換大晶片橫波斜探頭、單晶縱波斜探頭；當需要檢測焊縫上表面(0～6 mm)，且無法實施雙面檢測時，可以考慮采用短前沿縱波雙晶斜探頭，提高近表面區(qū)域聲束的超聲可達性。