胡文剛， 劉偉， 朱瑞燦， 虞波， 羅志偉

(首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076)

0 前言

電子束焊接(Electron beam welding, EBW)是高能束焊接方法中最成熟的加工方法之一。和傳統(tǒng)的焊接方法相比，電子束焊具有焊縫深寬比大、熱影響區(qū)小、焊接變形小等特點(diǎn)[1]，在航空航天領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用[2-6]。由于電子束焊接設(shè)備、材料、工裝、焊接工藝等各種原因，在焊接過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生各種焊接缺陷，如氣孔、焊偏、釘尖、未焊透等[7]。焊縫缺陷的存在直接影響結(jié)構(gòu)件的性能，因此通常要求對(duì)電子束焊焊縫進(jìn)行X射線檢測(cè)(Radiographic testing,RT)或超聲檢測(cè)(Ultrasonic testing,UT)等無(wú)損檢測(cè)，對(duì)焊縫缺陷進(jìn)行定性定量評(píng)價(jià)，以確保焊縫質(zhì)量[8-10]。

目前，最常用的電子束焊縫缺陷檢測(cè)方法是射線檢測(cè)，如航天衛(wèi)星產(chǎn)品零部件的電子束焊焊縫、航空發(fā)動(dòng)機(jī)電子束焊焊縫大多采用了X射線進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，取得了較好的應(yīng)用效果[11-12]。但針對(duì)工程應(yīng)用中的特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫，經(jīng)常由于在射線束透照方向上存在結(jié)構(gòu)遮擋或由于焊縫處無(wú)法布置膠片，導(dǎo)致焊縫無(wú)法進(jìn)行射線檢測(cè)。因此，通過(guò)采用超聲檢測(cè)方法實(shí)現(xiàn)焊縫缺陷檢測(cè)，保證特殊結(jié)構(gòu)電子束焊縫的內(nèi)部質(zhì)量。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

特殊結(jié)構(gòu)電子束焊縫示意如圖1所示，材料為高溫合金GH4169。結(jié)構(gòu)件采用電子束焊接成一個(gè)整體，電子束焊縫沿周向一周，與產(chǎn)品軸線成30°角，焊縫結(jié)合面19 mm，要求檢測(cè)焊縫未焊透缺陷和焊縫熔深。此復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫不具備X射線檢測(cè)條件，且射線檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)焊縫熔深。因此，文中開(kāi)展了焊縫超聲檢測(cè)研究。

圖1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫示意圖

1.2 檢測(cè)設(shè)備

針對(duì)檢測(cè)電子束焊縫熔深的要求，文中采用超聲C掃描成像檢測(cè)方法，開(kāi)展復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備如圖2所示，檢測(cè)探頭參數(shù)見(jiàn)表1。利用水浸探頭自動(dòng)掃查，以便對(duì)焊縫未焊透缺陷位置信息獲取更加精確，通過(guò)超聲C掃描檢測(cè)圖像，定量判定未焊透位置并測(cè)量焊縫熔深。

圖2 超聲C掃描檢測(cè)系統(tǒng)

表1 水浸探頭參數(shù)

2 超聲檢測(cè)工藝分析

2.1 超聲入射角分析

采用超聲方法檢測(cè)時(shí)，焊縫內(nèi)部缺陷的檢出效果取決于超聲波聲束入射至缺陷表面后返回信號(hào)的幅值，返回信號(hào)越強(qiáng)缺陷的檢出性越高，通常要求聲束入射角度與缺陷聲束主反射面垂直。當(dāng)焊縫結(jié)合處存在缺陷時(shí)，聲束垂直于界面返回，被超聲波探頭接收，即可有效定位焊縫內(nèi)部缺陷，通常采用6 dB法定量缺陷指示長(zhǎng)度，如圖3所示。

圖3 超聲檢測(cè)缺陷評(píng)定示意圖

基于上述檢測(cè)原理分析，利用波型轉(zhuǎn)換原理產(chǎn)生折射角為60°的垂直于焊縫處的超聲縱波(或橫波)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。利用公式(1)，可以求出當(dāng)水浸探頭入射角約為13°時(shí)，折射縱波垂直焊縫；當(dāng)水浸探頭入射角約為24°時(shí)，折射橫波垂直焊縫，此時(shí)第二臨界角約為15°。但考慮到單一波型能夠有效降低對(duì)波形分析的難度，故文中超聲檢測(cè)工藝采用折射橫波進(jìn)行檢測(cè)。

(1)

式中：αL1為第一介質(zhì)縱波入射角；βL2為第二介質(zhì)縱波折射角；βS2為第二介質(zhì)橫波折射角；CL1為第一介質(zhì)縱波聲速；CL2為第二介質(zhì)縱波聲速；CS2為第二介質(zhì)橫波聲速。

綜上所述，由于文中特殊結(jié)構(gòu)焊縫與軸線成30°角，為保證聲速垂直入射至焊縫，因此選用水浸縱波直探頭傾斜入射，產(chǎn)生折射角為60°的橫波開(kāi)展焊縫超聲自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)工藝如圖4所示。

圖4 超聲檢測(cè)工藝示意圖

2.2 超聲波聲場(chǎng)仿真

由于焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在檢測(cè)試驗(yàn)前分別對(duì)聚焦探頭和平探頭激發(fā)的超聲波聲場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，以確保超聲探頭發(fā)射的超聲束聲場(chǎng)可以有效覆蓋電子束焊縫區(qū)域。通常情況下，超聲波能量的衰減與頻率有關(guān)，頻率越高衰減越嚴(yán)重，但頻率越高，波長(zhǎng)越短，檢測(cè)靈敏度也越高。因此，綜合考慮優(yōu)先選用10 MHz頻率、100 mm焦距的超聲波水浸聚焦探頭開(kāi)展超聲檢測(cè)工藝仿真。調(diào)節(jié)水距20 mm，調(diào)整探頭入射角度，使聲束完全垂直于焊縫區(qū)域，超聲波聲場(chǎng)如圖5所示。

檢測(cè)時(shí)探頭沿工件上表面左右移動(dòng)，當(dāng)探頭移動(dòng)到遠(yuǎn)端時(shí)，聲場(chǎng)仿真分布如圖5a所示，焊縫處聲場(chǎng)-6 dB寬度為17.4 mm；當(dāng)探頭移動(dòng)到近端時(shí)，聲場(chǎng)仿真分布如圖5b所示，焊縫處聲場(chǎng)-6 dB寬度為11.9 mm。從聲場(chǎng)仿真結(jié)果可以看出，超聲波聲場(chǎng)可以有效覆蓋整個(gè)焊縫深度。但同時(shí)從聲場(chǎng)仿真圖中可以看出，此時(shí)焦點(diǎn)無(wú)法落在焊縫上，聲場(chǎng)能量集中在工件上表面附近區(qū)域，聲場(chǎng)到達(dá)焊縫處時(shí)已發(fā)散，能量相對(duì)減弱，會(huì)造成檢測(cè)靈敏度和分辨率下降。

圖5 聚焦探頭超聲波聲場(chǎng)仿真結(jié)果

鑒于上述內(nèi)容，為提高檢測(cè)靈敏度，需要優(yōu)化探頭參數(shù)。結(jié)合圖5仿真結(jié)果分析可知，可以通過(guò)增加探頭聚焦長(zhǎng)度、增加探頭近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度，使聲場(chǎng)焦點(diǎn)位于焊縫上。通過(guò)大量模擬仿真迭代，最終發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)聚焦探頭焦距達(dá)到750 mm時(shí)，聲場(chǎng)焦點(diǎn)才能有效落在焊縫區(qū)域，如圖6所示。從圖6中可以看到，聲場(chǎng)焦點(diǎn)位于焊縫上，焦徑較小且焦柱長(zhǎng)度細(xì)而長(zhǎng)，代表聲場(chǎng)在傳播方向覆蓋范圍長(zhǎng)且集中，聲場(chǎng)能量大。在探頭沿工件上表面左右移動(dòng)的時(shí)候，能保證聲場(chǎng)最強(qiáng)部分覆蓋到整個(gè)焊縫深度。

圖6 長(zhǎng)焦距探頭超聲波聲場(chǎng)仿真結(jié)果

由于優(yōu)化后的探頭參數(shù)在現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)，對(duì)于這種深寬比大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫，常規(guī)聚焦探頭又不能保證焦點(diǎn)位于焊縫上，導(dǎo)致焊縫區(qū)超聲波能量發(fā)散且減弱，檢測(cè)靈敏度降低，失去了聚焦探頭的意義。因此，采用效果相近的非聚焦平探頭進(jìn)行模擬仿真，進(jìn)一步優(yōu)化探頭參數(shù)，以提高焊縫區(qū)域的超聲波能量，保證焊縫區(qū)域超聲能量相對(duì)集中，提高檢測(cè)靈敏度。仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看到，使用20 mm直徑的非聚集平探頭時(shí)，焊縫處上端聲場(chǎng)-6 dB寬度為8.59 mm，焊縫處下端聲場(chǎng)-6 dB寬度為8.72 mm，探頭超聲波聲場(chǎng)可以有效覆蓋整個(gè)焊縫深度。此外，從圖7看出，焊縫處聲場(chǎng)能量相對(duì)集中，明顯優(yōu)于常規(guī)聚焦探頭聲場(chǎng)能量。可見(jiàn)，優(yōu)化后的平探頭檢測(cè)靈敏度高于聚焦探頭。因此，文中采用平探頭進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫檢測(cè)。

圖7 平探頭超聲波聲場(chǎng)仿真結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 檢測(cè)靈敏度結(jié)果

調(diào)整水距20 mm，對(duì)φ3 mm橫通孔對(duì)比試塊進(jìn)行超聲檢測(cè)工藝試驗(yàn)，調(diào)整反射波高80%，并提高9 dB作為檢測(cè)靈敏度，即檢測(cè)靈敏度為φ3 mm-9 dB。檢測(cè)結(jié)果如圖8和圖9所示。

3.2 試驗(yàn)件檢測(cè)結(jié)果

為驗(yàn)證超聲檢測(cè)方法有效性，通過(guò)控制焊接工藝參數(shù)制備含未焊透缺陷的電子束焊縫試件，采用超聲C掃描檢測(cè)方法對(duì)試件進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果如圖10所示。

圖8 對(duì)比試塊

圖9 靈敏度檢測(cè)結(jié)果

圖10 焊接試件超聲檢測(cè)結(jié)果

按照超聲C掃描圖像中缺陷顯示，將試件分成6區(qū)(圖11)進(jìn)行剖切破壞性試驗(yàn)分析，驗(yàn)證超聲檢測(cè)結(jié)果。破壞性分析結(jié)果如圖12所示，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

圖11 試件

圖12 焊接試件破壞性分析結(jié)果

表2 檢測(cè)結(jié)果比對(duì)

通過(guò)超聲檢測(cè)結(jié)果與金相剖切結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，焊縫缺陷檢測(cè)結(jié)果一致，焊縫熔深基本一致，驗(yàn)證了超聲檢測(cè)工藝的可靠性。

3.3 產(chǎn)品檢測(cè)結(jié)果

對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品未焊接前進(jìn)行檢測(cè)，模擬完全未焊透時(shí)的檢測(cè)情況，綜合驗(yàn)證方法中入射角度、檢測(cè)范圍、數(shù)據(jù)采集等參數(shù)的有效性，超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果如圖13所示。從圖像中可以看出，焊縫的30°坡口反射信號(hào)明顯且均勻，圖像完整，檢測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)丟失。證明方法中所采用的入射角度控制有效，覆蓋了檢測(cè)范圍，數(shù)據(jù)采集完整。進(jìn)而對(duì)焊接后的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，超聲C掃描檢測(cè)結(jié)果如圖14所示，檢測(cè)缺陷信號(hào)最強(qiáng)的位置熔深顯示值為3.4 mm。

圖13 復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊前超聲檢測(cè)結(jié)果

圖14 復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫超聲檢測(cè)結(jié)果

剖切檢測(cè)缺陷對(duì)應(yīng)位置，破壞性試驗(yàn)分析結(jié)果如圖15所示，熔深測(cè)量值為3.55 mm?？梢?jiàn)，超聲檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合，相對(duì)誤差約4%。

圖15 復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫破壞性分析結(jié)果

4 結(jié)論

(1)超聲水浸C掃描檢測(cè)技術(shù)受工件結(jié)構(gòu)影響小，可有效實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)電子束焊縫檢測(cè)，對(duì)未焊透缺陷檢出率和靈敏度較高。

(2)通過(guò)超聲波聲場(chǎng)仿真模擬發(fā)現(xiàn)，對(duì)于深寬比大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)電子束焊縫，常規(guī)聚焦探頭焦點(diǎn)不能落在焊縫區(qū)，聲場(chǎng)能量發(fā)散，平探頭可以獲得更好的聲場(chǎng)能量和檢測(cè)靈敏度。

(3)通過(guò)超聲C掃描檢測(cè)試驗(yàn)與剖切破壞性試驗(yàn)分析比對(duì)發(fā)現(xiàn)，未焊透缺陷定位準(zhǔn)確，焊縫熔深檢測(cè)誤差約4%，結(jié)果可靠。