萬策，張建衛(wèi)，沈海紅，張玉斌，周祥琦

（鋼研納克檢測技術(shù)股份有限公司，北京 100081）

由于鋁合金有一系列比其他非鐵金屬、鋼鐵、塑料和木材等更優(yōu)良的特性，如密度小、耐腐蝕、可塑性好和焊接性能等，因此在航天航空、國防軍工、汽車橋梁等多個領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用。加入了Mg、Si 等元素的鋁合金被稱為6000 系列，它具有比4000/5000 系列更好的耐腐蝕、抗氧化性能。本文中所采用的工件的即為6063 鋁合金材料。鋁合金釬焊板由于采用釬焊方法連接成型，其具有更高的連接強(qiáng)度而成為主要發(fā)展方向。其中釬著率是關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)之一，釬著率的高低會嚴(yán)重影響后續(xù)釬焊的質(zhì)量；因此，對鋁合金釬焊板進(jìn)行無損檢測，具有重要的工程意義。C 掃描超聲波檢測技術(shù)由于具有方便、高效、安全等優(yōu)點(diǎn)，作為復(fù)合材料檢測的新應(yīng)用在無損檢測領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

本文中采用未焊接的6063 鋁合金為試樣母材，其加工尺寸為40mm×40mm×10mm。因當(dāng)超聲波遇到較為粗糙的表面時，會產(chǎn)生大量無序且高度較高的反射波，會嚴(yán)重影響C 掃描測試圖像質(zhì)量。試樣須在機(jī)加工后用200 ～600 目細(xì)砂紙打磨上下待檢測面，而后用酒精清洗以確保檢測面粗糙度不能大于1.6um。最后在試樣幾何中心位置加工一個深5mm，直徑0.8mm 的平底孔作為人工缺陷用來驗(yàn)證設(shè)備和檢測參數(shù)。

1.2 設(shè)備

超聲C 掃描系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)控制超聲波探頭位置的定向移動，把被檢測工件某一深度區(qū)域范圍內(nèi)的缺陷直觀地顯示出來，是復(fù)合材料無損檢測領(lǐng)域的新應(yīng)用。本文中采用的美國物理聲學(xué)公司（PAC）生產(chǎn)的多軸自動超聲波水浸掃描系統(tǒng)如圖1 所示，該系統(tǒng)由工業(yè)計(jì)算機(jī)、高性能超聲脈沖發(fā)射采集卡( 可達(dá)30MH 帶寬)、5 軸機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)等組成，可實(shí)現(xiàn)對鋁合金釬焊板的步進(jìn)式精確定位。在超聲C掃描檢測過程中，每個步進(jìn)掃描點(diǎn)會自動截取A 掃描信號并存儲在計(jì)算機(jī)中，用于掃描完成后專用探傷軟件的記錄和數(shù)據(jù)分析。

圖1 多軸自動超聲波水浸掃描系統(tǒng)

2 掃描試塊

2.1 檢測程序

實(shí)驗(yàn)時，調(diào)整探頭G 軸使探頭聲速軸線與6063 鋁合金表面垂直，調(diào)整水距使焦點(diǎn)落在焊縫面上，初始水距可以按照公式（1）計(jì)算水距：

式中，W 為水距，mm；F 為探頭在水中的焦距，mm；C材為材料中縱波聲速，m/s；C水為水中縱波聲速，m/s。

本實(shí)驗(yàn)中采用的是焦距為3 英寸頻率為10M 的聚焦探頭，根據(jù)以上公式計(jì)算出最佳水距為36.2mm。因探頭具有出廠誤差，須在初始水距的基礎(chǔ)上，再次調(diào)節(jié)水距使底波幅度達(dá)到最大，該水距才是最終的工作水距。掃描過程中，工作水距的最大偏差不應(yīng)超過±3mm。在工作水距下將單層板底面的反射信號調(diào)整到滿刻度80%～100%，作為檢測靈敏度。超聲C 掃描檢測路徑如圖2 所示。

圖2 超聲探頭掃描路徑示意圖

2.2 對比試樣掃描分析

超聲C 掃描成像分辨率以及掃描速度直接影響超聲探傷的位置精度和檢測效率，是影響超聲探傷質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。超聲探傷成像分辨率與檢測效率呈負(fù)相關(guān)，掃描速度與檢測效率呈正相關(guān)，同時分辨率與檢測精度呈正相關(guān)，掃描速度與精度呈負(fù)相關(guān)。該對比試樣采用C 掃描方式進(jìn)行超聲波檢測時，設(shè)置X、Y 軸分辨率分別為0.2mm、0.4mm、0.8mm，掃描速度為分別為10mm/s、20mm/s、40mm/s，分9 種情況測試探傷效果和探傷時長。結(jié)果如表1 所示。

表1 不同分辨率、掃描速度下C 掃描結(jié)果

通過測試確定分辨率0.4mm、掃描速度20mm/s 的情況下，C 掃描時長適中、傷波顯示明顯、占用電腦空間較小、工件外形輪廓成像基本準(zhǔn)確，人工缺陷重影現(xiàn)象較小、圖像放大后為明顯的圓形。在該設(shè)置下掃描結(jié)束后，采用“-6dB 法”或者其他類似方法進(jìn)行缺陷大小的判定和缺陷位置的標(biāo)記。如圖3 所示為試樣掃描圖和缺陷放大圖，在C 掃描圖上通過軟件測量缺陷直徑大小為0.82mm，滿足±10%的誤差要求。在實(shí)物上進(jìn)行標(biāo)記和實(shí)際位置相差0.3mm。

圖3 試樣C 掃描示意圖

3 生產(chǎn)工件的檢測

當(dāng)超聲波穿透聲阻抗分別為Z1 和Z2 的兩種不同介質(zhì)材料時，超聲波的反射率R 計(jì)算公式如下：

由式（2）可知，當(dāng)超聲波穿越釬焊層遇到缺陷(主要為虛焊造成的氣孔或真空)時，由于上下面鋁合金的密度遠(yuǎn)大于氣體密度，鋁合金材料的聲阻抗又遠(yuǎn)大于氣體的聲阻抗，此時，會形成一個較高的反射波，甚至比底波要高。C 掃描時需要檢測的就是釬焊層的反射波高度(如圖4 所示)。

圖4 釬焊處超聲波反射信號

本實(shí)驗(yàn)選取同一批次的25 件鋁合金釬焊板成品工件中的一件，其尺寸為80mm×20mm×20mm，為了較清晰地顯示釬焊缺陷邊界信息，實(shí)現(xiàn)鋁合金釬焊板連接面積的定量化分析，可以通過設(shè)置高通濾波和低通濾波的數(shù)值，有效減少A 掃描原始圖像中的尖銳噪聲點(diǎn)，使轉(zhuǎn)換后的C 掃描圖像更加平滑，以減少測量誤差。

在統(tǒng)計(jì)鋁合金釬焊板缺陷面積時，首先要確定缺陷邊界，在檢測靈敏度時如果正常部位的反射波高度不大于10%，可將反射波高度40%作為缺陷邊界，如果有反射波高度超過80%區(qū)域則直接判廢,根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求，一般缺陷面積不能超過整個釬焊面積的15%為合格。

圖5 所示為打開濾波后的原始圖像和分區(qū)圖像，原始圖像用于缺陷的具體定位，分區(qū)圖像分成0%～40%、40%～80%、80%～100% 3 個區(qū)域用于缺陷面積的測量。由于在鋁合金釬焊板邊界處界面波會出現(xiàn)高度隨機(jī)變化的情況，形成的C 掃描圖無法形成符合實(shí)際大小的長方形圖像，須通過軟件在分區(qū)圖像上直接測量出超標(biāo)范圍的面積，再除以1600mm2（80mm×20mm）。該成品工件釬焊超標(biāo)面積為59.2mm2，釬焊接率為96.3%。

圖5 鋁合金釬焊板C 掃描圖

4 結(jié)語

（1）使用圖像處理后，通過專用探傷軟件在C 掃描圖中測量的人工缺陷值和實(shí)測值基本吻合，絕對誤差不超過±10%，實(shí)現(xiàn)了鋁合金釬焊板人工缺陷的成像與定位。說明在本文探討的試驗(yàn)條件下，該超聲波C 掃描檢測方法具有非常高的探傷精度和定位精度。

（2）在對該批次25 件工件檢測后發(fā)現(xiàn)，所有的釬焊缺陷都集中在工件的幾何中心附近，越靠近邊緣釬焊率越高，可達(dá)100%，符合釬焊工藝中中心釬焊溫度較低或分布不均勻的規(guī)律。

（3）通過提取鋁合金釬焊板釬焊處的一次超聲反射波圖像來構(gòu)建超聲C 掃描圖像，匹配以適當(dāng)?shù)臑V波、速度和分辨率，通過設(shè)置圖像閘門可以獲得清晰的釬焊缺陷邊界，大幅度降低接觸法檢測造成的誤差，確定了在粗糙度小于1.6um、厚度20mm 范圍下，適用于6063 鋁合金釬焊板材料的C 掃描超聲探傷方法，為計(jì)算釬焊缺陷面積提供了量化數(shù)據(jù)，同時，為釬焊缺陷超標(biāo)工件的再回收定量評價提供了一定的依據(jù)。