齊岳峰， 張國(guó)清， 阮磊， 黃曉猛， 于文波

(1.北京有色金屬與稀土應(yīng)用研究所，北京 100012；2.北京市電子信息用新型釬焊材料工程技術(shù)研究中心，北京 100012；3.北京運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 前言

釬焊在工業(yè)上被定義為采用比母材熔化溫度低的釬料，操作溫度采用低于母材固相溫度而高于釬料液相溫度的一種焊接技術(shù)[1]。隨著工業(yè)發(fā)展，釬焊應(yīng)用越來越廣泛。

釬焊質(zhì)量受諸多因素影響。化學(xué)性質(zhì)較為活潑的母材,如鋁，對(duì)氧的親和力極強(qiáng),表面極易形成一層致密的氧化膜[2-3],阻礙了母材和釬料之間的原子擴(kuò)散,使得潤(rùn)濕性大大降低[4-5]。在工藝方面，若釬焊用釬料的熔點(diǎn)與母材熔點(diǎn)相差不大，釬焊時(shí)母材晶粒很容易長(zhǎng)大[6]，或造成母材的過量溶解形成溶蝕缺陷[7]?？傊ぜ砻鏍顩r、釬縫間隙大小、加熱工藝、釬料釬劑等諸多因素影響釬焊的焊接質(zhì)量[8]。因此，需要探究一種針對(duì)釬焊焊接質(zhì)量的檢測(cè)方法，確?？蓪?duì)釬焊接頭進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控與量化比較，還可依此驗(yàn)證工藝。

傳統(tǒng)物理檢測(cè)方法通常采用制作釬焊接頭試樣，用以進(jìn)行剪切試驗(yàn)或金相試驗(yàn)來評(píng)價(jià)釬焊工藝、推斷焊接質(zhì)量。這類方法屬于破壞性試驗(yàn)，效率低，檢測(cè)結(jié)果無法顯示成品的焊接情況。因而，實(shí)際中更需要利用無損檢測(cè)的方法直接檢測(cè)釬焊后成品。

超聲波探傷厚度范圍寬，可用于金屬及非金屬的探傷，是最為適合的無損檢測(cè)方法[9]。近些年，在傳統(tǒng)超聲波探傷手段上發(fā)展得到的水浸超聲C掃描方法，通過使用聚焦探頭與計(jì)算機(jī)控制，較傳統(tǒng)超聲探傷在檢測(cè)靈敏度、分辨率和自動(dòng)化程度方面均大幅提高[10-11], 圖像顯示直觀清晰, 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與調(diào)用快捷可靠，計(jì)算機(jī)軟件還可統(tǒng)計(jì)釬著率這一指標(biāo)，量化超聲檢測(cè)結(jié)果。

文中利用超聲C掃描的檢測(cè)原理與特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種可量化表征出釬焊接頭質(zhì)量的方法，實(shí)現(xiàn)包括平面、管狀與多層結(jié)構(gòu)的試樣的釬焊層質(zhì)量的無損評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

文中試驗(yàn)使用一套國(guó)產(chǎn)C掃描系統(tǒng)，型號(hào)為C-SCAN-ARS。

試驗(yàn)依照YS/T 837—2012《濺射靶材-背板結(jié)合質(zhì)量超聲波檢驗(yàn)方法》進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)原理

水浸超聲檢測(cè)的原理是將探頭和試件全部浸于水中，以水作為耦合劑，超聲波通過水進(jìn)入試件進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)[12-13]。

C掃描顯示的是被測(cè)樣品橫向截面的情況。計(jì)算機(jī)軟件通過采集個(gè)掃描電的回波高度信號(hào)，以不同顏色作為標(biāo)識(shí)顯示，生成C掃描圖像。通過圖像，可直觀看到超聲波信號(hào)出現(xiàn)明顯增強(qiáng)或衰減的區(qū)域，進(jìn)而可以針對(duì)相應(yīng)區(qū)域分析對(duì)應(yīng)的A掃描波形，以判斷釬焊層質(zhì)量。

1.3 參數(shù)設(shè)置

1.3.1比對(duì)試塊

YS/T 837—2012中規(guī)定了平面靶材檢測(cè)背板結(jié)合質(zhì)量所用的比對(duì)試塊形狀與規(guī)格，如圖1所示。其中：A為靶材厚度；B為背板厚度。平底孔需按照GJB 1580A和GB/T 11259對(duì)孔進(jìn)行清洗、檢測(cè)和封堵。靶材也是一種釬焊制品，可推廣至其它類似結(jié)構(gòu)的平面釬焊接頭超聲檢測(cè)。

圖1 平面試樣比對(duì)試塊

對(duì)于管狀試樣，如類似旋轉(zhuǎn)靶材，直徑較大管內(nèi)套直徑較小管材，中間為釬焊層的結(jié)構(gòu)，借鑒不銹鋼薄壁管的試塊設(shè)計(jì)[14]，如圖2所示，作為比對(duì)試塊。

圖2 平面試樣比對(duì)試塊

比對(duì)試塊采用與被檢工件具有相同表面狀態(tài)、相同厚度和相同材質(zhì)的材料制備，人工缺陷外再無其他任何缺陷。

1.3.2探頭選擇

探頭采用圓形單晶縱波液浸式點(diǎn)聚焦探頭。探頭晶片尺寸依據(jù)試樣大小選擇，通常探頭直徑為6～25 mm。釬著率檢測(cè)的試樣，厚度均不大。釬焊用母材均是經(jīng)過壓力加工后，組織性能均勻，晶粒尺寸并不粗大。因此，探頭頻率的選用并不會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。通過比較，5 MHz與10 MHz探頭所顯示的A掃曲線并無差別，且C掃結(jié)果一致。文中試驗(yàn)選用探頭頻率5 MHz。

檢測(cè)過程中，工作距離不大，同時(shí)，由于釬焊層很薄，焦柱長(zhǎng)度很小就能滿足檢測(cè)要求。因此在保證滿足焦點(diǎn)位置的前提下，應(yīng)優(yōu)先選用較小焦距的聚焦探頭。

管狀試樣也可使用線聚焦探頭。線聚焦探頭較點(diǎn)聚焦探頭掃查速度更快，但其對(duì)較小尺寸缺陷不敏感[15]，因此為了保證掃查結(jié)果的精度，管狀試樣依然選用點(diǎn)聚焦探頭。

1.3.3水距設(shè)置

試驗(yàn)所使用的耦合劑為水。探頭浸入水中后，調(diào)節(jié)聚焦探頭到試樣表面的距離，保證焦點(diǎn)位于釬焊層。調(diào)節(jié)原則依據(jù)式(1)。

(1)

式中：H為探頭到試樣表面水距；F為探頭在水中焦距；h為被檢釬焊層到試樣表面距離；C1為水的聲速；C2為母材(超聲波入射面)聲速。

1.3.4掃查方式

板狀試樣使用x-y掃查方式，即從試樣一端沿x方向掃查至另一端，沿y方向步進(jìn)一個(gè)單位，再從試樣一端沿x方向掃查至另一端，以此得到xy面的C掃圖像。

管狀試樣使用R-x掃查方式，探頭處于最大直徑處，也就是反射波高最高處，試樣旋轉(zhuǎn)一周后，探頭沿x方向步進(jìn)一單位，得到C掃圖像。

1.3.5掃查靈敏度調(diào)節(jié)

使用選好的探頭與水距掃查比對(duì)試塊，調(diào)節(jié)增益。選擇無缺陷區(qū)域，調(diào)節(jié)增益，使釬焊層的反射波高在滿屏幕50%左右，繼而掃查整個(gè)試塊表面，得出其界面反射波的最低值和最高值。通過界面波的最高值調(diào)節(jié)增益，最終使最高點(diǎn)增盈為滿屏幕80%，此增益值即為基準(zhǔn)靈敏度，同時(shí)也是掃查靈敏度。

設(shè)置最大掃描速度，能夠保證對(duì)對(duì)比試塊完成清晰C掃描成像的。掃描速度易與步進(jìn)距離設(shè)置相同，即可保證圖像清晰，同時(shí)不會(huì)影響檢測(cè)效率。

最大步進(jìn)距離采用6 dB法確定。即在平底孔回波波幅達(dá)到最高時(shí)，沿直線分別向平底孔兩側(cè)移動(dòng)探頭，記錄到達(dá)平底孔回波波幅降低到最高波幅的50%時(shí)的2個(gè)距離，這兩個(gè)距離之和的二分之一就是允許的最大掃描步進(jìn)。掃查步進(jìn)不宜設(shè)置太大，以免漏檢。設(shè)置過小會(huì)造成效率低下，且影響數(shù)據(jù)采集。通?？筛鶕?jù)探頭尺寸結(jié)合最大步進(jìn)距離設(shè)定掃描間距。經(jīng)過試塊調(diào)節(jié)，試樣的掃描速度與掃描間距均設(shè)為0.5 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 釬著率

以比對(duì)試塊所調(diào)節(jié)靈敏度為基準(zhǔn)，根據(jù)使用要求，可定義釬焊層回波高度50%以下的區(qū)域?yàn)閷?shí)際焊接面積，而整個(gè)焊接層面積為理論焊接面積，二者的比值即為釬著率，如式(2)所示。

(2)

式中：rb為釬著率(%)；Ab為實(shí)際釬焊面積，單位mm2；Af為理論釬焊面積，單位mm2。

2.2 平面試樣

使用調(diào)試后的參數(shù)掃查試樣，可得到圖3所示的C掃描圖像。

圖3 平面試樣C掃描圖像

針對(duì)圖像上不同顏色，可將探頭移動(dòng)至所需觀察區(qū)域，通過A掃描曲線，聯(lián)合分析。如圖4所示，針對(duì)C掃描圖像中的紅色區(qū)域(A區(qū)域)，觀察其A掃描曲線，以判斷此區(qū)域焊著率情況。

圖4 A掃曲線與C掃圖像聯(lián)合觀察

超聲波垂直與釬焊層入射，當(dāng)接觸到試樣母材表面時(shí)，部分超聲信號(hào)反射回探頭，出現(xiàn)第一個(gè)反射回波。剩余超聲信號(hào)穿透母材接觸到釬焊層，出現(xiàn)第二個(gè)反射回波。釬焊層反射波反映釬焊層的連接質(zhì)量，反射波波峰越高，表明此處釬焊層結(jié)合質(zhì)量越差。圖4中不同顏色代表釬焊層不同反射回波高度。如A點(diǎn)為代表的紅色區(qū)域，反射回波高度接近80%，表明其位置存在嚴(yán)重缺陷。以此方法可分析C掃描圖像中的不同區(qū)域，判斷對(duì)應(yīng)區(qū)域釬焊層連接質(zhì)量。

對(duì)圖4中A，B，C 3個(gè)區(qū)域分別切取、制備金相樣品，觀察釬焊層微觀組織形貌，結(jié)果如圖5所示。

圖5中A區(qū)域(紅色區(qū)域)存在氣孔等釬焊嚴(yán)重缺陷，母材在此區(qū)域?yàn)槲唇Y(jié)合狀態(tài)；C區(qū)域(藍(lán)色區(qū)域)為焊接良好區(qū)域；B區(qū)域(綠色區(qū)域)的釬焊層回波高度介于紅色與藍(lán)色區(qū)域之間，通過金相觀察，其未顯現(xiàn)如紅色區(qū)域的加大孔洞缺陷，而與藍(lán)色區(qū)域較為接近，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行能譜面掃面分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 能譜面掃描分析

圖6中可見，B區(qū)域釬焊層中，存在著某些元素的聚集現(xiàn)象，聚集元素形成的化合物夾雜在釬焊層中，同樣會(huì)影響焊接強(qiáng)度，但其對(duì)釬焊成品的使用性能遠(yuǎn)小于未結(jié)合造成的影響，因此應(yīng)根據(jù)具體使用情況決定其可接受程度。

依靠軟件，分別統(tǒng)計(jì)出Ab與Af，根據(jù)式(2)，可計(jì)算出相應(yīng)的釬著率。

2.3 管狀試樣

管狀試樣的C掃圖像是沿管軸向切開，上半部分向上展開，下半部分向下展開得到，如圖7所示。

圖7 管狀試樣C掃描圖像

管狀試樣的釬焊層較厚，A掃曲線與板狀試樣不同，取D點(diǎn)垂直入射釬焊層的超聲信號(hào)，如圖8所示。

圖8 區(qū)域D處A掃曲線

圖8中可見，管狀試樣的釬焊層反射回波會(huì)有2個(gè)，分別為外層母材與釬料回波及內(nèi)層母材與釬料回波?？煞謩e采集2個(gè)回波變化或合并采集分析。

其分析方法與平面試樣相同。同樣可以通過計(jì)算釬著率實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果量化。

2.4 多層試樣

結(jié)構(gòu)焊接件如圖9所示，為鋁合金基體中埋有銅管，銅管下部與鋁合金釬焊連接，超聲掃查要經(jīng)過銅管上下壁與鋁合金。使用相同參數(shù)調(diào)節(jié)方法，利用底波成像，可以對(duì)具有多個(gè)釬焊層的工件一次性掃查成像，并能夠觀察到焊接接頭的情況，可直觀的合并觀察，C掃描結(jié)果如圖10所示。

圖9 多層試件結(jié)構(gòu)示意圖

圖10 多層試件C掃描結(jié)果

圖10中，由于使用了底波成像，因此C掃描圖像的分析與之前相反。綠色回波高度作為基準(zhǔn)，若釬焊層存在缺陷，在底波上會(huì)反映為下降而非升高，C掃描圖像則會(huì)反映為圖中所見的藍(lán)色點(diǎn)狀區(qū)域。釬著率的計(jì)算也要改為回波高度小于50%的區(qū)域定義為實(shí)際焊接面積。

圖11為多層、復(fù)雜釬焊工件的結(jié)構(gòu)示意圖。由于分層過多，各層都會(huì)出現(xiàn)信號(hào)衰減，同時(shí)上層管路或流道可能會(huì)阻礙下層釬焊層的成像，因此不能簡(jiǎn)單的使用底波成像，否則會(huì)對(duì)表征結(jié)果的準(zhǔn)確性造成很大影響。多層工件需逐層掃描成像，C掃描結(jié)果如圖12所示。

圖11 復(fù)雜結(jié)構(gòu)試件結(jié)構(gòu)示意圖

圖12 復(fù)雜結(jié)構(gòu)試件C掃描結(jié)果

3 結(jié)論

(1)超聲C掃描可全面、直觀的表征釬焊質(zhì)量，且對(duì)多種規(guī)格制品適用。

(2)引入釬著率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，直觀且實(shí)現(xiàn)了釬焊層量化比較。

(3)合理選用比對(duì)試塊調(diào)節(jié)檢測(cè)參數(shù)，保證了釬焊接頭超聲檢測(cè)結(jié)果具有可靠性。

(4)相應(yīng)方法可推廣至類似結(jié)構(gòu)的釬焊層質(zhì)量檢測(cè)。