胡文剛， 劉偉， 朱瑞燦， 虞波， 羅志偉

(首都航天機械有限公司，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[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，在焊接過程中難免會產(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，因此通常要求對電子束焊焊縫進行X射線檢測(Radiographic testing,RT)或超聲檢測(Ultrasonic testing,UT)等無損檢測，對焊縫缺陷進行定性定量評價，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方法是射線檢測，如航天衛(wèi)星產(chǎn)品零部件的電子束焊焊縫、航空發(fā)動機電子束焊焊縫大多采用了X射線進行質(zhì)量檢測，取得了較好的應(yīng)用效果[11-12]。但針對工程應(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法布置膠片，導(dǎo)致焊縫無法進行射線檢測。因此，通過采用超聲檢測方法實現(xiàn)焊縫缺陷檢測，保證特殊結(jié)構(gòu)電子束焊縫的內(nèi)部質(zhì)量。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

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射線檢測條件，且射線檢測無法檢測焊縫熔深。因此，文中開展了焊縫超聲檢測研究。

圖1 復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫示意圖

1.2 檢測設(shè)備

針對檢測電子束焊縫熔深的要求，文中采用超聲C掃描成像檢測方法，開展復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)部質(zhì)量檢測，檢測設(shè)備如圖2所示，檢測探頭參數(shù)見表1。利用水浸探頭自動掃查，以便對焊縫未焊透缺陷位置信息獲取更加精確，通過超聲C掃描檢測圖像，定量判定未焊透位置并測量焊縫熔深。

圖2 超聲C掃描檢測系統(tǒng)

表1 水浸探頭參數(shù)

2 超聲檢測工藝分析

2.1 超聲入射角分析

采用超聲方法檢測時，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的幅值，返回信號越強缺陷的檢出性越高，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，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法定量缺陷指示長度，如圖3所示。

圖3 超聲檢測缺陷評定示意圖

基于上述檢測原理分析，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)實現(xiàn)檢測。利用公式(1)，可以求出當(dāng)水浸探頭入射角約為13°時，折射縱波垂直焊縫；當(dāng)水浸探頭入射角約為24°時，折射橫波垂直焊縫，此時第二臨界角約為15°。但考慮到單一波型能夠有效降低對波形分析的難度，故文中超聲檢測工藝采用折射橫波進行檢測。

(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°的橫波開展焊縫超聲自動檢測，檢測工藝如圖4所示。

圖4 超聲檢測工藝示意圖

2.2 超聲波聲場仿真

由于焊縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在檢測試驗前分別對聚焦探頭和平探頭激發(fā)的超聲波聲場進行模擬仿真，以確保超聲探頭發(fā)射的超聲束聲場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，波長越短，檢測靈敏度也越高。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展超聲檢測工藝仿真。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，超聲波聲場如圖5所示。

檢測時探頭沿工件上表面左右移動，當(dāng)探頭移動到遠(yuǎn)端時，聲場仿真分布如圖5a所示，焊縫處聲場-6 dB寬度為17.4 mm；當(dāng)探頭移動到近端時，聲場仿真分布如圖5b所示，焊縫處聲場-6 dB寬度為11.9 mm。從聲場仿真結(jié)果可以看出，超聲波聲場可以有效覆蓋整個焊縫深度。但同時從聲場仿真圖中可以看出，此時焦點無法落在焊縫上，聲場能量集中在工件上表面附近區(qū)域，聲場到達(dá)焊縫處時已發(fā)散，能量相對減弱，會造成檢測靈敏度和分辨率下降。

圖5 聚焦探頭超聲波聲場仿真結(jié)果

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

圖6 長焦距探頭超聲波聲場仿真結(jié)果

由于優(yōu)化后的探頭參數(shù)在現(xiàn)實中難以實現(xiàn)，對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行模擬仿真，進一步優(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)域超聲能量相對集中，提高檢測靈敏度。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，焊縫處上端聲場-6 dB寬度為8.59 mm，焊縫處下端聲場-6 dB寬度為8.72 mm，探頭超聲波聲場可以有效覆蓋整個焊縫深度。此外，從圖7看出，焊縫處聲場能量相對集中，明顯優(yōu)于常規(guī)聚焦探頭聲場能量?？梢?，優(yōu)化后的平探頭檢測靈敏度高于聚焦探頭。因此，文中采用平探頭進行復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫檢測。

圖7 平探頭超聲波聲場仿真結(jié)果

3 試驗結(jié)果

3.1 檢測靈敏度結(jié)果

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

3.2 試驗件檢測結(jié)果

為驗證超聲檢測方法有效性，通過控制焊接工藝參數(shù)制備含未焊透缺陷的電子束焊縫試件，采用超聲C掃描檢測方法對試件進行檢測試驗，檢測結(jié)果如圖10所示。

圖8 對比試塊

圖9 靈敏度檢測結(jié)果

圖10 焊接試件超聲檢測結(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)進行剖切破壞性試驗分析，驗證超聲檢測結(jié)果。破壞性分析結(jié)果如圖12所示，對比結(jié)果見表2。

圖11 試件

圖12 焊接試件破壞性分析結(jié)果

表2 檢測結(jié)果比對

通過超聲檢測結(jié)果與金相剖切結(jié)果對比可見，焊縫缺陷檢測結(jié)果一致，焊縫熔深基本一致，驗證了超聲檢測工藝的可靠性。

3.3 產(chǎn)品檢測結(jié)果

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

圖13 復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊前超聲檢測結(jié)果

圖14 復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊縫超聲檢測結(jié)果

剖切檢測缺陷對應(yīng)位置，破壞性試驗分析結(jié)果如圖15所示，熔深測量值為3.55 mm?？梢?，超聲檢測結(jié)果與實際情況基本吻合，相對誤差約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掃描檢測技術(shù)受工件結(jié)構(gòu)影響小，可有效實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)電子束焊縫檢測，對未焊透缺陷檢出率和靈敏度較高。

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

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