鋁合金板材的超聲C掃描檢測

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(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

鋁合金板材具有延伸率高、可塑性好等優點，厚度較薄的板材可通過沖壓拉深成形工藝制成筒形、球形、盒形、階梯形或其他形狀不規則的零件，因此被廣泛應用于航空航天產品的制造中。與此同時，鋁合金板材通常由連續澆鑄的板坯經軋制而成，板材內部容易產生分層、夾雜等缺陷。這些缺陷在后續拉深成形過程中，往往會造成應力集中問題，嚴重的甚至會導致整個零件的開裂報廢。因此，在板材的原材料階段需要對其內部質量進行100%超聲檢測[1-2]。文章所涉及的鋁合金板材厚度為8 mm，最大直徑約為1 800 mm，材料牌號為LD10，超聲檢測質量驗收等級為GJB 1580A-2004《變形金屬超聲檢驗方法》中的AAA級。

1 檢測方法的選擇

目前針對金屬板材的超聲檢測，常用的方法有縱波法、蘭姆波法及橫波法。其中縱波法按照脈沖發射接收方式的不同，又分為縱波脈沖反射法和透射法兩種，縱波脈沖反射法具有較高的檢測靈敏度，但對于厚度小于3 mm的薄板的檢測效果差；縱波透射法、蘭姆波法及橫波法在厚度6 mm以下的薄板檢測中應用較多，其中縱波透射法對于大面積的分層缺陷比較敏感，但對小缺陷的檢測靈敏度較低。蘭姆波法和橫波法檢測速度較快，前者檢測機理復雜且對板材中的大面積分層缺陷易漏檢，而后者對于一些窄帶狀的分層缺陷易漏檢[3-4]。

因此，綜合上述檢測方法的優缺點及檢測對象厚度、檢測靈敏度等因素，最終選擇采用縱波脈沖反射法，同時為進一步提高檢測的穩定性、可靠性，在工藝實施過程中選擇機械化程度較高的8通道超聲波C掃描檢測系統以及15 MHz水浸點聚焦探頭，以實現板材的高靈敏度、自動化和圖像化檢測。

2 對比試塊的設計與制作

結合鋁合金板材的質量驗收要求，設計并制作了直徑分別為0.4,0.8,1.2 mm的平底孔以及側壁橫孔對比試塊，用于調節檢測靈敏度及模擬板材內部缺陷。如圖1所示，其中平底孔從第1列至第4列埋深分別為8,7,5,3 mm，側壁橫孔長度分別為5,10,15 mm。

圖1 對比試塊設計示意

3 檢測參數的選擇

水浸超聲C掃描檢測技術在檢測參數的選擇上除包括常規超聲檢測參數的設置外，還涉及到探頭水層距離調節、機械掃查參數的選擇等關鍵技術[5]。筆者在研究過程中針對上述關鍵技術的影響因素進行了分析，并采用對比試塊對檢測靈敏度進行了試驗驗證。

3.1 探頭水層距離調節

所選用的15 MHz水浸點聚焦探頭晶片直徑為6 mm，焦距為76 mm。在檢測過程中通過調節探頭水層距離，使入射聲束聚焦于板材中1/2板厚(即4 mm)位置處，從而確保板材整個厚度區域的聲束能量相對集中。由探頭水層距離H、聲束聚焦區域-6 dB處的焦柱直徑D′的計算公式(1)，(2)[5]，可計算出探頭水層調節距離H約為59 mm，焦柱直徑D′約為1.2 mm。

(1)

D′=φ(-6 dB)≈λ(F/D)

(2)

式中：H為探頭水層距離;F為探頭焦距;l為板材中聚焦深度;CL為板材中縱波聲速;CW為水中聲速;D為探頭晶片直徑;D′為探頭聲束聚焦區域-6 dB 處的焦柱直徑;λ為水中波長。

3.2 機械掃查參數的影響因素分析與選擇

板材在檢測過程中主要通過超聲C掃描檢測系統的機械運動機構實現檢測區域的柵格掃查覆蓋。機械掃查參數主要有掃查間距、掃查速度、掃查長度、步進間距、步進速度、步進長度。當采用單通道進行掃查時，上述機械掃查參數的相互關系如圖2所示。

圖2 單通道柵格掃查路徑及相關掃查參數關系示意

對于文中采用的8通道超聲C掃描檢測系統而言，在檢測過程中8個通道的探頭采用如圖3所示的二維陣列排布方式，其探頭陣列長度方向垂直于掃查方向、平行于步進方向。

圖3 八通道柵格掃查路徑及相關掃查參數關系示意

在檢測過程中，為確保板材待檢區域的全覆蓋，掃查長度設置為掃查方向的板材待檢長度加上相鄰探頭中心間距H。步進長度設置為步進方向的板材待檢長度。

掃查間距是指探頭掃查過程中數據點的采樣記錄間距，鑒于探頭聲束聚焦區域-6 dB處的有效聲束直徑D′約為1.2 mm，因此,為避免小缺陷漏檢的同時,考慮到過小的掃查間距易導致冗余數據量過大而影響系統運行等因素，最終選用1 mm的掃查間距。

步進間距的選擇需要確保柵格掃查過程中相鄰掃查路徑存在一定的聲束覆蓋重合區，鑒于實際需要檢測的板材尺寸較大，掃查過程中考慮需確保20% 的有效聲束直徑D′的覆蓋區，因此選用1 mm的步進間距。此外，對比圖2，3可以發現，采用8通道進行掃查時，沿步進方向陣列分布的相鄰探頭中心存在間距L，該間距L長度遠大于水浸點聚焦探頭的有效聲束直徑D′。因此，在8通道陣列探頭步進方向的掃查移動過程中，需要先由步進軸帶動8個探頭按所設置的步進間距1 mm分別完成相鄰探頭間距L長度的掃查覆蓋后，沿步進方向整體向前移動7L的長度后再按原步進間距1 mm繼續進行掃查，以此類推直至完成整個板材待檢區域的檢測。

掃查速度的選擇主要是為了確保板材中要求檢出的最小缺陷能夠被有效地檢出和顯示出來，其最大掃查速度與探頭有效聲束直徑和重復頻率有關且滿足公式(3)[5]：

V≤D′f/n

(3)

式中：V為掃查速度；f為脈沖重復頻率;n為信號平均次數。

其中單個通道探頭的f設置為1 000 Hz，n設置為4，D′為1.2 mm，由此可以計算出Vmax為300 mm·s-1。但在實際掃查時，該最大掃查速度會導致板材兩端的探頭在移動時出現高加速或高減速緩沖的現象，因此為確保電機驅動掃查過程的穩定性，最終選用的掃查速度為250 mm·s-1。

步進速度的選擇主要考慮機械運動過程的穩定性，其參數設置為10 mm·s-1。

4 工藝試驗驗證與分析

采用上文確定的機械掃查參數對對比試塊進行了檢測驗證，得到如圖4所示的C掃描圖像。由圖4可以看出，試驗能夠有效檢出試塊中不同直徑及埋深的平底孔、側壁橫孔的人工缺陷，且缺陷邊緣輪廓清晰；其中不同深度的φ0.4 mm平底孔人工缺陷A掃波形信噪比均超過了18 dB，表明該工藝下檢測靈敏度能夠滿足GJB 1580A-2004 AAA級要求。此外對側壁橫孔長度進行測量后發現，其存在約1～2 mm的邊緣檢測盲區，對于大尺寸板材而言該邊緣盲區是在允許范圍內的。

圖4 對比試塊超聲C掃描檢測圖像

在此基礎上，結合厚度8 mm,直徑1 800 mm板材的檢測應用需求，對板材表面檢測盲區進行了試驗驗證，結果表明其上、下表面檢測盲區均小于0.5 mm，滿足工藝使用要求，同時采用表面波跟蹤及多閘門采集處理技術有效解決了板材表面局部不平整可能導致的水層距離波動問題。經過對80余塊板材的實際檢測，發現其中一塊存在缺陷，其C掃描檢測圖像如圖5所示。結合圖5中的坐標位置對板材進行手工打磨驗證，發現該處確為一點狀夾渣缺陷，如圖6所示。

圖5 存在點狀缺陷的板材C掃描檢測圖像

圖6 經打磨后的缺陷位置(對應圖5)處的宏觀照片

5 結語

針對8 mm厚鋁合金板材的檢測需求，開展了

8通道水浸縱波脈沖反射法超聲C掃描檢測技術研究，對影響檢測結果的關鍵工藝參數進行了分析和試驗驗證。結果表明，所確定的檢測工藝方法能夠滿足板材所提出的GJB1580A-2004 AAA級檢測靈敏度要求，其技術的成功應用也為類似金屬板材內部缺陷的檢測提供了一種高效且可靠的技術解決方案。

參考文獻:

[1] 馮蘇樂,趙畢艷,羅益民,等.液力成形在運載火箭增壓輸送系統中的應用[J].航天制造技術,2014(5):38-42.

[2] 彭赫力,馮蘇樂,李中權,等.大深寬比整流罩拉深成形數值模擬[J]. 航天制造技術,2014(4):19-22.

[3] 吳時紅,何雙起,陳穎,等.金屬薄板超聲無損檢測[J].宇航材料工藝,2007(6):124-126.

[4] 周正干,馮占英, 高翌飛,等.超聲導波在大型薄鋁板缺陷檢測中的應用[J].航空學報,2007,29(4):1044-1048.

[5] 史亦偉.超聲檢測[M].北京:機械工業出版社,2005.