摘 要:以某封嚴(yán)環(huán)組件為研究對象,采用水浸超聲檢測技術(shù),通過監(jiān)測結(jié)合層處的超聲回波 幅值來分析檢測分辨率和穿透力,進(jìn)而評判真空釬焊結(jié)合質(zhì)量。試驗(yàn)分析得出環(huán)狀高溫合金真空 釬焊件的最佳檢測參數(shù),并將其運(yùn)用于實(shí)際零件檢測。檢測結(jié)果表明,超聲檢測能及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì) 量不良位置,具有一定的應(yīng)用價(jià)值。 

關(guān)鍵詞:真空釬焊;超聲檢測;影響因素;檢測參數(shù) 

中圖分類號:TG115.28                                                文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A                                    文章編號:1000-6656(2022)07-0042-04

真空釬 焊 是 在 真 空 中 進(jìn) 行 釬 焊 的 工 藝,其 利 用液態(tài)釬料 潤 濕 基 體 金 屬 表 面,依 靠 毛 細(xì) 吸 附 作 用將釬料吸附到接頭的緊密配合面上。釬焊過程 處于真空環(huán) 境 下,可 以 有 效 地 排 除 空 氣 對 焊 接 的 影響,提高焊縫質(zhì)量和產(chǎn)品的抗腐蝕性,獲得高強(qiáng) 度、光亮致 密 的 接 頭,因 此,該 焊 接 方 法 廣 泛 用 于 現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)制造中。真空釬焊的工藝特點(diǎn)難 以保證零件 焊 縫 不 產(chǎn) 生 釬 料 流 淌 現(xiàn) 象,因 此 需 采 用合適的無 損 檢 測 方 法 來 檢 測 焊 縫,以 確 保 零 件 安全有效[1-4]。 

文章以某封嚴(yán)環(huán)組件(由真空釬焊而成)為試驗(yàn) 研究對象(見圖 1),其外環(huán)為 GH600 鍛造高溫合 金,內(nèi)環(huán)為 Cu-Ag-Zn鑄造合金,試驗(yàn)擬采用水浸超 聲檢測技術(shù)對焊縫進(jìn)行檢測。 

1 超聲檢測的可行性分析 

1.1 檢測對象 

真空釬焊加工過程中,受釬焊間隙過大、釬焊面 局部氧化、釬料量不足、真空度較差等因素影響,零 件加工完成后可能出現(xiàn)未焊合、氣孔等缺陷,即高溫 合金外環(huán)與內(nèi)環(huán)完全沒有焊好(無釬料),或者釬料 層存在未焊合、氣孔等缺陷。典型真空釬焊缺陷外 觀如圖2所示。 

1.2 檢測技術(shù) 

通過對該類釬焊零件的結(jié)構(gòu)及工藝分析可知, 高溫合金外環(huán)與內(nèi)環(huán)真空釬焊部位可能出現(xiàn)的未焊 合、氣孔等缺陷均為面積型缺陷(即厚度方向的尺寸 很小)[5-7],而超聲檢測對面積型缺陷較敏感,因此用 該方法來檢測環(huán)狀高溫合金釬焊件的焊接質(zhì)量比較 合適。 

1.3 檢測原理 

當(dāng)高溫合金未進(jìn)行釬焊時(shí),超聲波入射至外環(huán) 并傳播到內(nèi)壁,在內(nèi)壁處被反射回來產(chǎn)生內(nèi)壁回波。 鍛件組織均勻,對超聲波的衰減基本一致,因此內(nèi)壁 各個部位的回波幅值大致相等(見圖3,圖中 C掃描 圖像用顏色灰度表示回波幅值,圖中可見內(nèi)壁各個 部位回波幅值基本一致),通常把該回波幅值設(shè)置為 100%FSH (滿屏高度)[8]。 

外環(huán)與內(nèi)環(huán)釬焊后,當(dāng)超聲波入射至外環(huán)并傳 播到內(nèi)壁(即外環(huán)與內(nèi)環(huán)釬料填充位置)時(shí),若外環(huán) 與內(nèi)環(huán)結(jié)合層未填釬料(即內(nèi)外環(huán)未焊合),則所有 超聲波在結(jié)合層處被完全反射回外環(huán),故結(jié)合層處 的反射回波幅值很高,相當(dāng)于未釬焊外環(huán)的內(nèi)壁回 波幅值,即100%FSH;若外環(huán)與內(nèi)環(huán)結(jié)合較好,則 部分超聲波將穿過釬料繼續(xù)向內(nèi)環(huán)傳播,小部分反 射回外環(huán),因而結(jié)合層處的反射回波幅值較低;若外 環(huán)與內(nèi)環(huán)部分未結(jié)合,則小部分超聲波進(jìn)入釬料,大 部分超聲波在結(jié)合層處被反射回外環(huán),故結(jié)合層處 的反射回波幅值介于上述兩種情況之間。釬焊后環(huán) 狀零件的超聲檢測如圖4所示。

2 檢測試驗(yàn) 

2.1 主要影響因素及其控制 

2.1.1 檢測分辨率

由于超聲波入射面為外環(huán),而對釬焊質(zhì)量的評 判只要監(jiān)測結(jié)合層處超聲回波的幅值,若外環(huán)厚度 太小,則無法分辨出結(jié)合層處的回波,因此可考慮使 用較高檢測頻率、小焦點(diǎn)的聚焦探頭進(jìn)行檢測,以保 證檢測精度。 

2.1.2 穿透力 

當(dāng)外環(huán)鍛件壁厚較大,且本身的材料對超聲波 衰減較大時(shí),若采用太高的檢測頻率,可能造成超聲 波的穿透力不夠。應(yīng)結(jié)合實(shí)際被檢零件的具體情況 綜合考慮,再確定檢測方案與技術(shù)參數(shù)。

2.1.3 釬焊結(jié)合層回波 

外環(huán)材料為高溫合金,內(nèi)環(huán)為鑄造金屬,二者聲 阻抗存在差異,當(dāng)超聲波束入射到兩種合金界面時(shí) 會產(chǎn)生反射信號,進(jìn)而影響缺陷信號的識別?？紤] 到這些影響因素,檢測時(shí)應(yīng)選擇合適的檢測條件(包 括儀器、探頭、檢測參數(shù)等),同時(shí)采用正確的評定方 法,以保證檢測的可靠性。

2.2 檢測工藝的確定 

2.2.1 檢測參數(shù)的選擇 

為研究探頭聚焦效果的影響,分別采用5 MHz 聚焦探頭、5 MHz平探頭對試件進(jìn)行檢測(聚焦探 頭聚焦于零件表面),并對二者的檢測結(jié)果進(jìn)行比較(見圖5,圖中紅色表示檢測區(qū)域結(jié)合不良)。聚焦 探頭發(fā)現(xiàn)1 # 位置結(jié)合不良,而平探頭未能檢測出該 缺陷。由此可見,聚焦探頭具有聚焦區(qū)域內(nèi)聲場集 中、焦點(diǎn)位置聲束直徑較小的特點(diǎn),對于尺寸較小的 缺陷檢測非常有利。

為研究探頭焦距的影響,分別采用10 MHz焦 距2″(即探頭標(biāo)稱焦距為2inch,1inch=25.4mm, 下同)和10MHz焦距3.5″的探頭對試件進(jìn)行檢測, 焦點(diǎn)均位于釬焊層。對檢測結(jié)果進(jìn)行比較(見圖6), 并通過金相剖切驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)2 # ,3 # 部位結(jié)合不良, 10MHz焦距3.5″探頭未能分辨該缺陷。對于一定 晶片直徑的探頭,焦距越長則焦區(qū)長度越大,焦點(diǎn)直 徑也越大,但橫向分辨率降低且焦點(diǎn)附近的能量聚集效果也變差。當(dāng)釬焊基體厚度為1~6mm 時(shí),采 用10MHz焦距2″的探頭較為合適,當(dāng)基體厚度大 于6mm 時(shí),采用10MHz焦距3.5″探頭更合適。 

為研究探頭焦點(diǎn)位置的影響,采用10 MHz焦 距2″探頭進(jìn)行檢測,聚焦位置分別為零件表面和釬 焊層部位,并對兩種情況的檢測結(jié)果進(jìn)行比較(見圖 7)。通過金相剖切發(fā)現(xiàn),4 # 部位 存 在 密 集 型 小 缺 陷,焦點(diǎn)位于零件表面時(shí)未能分辨該缺陷。該結(jié)果 表明,檢測一定深度位置的缺陷時(shí),焦點(diǎn)位于零件內(nèi) 部可以提高檢測分辨率。 

2.2.2 穿透力參數(shù) 

分別采用10MHz焦距3.5″和5MHz焦距3.5″ 探頭對同一缺陷進(jìn)行檢測,并對檢測結(jié)果進(jìn)行比較 (見圖8)。結(jié)合金相剖切結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)兩個 探頭的 檢 測 結(jié) 果 差 異 不 大。 封 嚴(yán) 環(huán) 組 件 壁 厚 為 5mm,在這兩個頻率下材料中的超聲波衰減差異不 明顯,但10MHz探頭的分辨率略微好于5MHz探頭的分 辨 率,可 見,在 零 件 厚 度 不 大 的 情 況 下, 10MHz探頭的分辨率更優(yōu)。

2.2.3 釬焊結(jié)合層回波幅值的確認(rèn) 

通過監(jiān)測釬料層處超聲回波的幅值,就能判斷 釬焊質(zhì)量的優(yōu)劣。文章模擬不同條件制作了一系列 的包含不同缺陷的 Cu-Ag-Zn真空釬焊試件,先對 其進(jìn)行超聲檢測,記錄下不同區(qū)域的反射波幅值,再 針對這些部位進(jìn)行金相解剖檢驗(yàn),比較不同波幅對 應(yīng)的 實(shí) 際 釬 焊 質(zhì) 量 情 況,最 后 發(fā) 現(xiàn),可 以 用 50% FSH 作為焊合與否的評判標(biāo)準(zhǔn),即釬焊處超聲回波 的幅值不大于50%FSH 時(shí),可認(rèn)為釬焊質(zhì)量優(yōu),釬 料層處超聲回波的幅值大于50%FSH 時(shí)可判定為 未焊合缺陷。 

2.3 試驗(yàn)分析 

環(huán)狀高溫合金真空釬焊零件的超聲 C 掃描檢 測宜采用水浸點(diǎn)聚焦探頭,聚焦位置應(yīng)選擇為釬焊 結(jié)合面以保證該區(qū)域的檢測信噪比最佳。檢測頻率 通常為10MHz,檢測頻率越高,縱向分辨率越好, 越能發(fā)現(xiàn)較小的未焊合間隙;當(dāng)基體厚度較大時(shí),為 保證超聲波的穿透能力,宜采用 5 MHz作為檢測 頻率。 

3 結(jié)語 

通過試驗(yàn)驗(yàn)證了環(huán)形真空釬焊焊縫超聲 C 掃描檢測的可行性。焊縫位于環(huán)形高溫合金內(nèi)部,為 保證檢測分辨率,應(yīng)根據(jù)零件的形狀選擇合適的探 頭焦距及焦點(diǎn)位置,同時(shí)為保證超聲波的穿透力,應(yīng) 根據(jù)不同零件厚度選取與之匹配的頻率,最終通過 釬焊面不同的回波幅值來評判焊縫質(zhì)量。

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<文章來源   > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文> 無損檢測 > 44卷 > 7期 (pp:42-45)>