大厚度擴散焊NLU成像檢測技術(shù)*

（中航復合材料有限責任公司，北京101300）

擴散焊屬于一種固相焊接，因其正常焊接界面的冶金組織和力學性能與母材相同，因而在現(xiàn)代飛機及航空發(fā)動機等領(lǐng)域不斷得到推廣應用[1-2]，特別是鈦合金薄板擴散焊，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域得到了許多的工程應用[3]。在宇航領(lǐng)域，由于質(zhì)量和安全要求，通常要求對擴散焊縫進行100%無損檢測。由于擴散焊接缺陷在很多情況下具有緊貼、微細、彌散分布的微觀特點[4-5]，因此，采用常規(guī)超聲和X-射線等檢測方法難以檢出擴散焊中的缺陷。采用近年推出的超聲TOFD（Time of Flight Diffraction）等方法也難以檢出這類缺陷[4]。一般認為，采用常規(guī)的超聲檢測技術(shù)，在25MHz以下的頻率時，很難檢出這類缺陷[5-9]，從而非常容易造成漏檢。因此，在擴散焊檢測時，當采用常規(guī)的超聲方法沒有檢出缺陷時，必須十分小心所采用的超聲檢測技術(shù)（包括所采用的超聲檢測方法、儀器及參數(shù)、檢測經(jīng)驗等）是否對擴散焊中的缺陷具有可靠的檢出能力。

目前薄板擴散焊無損檢測技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展和不斷完善，已經(jīng)比較成熟，而且已有扎實的工程實際檢測應用經(jīng)驗和技術(shù)積累，主要是采用高頻超聲檢測技術(shù)[5-6，10]。薄板擴散焊接頭通常在幾毫米厚范圍內(nèi)，高頻超聲波在其中有很好的穿透能力。而厚板擴散焊零件的檢測厚度可達40mm，甚至達到60～70mm厚，檢測厚度的急劇增加，會造成高頻聲波的劇烈衰減，影響超聲波在擴散焊接區(qū)的穿透能力，甚至超出了高頻聲波的檢測能力，因此，采用薄板擴散焊檢測技術(shù)很難解決厚板擴散焊的無損檢測。近年Edwill等采用非線性超聲（Non-linear ultrasonic，NLU）檢測鈦合金擴散焊中的缺陷[11]，利用超聲在材料微細缺陷周圍產(chǎn)生的非線性現(xiàn)象，進行微細緊貼擴散焊缺陷的無損檢測。本文針對70mm厚度鈦合金擴散焊，介紹了一種利用非線性超聲（NLU）成像方法。

厚板擴散焊特點

圖1 厚板擴散焊基本形式Fig.1 Types of DB interfaces in thick plate

就無損檢測而言，目前常見的厚板擴散焊主要有兩種界面連接形式：（1）平行擴散焊界面，如圖1（a）所示，即擴散焊界面與零件表面平行；（2）非平行擴散焊界面，如圖1（b）所示，即擴散焊界面與零件表面呈現(xiàn)一定的夾角。目前航空用厚板擴散焊以鈦合金擴散焊為主，對于正常的擴散焊接，其擴散焊接區(qū)的冶金組織與母材一樣，即不會出現(xiàn)擴散焊界面[4-5]；對超聲波而言，在正常擴散焊接區(qū)，不會產(chǎn)生聲波反射。當出現(xiàn)意外的工藝原因時，可能會在擴散焊接區(qū)產(chǎn)生缺陷，而且不論是圖1中哪種類型的擴散焊接界面形式，其可能產(chǎn)生的實際工藝缺陷在大多數(shù)情況下可以分為兩類：（1）宏觀未焊合，這種缺陷比較容易檢出，而且隨著擴散焊工藝和裝備水平的不斷提高，目前這種缺陷不容易產(chǎn)生；（2）緊貼性未焊合，通常這類缺陷具有顯著的微細、緊貼和彌散分布的特點，從而會導致常規(guī)超聲對這類缺陷的檢出困難[4-5]（射線等其他檢測方法對這類缺陷的檢出能力遠不如超聲方法靈敏）。

NLU成像檢測方法

1 NLU檢測基本原理

NLU檢測是基于超聲波在厚板擴散焊中的傳播產(chǎn)生的非線性超聲行為進行檢測，這種檢測方法對微細緊貼缺陷有較好的檢出能力，這主要得益于入射聲波在這種缺陷周圍產(chǎn)生的非線性聲學行為更加靈敏。如圖2所示，利用入射聲波從厚板擴散焊的一側(cè)入射，形成入射聲波PI（f1，t），此時，在擴散焊接界面形成的入射聲波UI（f1，t）可近似表示為:

式中，T0為入射聲波在被檢測擴散焊零件表面的聲壓透射系數(shù)；f1為入射聲波的頻率；t為入射聲波傳播時間；α1（f1）為入射聲波在擴散焊母材中的聲衰減系數(shù)，與入射聲波的頻率、材料特性等有關(guān)；x1為入射聲波從被檢測擴散焊零件表面?zhèn)鞑ブ翑U散焊接界面的距離，這里僅考慮入射聲波沿擴散焊零件厚度（x）方向的一維傳播情況。

（1）當擴散焊接界面沒有缺陷即正常焊接時，如圖2（a）所示（注：圖中淺灰色虛線僅是為了示意擴散焊界面，實際上正常擴散焊是看不到界面的[4-5]），此時考慮到UI（f1，t）在擴散焊接區(qū)傳播產(chǎn)生的非線性作用，對于同種材料擴散焊，在擴散焊接界面形成的非線性高階透射諧波UT（f2，t）可近似表示為：

圖2 NLU檢測原理Fig.2 NLU principle

式中，n為入射聲波在擴散焊接區(qū)形成的非線性高階諧波次數(shù)；R為入射聲波在擴散焊零件表面的聲壓反射系數(shù)；α2（nf1）為入射聲波在擴散焊母材中的聲衰減系數(shù)，與入射聲波的頻率和非線性高階諧波次數(shù)等有關(guān)；x2為非線性高階諧波在擴散焊中的傳播距離；f2=nf1為非線性高階諧波的頻率。

由式（1）和式（2）可得，此時在擴散焊零件表面另一側(cè)接收到的第n次非線性高階諧波PT（f2，t）可近似地表示為：

（2）當擴散焊接界面存在缺陷時，如圖2（b）所示，此時在擴散焊接界面形成的非線性高階諧波由UT（f2，t）和UR（f2，t）兩部分構(gòu)成，此時接收得的第n次透射非線性高階諧波和反射非線性高階諧波PR（f2，t），可近似地表示為：

式中，Tw為非線性高階諧波在擴散焊界面的透射系數(shù)，此時Tw=Tw（Δh,ΔS,nf1），即n次非線性高階諧波在擴散焊界面的透射和折射與擴散焊界面缺陷的緊貼程度Δh、擴散焊界面的焊合率ΔS、頻率、非線性高階諧波次數(shù)n等密切有關(guān)[1-2]；x3為n次非線性高階諧波在擴散焊中的傳播距離。

由式（3）和式（4）可見：在厚板擴散焊界面存在缺陷和沒有缺陷時，其透射非線性高階諧波明顯不同，而且這種差異隨n值的增加而愈大，從而越易檢出擴散焊界面缺陷。

由式（3）和（5）可見：在厚板擴散焊界面存在缺陷和沒有缺陷時，其反射非線性高階諧波明顯不同，而且這種差異隨n值增加而愈大，從而越易檢出擴散焊界面缺陷，NLU成像即是基于此原理進行厚板擴散焊的可視化成像檢測。

2 NLU成像方法

NLU成像基于入射聲波在厚板擴散焊中產(chǎn)生的NLU現(xiàn)象，進行大厚度擴散焊的無損檢測。通過專門設(shè)計的超聲單元產(chǎn)生寬帶超聲信號，激勵超聲換能器，在擴散焊中形成入射聲波，作為NLU入射信號，利用另一寬帶換能器在被檢測擴散焊零件的一側(cè)或者對側(cè)接收非線性高階諧波，經(jīng)過信號處理和數(shù)字化后，由計算機成像系統(tǒng)對檢測結(jié)果進行成像顯示，發(fā)射/接收換能器在掃描系統(tǒng)的作用下，實現(xiàn)對被檢測擴散焊零件的自動掃描，其位置信號實時送到計算機成像系統(tǒng)，最后由計算機根據(jù)所接收到的超聲信號和位置信號，按照給定的非線性成像算法對檢測結(jié)果進行可視化成像，其基本原理和構(gòu)成如圖3所示。

圖3 NLU成像方法Fig.3 NLU imaging method

利用NLU成像模塊，通過構(gòu)建非線性函數(shù)Hn（nf1,τ），用于從非線性諧波信號PT（f2,t）中獲取NLU成像的非線性諧波分量Urgb（f2,t）：

式中，τ為時間窗口，由所選取的高階非線性諧波次數(shù)n設(shè)定；Urgb（f2,t）對應成像灰度或者色彩值。

因此，利用入射聲波在厚板擴散焊中產(chǎn)生的非線性聲波現(xiàn)象，通過合理的信號發(fā)射/接收技術(shù)、處理技術(shù)和掃面技術(shù)，即可實現(xiàn)厚板擴散焊的NLU成像檢測。

試件設(shè)計制備與NLU成像系統(tǒng)

1 試件設(shè)計制備

所有試樣均采用圖1（b）所示的擴散焊接形式，其中試件1為正常擴散焊接工藝，即在擴散焊接界面沒有預置缺陷，試樣厚度為70mm，長210mm，高60mm（圖4），材料為鈦合金；試件2亦為正常擴散焊接工藝，只是在擴散焊接界面預置有4個不同大小的模擬焊接缺陷，缺陷模擬方法為：采用對擴散焊界面局部表面污染的方法模擬緊貼型擴散焊接缺陷，試樣厚度、長度、高度及其材料與試件1相同。用于擴散焊接試件制造的母材為無內(nèi)部缺陷的合格厚板鈦合金材料。

2 NLU成像檢測系統(tǒng)

檢測試驗采用中航復合材料有限責任公司的MUI-21超聲自動掃描檢測系統(tǒng)中，該系統(tǒng)含有用于NLU成像模塊，其基本組成如圖3所示，主要包括超聲單元、超聲信號接收單元、信號處理單元、發(fā)射/接收換能器、掃描機構(gòu)、掃描控制單元、成像與顯示單元等主要部分。利用劉松平等[12]所發(fā)明的非線性超聲成像方法專利，對所設(shè)計制備的厚板擴散焊進行NLU成像檢測試驗分析。

檢測結(jié)果與分析

1 檢測結(jié)果

圖4 厚板擴散焊試件的結(jié)構(gòu)形式Fig.4 Structure of thick plate diffusion bonding

圖5 是正常厚板擴散焊試件1的NLU成像檢測結(jié)果，用于NLU成像檢測的設(shè)備和換能器及成像軟件等均采用中航復合材料有限責任公司的MUI-21超聲自動掃描檢測系統(tǒng)及其NLU成像模塊，通過超聲換能器從試件的一側(cè)發(fā)射入射聲波（參見圖2和圖3），接收換能器從試件的另一側(cè)接收NLU信號（參見圖2和圖3），然后，基于此信號進行NLU成像，掃描速度和步進速度均選擇30mm/s，步進量選擇0.3mm。圖5中四周黑色灰度分布對應試件的周邊，其中上中部出現(xiàn)的矩形黑色灰度區(qū)F0為夾持試件的夾具部位，且灰度越亮，對應的NLU信號越強烈。

圖6是正常厚板擴散焊試件2的NLU成像檢測結(jié)果，所用的NLU成像檢測條件和工藝參數(shù)均與試件1完全相同。圖6中四周黑色灰度分布對應試件的周邊，除了在上中部出現(xiàn)的矩形黑色灰度區(qū)F0為夾持試件的夾具部位外，還出現(xiàn)大小不同、位置不同的4個黑色灰度區(qū)F1、F2、F3、F4。此外，在圖6中的中心部位附近出現(xiàn)了一些彌散分布的深灰色點狀灰斑，如圖6中黑色箭頭所示的灰度分布區(qū)F5、F6所示。

2 結(jié)果分析

（1）從圖5中的NLU成像可以非常清晰地看出，除了在對應試件夾持位置出現(xiàn)了灰色灰度分布區(qū)（如圖5中黑色箭頭指示的灰度分布區(qū)F0）外，其他部分的灰度分布非常均勻。這是因為在試件夾持位置，聲波不能穿過夾具，導致接收不到聲波信號，即此時PT（f2，t）≈0，由式（6）可知，其對應成像灰度Urgb（f2，t）≈0，因而在圖5中對應試件夾持位置出現(xiàn)了矩形黑色灰度分布區(qū)F0；

圖5 正常擴散焊試件1的NLU成像檢測結(jié)果Fig.5 NLU imaging result of specimen 1 without defect

圖6 含有擴散焊缺陷的試件2的NLU成像檢測結(jié)果Fig.6 NLU imaging result of specimen 2 with defect

（2）在圖5中除了對應F0以外的位置，來自試件1的NLU成像的灰度分布非常均勻，這是因為試件1內(nèi)部的擴散焊接界面沒有預置缺陷，其界面接連完好，而且，由于此時的擴散焊界面與母材的微結(jié)構(gòu)一致，即在擴散焊接界面沒有出現(xiàn)額外的非線性高階諧波反射信號，此時，Tw≈1，由式（2）和式（6）可知，在其他條件一定時，NLU成像灰度主要取決于Hn（nf1，τ）和PT（f2，t），而對于同一試件，在掃描成像過程中，每個檢測點的Hn（nf1，τ）和PT（f2，t）相同，因而在圖5中的灰度分布非常均勻，同時表明試件1內(nèi)部擴散焊接界面沒有缺陷。值得指出的是，通常用于擴散焊接的母材也是通過無損檢測合格的材料，當檢測結(jié)果表明其內(nèi)部沒有材料缺陷時，才用于擴散焊接零件的制造。

（3）在圖5和圖6中四周的黑色灰度分布對應試件的邊沿以外的區(qū)域，當換能器掃查到試件邊沿以外的區(qū)域，聲波由試件中的傳播變成耦合水柱中傳播，此時聲波傳播時間分別為：

式中，t0為起始時間，掃描過程中是固定不變的，由換能器與被檢測零件表面之間的噴水距離確定；twater、υwater分別為聲波在長度為L的水柱中的傳播時間和聲速；tspecimen、υspecimen分別為聲波在厚度為L的擴散焊試件中的傳播時間和聲速。通常υspeciment=（3～4）υwater，由式（8）可知，tspeciment會明顯比twater小得多，從而使直接來自水柱的聲波落不到對應的Hn（nf1,τ）窗口函數(shù)中，由式（6）可知，此時仍有Urgb（f2，t）≈0，因此在圖5和圖6中對應試件四周的圖像位置出現(xiàn)了黑色灰度分布區(qū)。

（4）在圖6中除了出現(xiàn)F0以外，還出現(xiàn)了F1、F2、F3、F44個圓形黑色灰度區(qū)，其大小不同、分布位置也不同，分別對應試件2中擴散焊接界面的4個預置缺陷，缺陷顯示非常清晰易判斷。這是因為由式（4）可知，在缺陷區(qū)Tw=Tw（Δh，ΔS，nf1）＜1，即此時PT（f2，t）與擴散焊缺陷的緊貼程度Δh、缺陷區(qū)的焊合率ΔS等密切有關(guān)，由式（6）可知，Urgb（f2，t）會隨著缺陷的特性變化，從而在圖6中對應缺陷區(qū)位置的4個圓形黑色灰度區(qū)F1、F2、F3、F4的灰度比對應好區(qū)的灰度深，而比F0和試件四周的灰度淺。

（5）在圖6中除了出現(xiàn)F0和F1、F2、F3、F4以外，其整體灰度分布均勻性不如圖5中的灰度分布均勻性好，特別是在圖6的中心部位還可以看到一些彌散分布的點狀深灰色區(qū)，如黑色箭頭所指示的深灰色區(qū)F5、F6，其形狀遠不如F1、F2、F3、F4有規(guī)律，其分布也呈現(xiàn)較明顯的隨機性，這些灰度區(qū)應與擴散焊界面的缺陷有關(guān)，也可能是在缺陷模擬時，某些污染劑意外地少量擴散造成的，有待進一步驗證分析。

結(jié)論

（1）分析結(jié)果表明，在厚板擴散焊中，缺陷的存在會使非線性高階諧波明顯改變，而且這種變化是高階諧波比低階諧波更明顯，也與厚板擴散焊中缺陷緊貼、焊合率、分布特征等密切有關(guān)，基于此原理可以實現(xiàn)厚板擴散焊的無損檢測；

（2）利用入射聲波在厚板擴散焊中傳播產(chǎn)生的非線性高階諧波分量，通過構(gòu)建非線性函數(shù)，可以有效地提取非線性高階諧波信號，通過自動掃描方式，進而可以實現(xiàn)厚板擴散焊的NLU成像檢測；

（3）試驗結(jié)果表明，利用NLU成像結(jié)果，根據(jù)其灰度分布規(guī)律，可以非常清晰地進行擴散焊中緊貼性缺陷的識別和判別以及缺陷的定量分析，最大檢測厚度可達70mm。因此，NLU成像方法為厚板擴散焊提供了一種非常有效的可視化檢測方法和手段，目前已得到了較好的實際檢測應用,取得了較好的實際檢測效果。

[1]曲伸，李英，倪建成，等，航空發(fā)動機先進焊接技術(shù)應用[J].航空制造技術(shù)，2015(20): 53-55.QU Shen，LI Ying，NI Jiancheng，et al.Application of advanced welding technology in aeroengine[J]. Aeronautical Manufacturing Technology，2015(20): 53-55.

[2]郎波，侯金保，滕俊飛，等. 新型航空材料及其結(jié)構(gòu)的擴散焊[J].航空制造技術(shù)，2014(20): 74-75.LANG Bo, HOU Jinbao, TENG Junfei, et al. Diffusion welding of new aviation material and structure[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2014(20): 74-75.

[3]王向民，喬宦文.鈦合金SPF/DB技術(shù)在航空工業(yè)中的應用[J].鈦工業(yè)進展，1998(1): 8-11.WANG Xiangmin, QIAO Huanwen.Application of titanium alloy SPF/DB technology in aero-industry[J]. Titanium Industry Progress,1998(1): 8-11.

[4]陶京新，盧超，劉松平. 薄板焊縫中超聲TOFD檢測方法淺析[J].航空制造技術(shù)，2014(20): 87-90.TAO Jingxin, LU Chao, LIU Songping.Review of ultrasonic TOFD method for thin welds[J]. Aeronautical Manufacturing Technology,2014(20): 87-90.

[5]劉松平，郭恩明. 擴散焊連接構(gòu)件微缺陷高頻超聲檢測技術(shù)[J].航空制造工程，1993(5): 38-40.LIU Songping, GUO Enming. High frequency ultrasonic technique for microdefects in SPF/DB components[J]. Aeronautical Manufacturing Engineering ,1993(5): 38-40.

[6]劉松平，郭恩明，謝凱文,等. 鈦合金擴散焊中緊貼型缺陷的超聲波檢測[J].無損檢測，2004(2): 62-65.LIU Songping, GUO Enming, XIE Kaiwen,et al. Evaluation of kiss defect in diffusion welding of titanium alloy by ultrasonic pulse-echoes[J].Nondestructive Testing, 2004(2): 62-65.

[7]MATSON D M， LANSAW J T，SUITS M W. Ultrasonic inspection of diffusion bonded platelet rocket chamber liner[J]. Materials Evaluation, 1993, 51(5): 545-551.

[8]KAPRANOS P, PRIESTNER R. NDE of diffusion bonds[J]. Metal and Materials, 1987,3(4): 194-198.

[9]WEGLEIN R D. Titanium diffusion bond evaluation via acoustic microscopy[J]. IEEE Ultrasonics Symposium, 1988, 2:1045-1048 .

[10]劉松平，郭恩明. KGCJ-1擴散連接高頻超聲檢測儀[J]. 航空制造技術(shù)，1994(5):19-20.LIU Songping, GUO Enming. KGCJ-1 high frequency tester for SPF / DB components[J].Aeronautical Manufacturing Technology,1994(5):19-20.

[11]EDWILL E R, ALBERTO R, WALED H, et al. Nonlinear ultrsonic NDE of titanium diffusion bonds[J]. Nondestruct Eval, 2014(33):187-195.

[12]劉松平，李樂鋼，劉菲菲. 一種基于自動掃描的非線性超聲成像檢測方法:201310646365.7[P].2013-05-06.LIU Songping, LI Legang, LIU Feifei.A nonlinear ultrasonic imaging detection method based on automatic scanning:201310646365.7[P]. 2013-05-06.