典型釬焊結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)用對(duì)比試樣研制

沙中玉 王 濤

(1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林 132200；2.中國核動(dòng)力設(shè)計(jì)研究院反應(yīng)堆燃料及材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610213)

典型釬焊結(jié)構(gòu)超聲檢測(cè)用對(duì)比試樣研制

沙中玉1王 濤2

(1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,吉林 132200；2.中國核動(dòng)力設(shè)計(jì)研究院反應(yīng)堆燃料及材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610213)

針對(duì)蜂窩釬焊件、釬焊平板和釬焊雷達(dá)縫陣天線表層結(jié)構(gòu)三種釬焊結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)制作了超聲C掃描對(duì)比試樣，試驗(yàn)了不同的人工缺陷的加工方法。通過對(duì)不同試樣制作方法和人工缺陷加工方法的對(duì)比，確定了不同釬焊結(jié)構(gòu)適用的對(duì)比試樣制作方法。結(jié)果表明，制作平板釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣時(shí)，應(yīng)盡可能采用在平板狀態(tài)鉆出通孔后入爐焊接的方法。制作蜂窩釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣時(shí)，采用焊后在蜂窩中注入固化劑固化，鉆銑出平底孔后通過加熱或化學(xué)方法去除將固化劑去除的方法效果較好。制作模擬天線表層釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣時(shí)，采用焊后在下層板靠近筋條位置銑出條狀缺陷的方法效果較好。

超聲C掃描 人工缺陷 對(duì)比試樣制作

0 序 言

在高端機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，為了減輕重量，增加剛性、保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低制造成本，焊接組合件得到廣泛應(yīng)用，其中釬焊是主要的焊接類型之一[1-2]。目前國內(nèi)正在研究的釬焊結(jié)構(gòu)件有很多，如：蜂窩封嚴(yán)件[3]、雷達(dá)縫陣天線[5]、多孔層板[5]等，這些釬焊結(jié)構(gòu)件被廣泛用于飛機(jī)整流罩、阻流板、發(fā)動(dòng)機(jī)的整流器封嚴(yán)環(huán)、渦輪外環(huán)、套筒等產(chǎn)品中。在這些釬焊件制造過程中可能形成蒙皮-蜂窩芯焊合不良、空洞、釬料凸起等焊接缺陷，為了保證釬焊件使用的可靠性，在實(shí)際生產(chǎn)中常采用水浸聚焦超聲C掃描方法(超聲C)對(duì)接頭質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)[6-7]。但目前在釬焊結(jié)構(gòu)檢測(cè)中，普遍存在不同單位和不同檢驗(yàn)人員得到的檢測(cè)圖像不一致、檢測(cè)結(jié)果判定缺乏準(zhǔn)確合理方法的問題，這會(huì)影響釬焊結(jié)構(gòu)質(zhì)量評(píng)定的準(zhǔn)確性和真實(shí)性，危及釬焊結(jié)構(gòu)的使用安全性。解決這些問題的一個(gè)關(guān)鍵，是研制具有代表性的釬焊試樣，在試樣上設(shè)置人工缺陷，這些人工缺陷一方面應(yīng)盡可能模擬實(shí)際缺陷的狀態(tài)和特點(diǎn)，另一方面還應(yīng)具有便于加工、便于測(cè)量尺寸等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)過程進(jìn)行校準(zhǔn)的目的[8-9]。用超聲C掃描試樣，分析得到的檢測(cè)圖像，從而進(jìn)一步開展檢測(cè)方法試驗(yàn)研究。實(shí)際釬焊結(jié)構(gòu)種類繁多，文中選取釬焊平板、蜂窩釬焊件和釬焊雷達(dá)縫陣天線表層結(jié)構(gòu),作為典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方案及試樣制備

1.1試驗(yàn)方案

實(shí)際釬焊結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜，文中主要針對(duì)三種典型的釬焊結(jié)構(gòu)：蜂窩釬焊件、釬焊平板和釬焊雷達(dá)縫陣天線表層結(jié)構(gòu)。根據(jù)其工藝特點(diǎn)和可能產(chǎn)生的缺陷類型，進(jìn)行不同尺寸平底孔、刻槽試樣等人工缺陷試樣的制作。對(duì)比研究用釬焊試樣與實(shí)際被檢零件采用相同的材料、尺寸、形狀特征和釬焊工藝，針對(duì)三種典型釬焊結(jié)構(gòu)的工藝特點(diǎn)和可能產(chǎn)生的缺陷類型，進(jìn)行不同尺寸平底孔、刻槽試樣等人工缺陷試樣的制作。

采用超聲C掃描成像方法對(duì)各試樣進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備為USIP 40數(shù)字超聲探傷儀，機(jī)械掃查設(shè)備為SM-500超聲掃描器，探頭為水浸聚焦探頭。通過對(duì)比C掃描圖像的質(zhì)量，對(duì)各個(gè)試樣的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)定，確定制作不同釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣的最適用的方法。

1.2試樣制備

1.2.1平板釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣的制作

平板釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣如圖1所示，試樣尺寸為50 mm×100 mm，預(yù)置3個(gè)不同直徑的平底孔人工缺陷。

采用兩種方法加工人工缺陷：

(1) 在平板狀態(tài)鉆出通孔后入爐焊接。

(2) 焊后在下層板方向鉆銑。兩種方法分別記作a1和a2。

1.2.2蜂窩釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣的制作

蜂窩釬焊對(duì)比試樣共試驗(yàn)了4種不同的人工缺陷添加方式：

圖1 平板釬焊試樣對(duì)比試樣尺寸

(1)在釬焊后的試樣上鉆銑出平底孔。

(2)焊后在蜂窩中注入固化劑固化，鉆銑出平底孔后通過加熱或化學(xué)方法將固化劑去除。

(3)在蜂窩芯上加工出通孔然后與蒙皮進(jìn)行釬焊。

(4)在目標(biāo)部位添加阻焊劑進(jìn)行釬焊。

四種方法分別記作b1，b2，b3和b4，其中前三種用于平面蜂窩釬焊對(duì)比試樣，而曲面蜂窩釬焊對(duì)比試樣采用方法后三種方法制作。

蜂窩釬焊對(duì)比試樣如圖2所示。曲面與平面不同，當(dāng)聲束從水中入射到曲面試樣時(shí)，會(huì)因曲面的“凸”或“凹”而產(chǎn)生會(huì)聚或發(fā)散的作用。因此，需要加工不同曲率的曲面釬焊試樣，研究曲面試樣對(duì)超聲C掃描圖像影響，同時(shí)比較平面和曲面試樣超聲檢測(cè)效果的差異。

圖2 蜂窩釬焊對(duì)比試樣示意圖

1.2.3天線表層釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣的制作

天線表層釬焊結(jié)構(gòu)往往十分復(fù)雜，在檢測(cè)時(shí)常常需要超聲波穿過蒙皮、筋條、水層等結(jié)構(gòu)檢測(cè)內(nèi)部的釬焊縫質(zhì)量。為模擬實(shí)際檢測(cè)，設(shè)計(jì)了圖3所示天線表層釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣。試樣尺寸為50 mm×50 mm，每件包含人工缺陷2個(gè)，位于筋條與下層板焊縫中心。

采用兩種方法加工人工缺陷：①焊接前在需要預(yù)置缺陷位置涂阻流劑；②焊后在下層板靠近筋條位置銑出條狀缺陷，兩種方法的分別記作c1和c2，設(shè)計(jì)圖分別如圖3a和圖3b所示。

圖3 天線表層釬焊結(jié)構(gòu)試樣設(shè)計(jì)圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1平板釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣

圖4為釬焊前鉆通孔方法和釬焊后銑削下層板方法制備的平板釬焊試樣超聲C掃描結(jié)果，觀察兩幅圖中的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，孔的邊緣清晰銳利，表明加工的人工缺陷形狀規(guī)則。但加工細(xì)小的孔或槽時(shí)，由于毛細(xì)作用，釬料有可能會(huì)沿缺陷側(cè)壁向上流動(dòng)，因此在加工該類試樣時(shí)應(yīng)盡量采用方法a2。其他情況下，兩種方法均適宜用作平板釬焊試樣中人工缺陷的加工。

2.2平面蜂窩釬焊平底孔對(duì)比試樣

采用方法b1制作的平面蜂窩釬焊試樣和相應(yīng)的超聲C掃描圖像如圖5a和圖5b所示。從圖中可以看出蜂窩芯發(fā)生了很大的變形，主要原因是蜂窩芯較薄，在鉆孔時(shí)由于鉆頭的沖擊使蜂窩發(fā)生變形。從孔底還可以清晰看到相連的兩個(gè)圓形，表明在加工時(shí)銑刀和被加工件發(fā)生了相對(duì)移動(dòng)，使人工缺陷的形狀和尺寸都難以達(dá)到較高的質(zhì)量。方法b2是對(duì)方法b1的改進(jìn)，采用該方法制作的對(duì)比試樣和相應(yīng)的超聲C掃描圖像如圖5c和圖5d，與圖5a、圖5b對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，人工缺陷位置并未出現(xiàn)蜂窩變形和孔底錯(cuò)位的現(xiàn)象。這主要由于鉆銑前先用固化劑進(jìn)行了支撐，使蜂窩壁在加工過程中不會(huì)由于碰撞而產(chǎn)生變形，因此有效避免了出現(xiàn)蜂窩變形的情況。

圖4 平板釬焊對(duì)比試樣C掃描圖

圖5 方法b1和方法b2制作的平面蜂窩釬焊對(duì)比試樣和相應(yīng)的超聲C掃描圖像

方法b2存在的主要問題是：如果鉆孔深度未達(dá)到焊縫處，則會(huì)有蜂窩芯殘留在孔底，表現(xiàn)在C掃描圖像上是缺陷區(qū)和非缺陷區(qū)都會(huì)有蜂窩格出現(xiàn)，如圖5d所示，這會(huì)影響缺陷邊界的確定。

圖6a和圖6b中最左側(cè)的孔采用方法b3加工，從超聲檢測(cè)結(jié)果看，孔底平整、孔邊緣不存在蜂窩變形的問題。但孔邊緣與周圍的蜂窩結(jié)構(gòu)發(fā)生了粘連，這主要是由于焊接過程中，釬料從間隙處滲入平底孔內(nèi)引起。

圖6 采用方法b2和方法b3制作的平面蜂窩釬焊對(duì)比試樣和相應(yīng)的超聲C掃描圖像

采用方法b2和b4制作的曲面蜂窩對(duì)比試樣和相應(yīng)的超聲C掃描圖像如圖7所示；采用方法b3制作的曲面蜂窩對(duì)比試樣和相應(yīng)的超聲C掃描圖像如圖8所示。

圖7 采用方法b2和方法b4制作的曲面蜂窩釬焊對(duì)比試樣和相應(yīng)的超聲C掃描圖像

圖8 采用方法b3制作的曲面蜂窩釬焊對(duì)比試樣和相應(yīng)的超聲C掃描圖像

從圖7和圖8可以看出，與方法b2、方法b3機(jī)械加工的方式不同，采用方法b4制作的人工缺陷為封閉式，從試樣外觀無法看出缺陷區(qū)和完好區(qū)的差別，只有從C掃描圖中可以看出人工缺陷的位置和形狀，因此無法直接對(duì)缺陷的實(shí)際尺寸進(jìn)行測(cè)量。從圖8b中可以看出蜂窩區(qū)域的結(jié)構(gòu)仍然完好，但缺陷(中心紅色圓)的外輪廓并不規(guī)則，部分位置與周圍的蜂窩相連，表明在釬焊過程中阻焊劑發(fā)生了流動(dòng)，使人工缺陷的形狀發(fā)生變化，不利于人工缺陷尺寸的確定和面積定量。

2.3模擬天線表層釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣

采用方法c1制作的對(duì)比試樣和相應(yīng)的C掃描圖如圖9a所示。采用方法c2制作的對(duì)比試樣和相應(yīng)的C掃描圖9b。觀察兩幅圖中的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用方法c1制作的人工缺陷無法從試樣上直接觀察到，因而無法確切知道其尺寸以及制作質(zhì)量，此外由于阻流劑具有流動(dòng)性，無法保證人工缺陷的形狀規(guī)則，尺寸精確。從圖9中也可看出，左側(cè)和右側(cè)人工缺陷均出現(xiàn)不同程度的間斷。采用方法c2制作的人工缺陷試樣，直觀清楚,尺寸便于測(cè)量，超聲C掃描圖也較清晰，重復(fù)性好。

圖9 天線表層釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣C掃描圖

3 結(jié) 論

(1)釬焊前鉆通孔方法和釬焊后銑削下層板方法制備的平板釬焊C掃描圖像都具有較好質(zhì)量。對(duì)于細(xì)小的孔或槽結(jié)構(gòu)，由于毛細(xì)作用，釬料有可能會(huì)沿缺陷側(cè)壁向上流動(dòng)，此時(shí)應(yīng)采用釬焊后銑削下層板方法。

(2)制作蜂窩釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣時(shí)，推薦采用焊后鉆銑平底孔方法加工規(guī)則形狀的缺陷對(duì)比試樣；不推薦采用加工通孔后焊接的方式制作金屬蜂窩釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣。

(3)制作模擬天線表層釬焊結(jié)構(gòu)對(duì)比試樣時(shí)，采用焊后在下層板靠近筋條位置銑出條狀缺陷。制作的人工缺陷試樣，直觀清楚,尺寸便于測(cè)量，超聲C掃描圖也較清晰，重復(fù)性好。因此，加工該類試樣時(shí)推薦采用該方法。

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2016-06-21

TG441.7

沙中玉，1958年出生，大學(xué)本科,副教授，現(xiàn)在在吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院從事科研和教學(xué)工作。主要研究領(lǐng)域是金屬工藝和機(jī)械制造。到目前主編出版教材2本，已發(fā)表國家和省級(jí)論文數(shù)篇。