低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭的超聲波檢測

王麗萍 石永佳 那敬

摘要：超聲波無損檢測技術(shù)由于其實用性高、操作便捷且設(shè)備投入也相對較低的特點，在無損檢測方面發(fā)揮著十分重要的作用。本文將結(jié)合試驗數(shù)據(jù)對低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭的超聲波檢測進行探究，并且結(jié)合AR功率譜來提高超聲波檢測在低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭檢測中的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：低碳鋼;非理想結(jié)合;摩擦焊接頭;超聲波檢測

引言：

和其他檢測方式相比，利用超聲波對工件進行檢查，能夠在不破壞工件原有的形態(tài)和保持工件使用性能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對工件內(nèi)部的檢查，然而在利用超聲波對低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭進行檢測時，會發(fā)現(xiàn)常規(guī)的超聲波檢測難以發(fā)現(xiàn)低碳鋼摩擦焊接頭中的一些缺陷，在這種情況情況下可以結(jié)合AR功率譜進行缺陷的識別和分析，進而保證檢測的效果。

1 低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭超聲波檢測的試驗背景

超聲波檢測的基本工作原理是，對超聲波與工件相互作用下反射、投射和散射的波進行分析，從而通過數(shù)據(jù)分析對被檢測物的缺陷狀態(tài)進行判斷。超聲波無損檢測在對焊接質(zhì)量的檢測中發(fā)揮著十分重要的作用，但是受到一些客觀因素的影響，超聲波檢測在面對到低碳鋼摩擦焊接頭的一些特殊缺陷時，檢測的效果較差，難以對低碳鋼非理想結(jié)合摩擦頭的弱結(jié)合、未熔合和灰斑等問題進行有效識別，進而導(dǎo)致產(chǎn)品可能存在一定的安全隱患。

本文在對低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭的超聲波檢測進行簡要探究時，將主要結(jié)合信號處理技術(shù)對回波信號進行處理和分析，從而對超聲波檢測在低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭的應(yīng)用中存在的不敏感缺陷進行分析。

2 試驗方法

2.1 試驗材料

本次試驗是在某公司生產(chǎn)的型號為C4-Ⅰ的連續(xù)驅(qū)動式摩擦焊接機上完成的，所選用的焊接材料是A3鋼，摩擦焊的焊接接頭直徑是14mm，為了保證試驗效果，在完成焊接之后，將焊接接頭加工為60mm長的試樣，并且保證焊接的界面處在試樣的中心位置，同時將焊接飛邊去除。此外，通過改變摩擦焊接過程中的工藝參數(shù)來獲得不同的試樣，圖表1為摩擦焊過程中各項參數(shù)的具體數(shù)值。

2.2 試驗方法

本次試驗所選擇的超聲波檢測設(shè)備是CTS-21型超聲波探傷儀，簡要試驗流程如圖表二所示。

本次低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭超聲波檢測中使用的是單發(fā)單收的模式，試驗過程中超聲波檢測設(shè)備探頭中心的頻率為5MHz的寬頻帶，使用的是采樣頻率為20MHz的A/D轉(zhuǎn)換器，本次試驗所采取的檢測方法為水浸法。具體檢測流程為將超聲波檢測設(shè)備的探頭通過專門的夾具固定在水中，將回波信號通過轉(zhuǎn)換器采集并儲存到計算機之中

為了驗證超聲波檢測的結(jié)果，在檢測完成后將試驗過程中所使用試樣的焊接接頭結(jié)合面開一個淺槽，隨后在液氮溫度下打斷，進而對焊接接頭的結(jié)合面情況進行觀察采集，并且使用求積儀對焊接接頭的缺陷進行測量和記錄。

3 試驗結(jié)果

在本次低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭的超聲波檢測試驗過程中，在試樣不同的情況下，所采集到的反射信號之間的差別較小，這也就意味著無法直接通過對反射信號的分析來判斷摩擦焊接頭的結(jié)合面是否存在著缺陷，以及該缺陷的類型和面積，這證明了超聲波檢測法在對低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭的檢測中存在著一定的不足。

結(jié)合AR功率譜對本次試驗過程中儲存在計算機內(nèi)的回波信號進行分析處理之后，則能夠通過AR功率譜來獲取能夠反映焊接接頭缺陷的特征量。從圖表3中可以發(fā)現(xiàn)，AR功率譜的特征能夠準(zhǔn)確地反映出摩擦焊接接頭結(jié)合面是否存在發(fā)藍未熔合、未發(fā)藍未熔合、灰斑這三種缺陷。

圖表3的記錄證明了AR功率譜能夠有效反映出缺陷是否存在，而對圖表4進行分析之后發(fā)現(xiàn)，AR功率譜的特征值與摩擦焊接接頭結(jié)合面存在的缺陷的尺寸有一定的聯(lián)系，并且能夠形成一定的對應(yīng)關(guān)系，甚至在一定程度上，能夠通過對AR功率譜形狀的分析來知曉低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭存在的缺陷形狀。

在低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭的超聲波檢測中結(jié)合AR功率譜，主要是基于缺陷存在的情況下，所反射的回波頻率組成與無缺陷情況下所反射的回波頻率組成有一定的變化，因此通過AR功率譜對反射回波信號的波譜進行分析能夠獲得缺陷的特征。

4 試驗結(jié)論

在低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭的超聲波檢測中，超聲波對一些缺陷不敏感的原因主要在于一些缺陷的厚度和尺寸較小，且介質(zhì)差異也較小，或者存在缺陷為不連續(xù)點結(jié)合的現(xiàn)象，在這些情況下利用超聲波進行檢測時，所反射的回波波幅小，因此難以對缺陷進行準(zhǔn)確檢測。

通過本次低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭的超聲波檢測試驗，可以得到三個試驗結(jié)論，首先是接頭中的未熔合和灰斑屬于超聲波不敏感缺陷，使用常規(guī)超聲波進行檢測難以進行有效檢測;其次是利用AR功率譜對特征量進行分析，可以有效地對不敏感缺陷進行識別;最后，AR功率譜的特征值和缺陷的尺寸之間具有一定的對應(yīng)關(guān)系。

結(jié)束語：

焊接的質(zhì)量是影響產(chǎn)品質(zhì)量中十分關(guān)鍵的因素，因此必須加強對焊接質(zhì)量的檢測，作為一種無損檢測方法超聲波檢測得到了十分廣泛的應(yīng)用，但受到一些客觀因素的影響，超聲波檢測也存在一定的不足，尤其是在低碳鋼非理想結(jié)合摩擦焊接頭的超聲波檢測中，一些超聲波不敏感缺陷不容易被檢測出來，可能會對產(chǎn)品質(zhì)量埋下一定的安全隱患，由此應(yīng)該不斷優(yōu)化超聲波檢測的方法，提高超聲波檢測的效率。

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（作者單位：中車長春軌道客車股份有限公司）