多孔層板焊接質(zhì)量的高頻超聲檢測

付 鑫，謝凱文，張 超,夏美玲

(1.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024;2.北京航天特種設(shè)備檢測研究發(fā)展有限公司，北京 100074)

隨著航空發(fā)動機(jī)和高性能燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的發(fā)展，高溫、高壓環(huán)境下的冷卻問題日益突出。多孔層板冷卻技術(shù)是集沖擊冷卻、對流冷卻、氣膜冷卻為一體的新型冷卻技術(shù)，是解決航空發(fā)動機(jī)和高性能燃?xì)廨啓C(jī)冷卻問題的有效途徑[1]。多孔層板冷卻方式的主要優(yōu)點有：層板內(nèi)表面的面積密度(內(nèi)部傳熱表面積與容積之比)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)的冷卻結(jié)構(gòu)，充分利用層板內(nèi)部對流換熱對導(dǎo)葉的冷卻效果；最下層密布的小孔板類似于多孔發(fā)散壁，可以形成均勻的氣膜保護(hù)層，具有發(fā)散冷卻的優(yōu)點，有良好的應(yīng)用前景[2-4]。

發(fā)動機(jī)內(nèi)高溫、高壓的工作環(huán)境對多孔層板結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量性能有著極其嚴(yán)格的要求。在制造過程中，溫度、壓力或焊料鋪設(shè)狀態(tài)的偏差等因素會使得層板-層板、繞流柱-層板焊接界面處產(chǎn)生裂紋、未焊合等缺陷。國外著名航空機(jī)構(gòu)與企業(yè)(如NASA、GE等)針對發(fā)動機(jī)中的多孔層板缺陷的無損檢測及判別方法,主要采用超聲、射線、工業(yè)CT(工業(yè)用計算機(jī)斷層成像)等技術(shù)。其中，射線檢測分辨率較低，對于層板微小缺陷的檢測較困難，而工業(yè)CT技術(shù)的檢測成本太高。超聲檢測具有操作簡便，無污染且分辨率較高等優(yōu)點，是多孔層板主要的檢測方法。國內(nèi)對多孔層板在航空領(lǐng)域的應(yīng)用，還處于研究和初步應(yīng)用階段,制造過程中相關(guān)工藝的許多問題還有待解決，建立和完善可靠檢驗方法及質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)是十分必要的。因此，必須開展多孔層板檢測工藝研究，摸索可靠的檢測方法[5]。

1 方法論述

1.1 多孔層板結(jié)構(gòu)

多孔層板結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以某型平板類構(gòu)件為例，成型前分為進(jìn)氣孔側(cè)層板和出氣孔側(cè)層板。進(jìn)氣孔側(cè)層板的結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)所示，其上規(guī)則分布的小孔通過電解加工的方法加工，在發(fā)動機(jī)中高溫氣體可通過進(jìn)氣孔進(jìn)入層板，達(dá)到冷卻的目的。出氣孔側(cè)層板的結(jié)構(gòu)示意如圖1(b)所示，其規(guī)則的氣孔以及擾流柱通過電解加工，上下層板通過TLP(瞬時液相)擴(kuò)散焊焊接在一起，形成多孔層板結(jié)構(gòu)。

圖1 多孔層板結(jié)構(gòu)示意

多孔層板采用TLP擴(kuò)散焊的方法焊接成型，焊接過程中,焊料的流動會使焊接界面的焊接質(zhì)量存在差異，從而產(chǎn)生缺陷。同時，焊接界面處的缺陷橫向尺寸較小，使用常規(guī)的超聲檢測手段難以實施有效檢測。

1.2 工藝分析

不同種金屬材料、不同成型工藝，可能產(chǎn)生的缺陷及其特性不同。因此，需要緊密結(jié)合具體的焊接成型工藝，來判定具體的檢測工藝。

超聲檢測是目前焊接成型工藝缺陷的主要無損檢測方法，其利用高分辨率超聲成像方法，能有效地得到焊接界面微結(jié)構(gòu)特征及質(zhì)量信息，從而實現(xiàn)焊接質(zhì)量、細(xì)微缺陷等材料與工藝缺陷的無損檢測與量化評估。

多孔層板內(nèi)部的細(xì)微缺陷檢測，通常采用超聲脈沖反射法。超聲脈沖反射法具有較高的檢測靈敏度[6],在檢測多孔層板時，只要微小缺陷所產(chǎn)生的脈沖回波信號能夠明顯高于材料的噪聲回波，通過提高回波信號幅值，將缺陷信號放大，即可判斷缺陷的存在，并通過傳播時間與距離的線性關(guān)系，對缺陷的深度進(jìn)行精準(zhǔn)定位。結(jié)合多孔層板的結(jié)構(gòu)特性，使用超聲脈沖反射法可準(zhǔn)確分析缺陷位置，判斷回波產(chǎn)生的原因，其檢測原理如圖2所示(圖中F表示始波，B表示底波，D表示缺陷波)。由于聲波衍射等原因，小缺陷無法引起穿透波的變化，所以穿透法無法對零件進(jìn)行有效檢測。

圖2 多孔層板超聲反射檢測原理

1.3 工藝指標(biāo)控制

對檢測材料中的微小缺陷，可通過提高小缺陷反射的超聲信號幅度和信噪比，來提高檢出率。當(dāng)一定頻率的超聲波在層板內(nèi)傳播時，如遇到具有與材料不同聲阻抗的界面，如未焊合、裂紋等缺陷，聲波將產(chǎn)生反射信號。聲波入射至層板焊接界面缺陷時，入射聲壓為Pi，在缺陷界面反射的反射聲壓為Pr。采用超聲脈沖反射法對層板缺陷進(jìn)行檢測時，聲壓反射系數(shù)Ri(Ri=Pr/Pi)越大，缺陷越易檢測。當(dāng)層板內(nèi)部有一氣隙薄層時，超聲傳播特性將變得復(fù)雜，多孔層板缺陷超聲反射示意如圖3所示，超聲在異質(zhì)薄層處會產(chǎn)生多次反射以及聲波的疊加，超聲在異質(zhì)薄層處的聲壓反射率可根據(jù)式(1)來計算。

(1)

圖3 多孔層板缺陷超聲反射示意

式中：R為聲壓反射率；m為多孔層板與缺陷的聲阻抗比值；d為缺陷厚度；λ為超聲波長；f為超聲工作頻率；v為聲速。

根據(jù)式(1)以及材料聲速、聲阻抗等聲學(xué)特性，建立不同超聲檢測頻率下多孔層板內(nèi)部氣隙寬度d(mm)與超聲反射率的對應(yīng)關(guān)系。圖4所示為超聲檢測頻率在2，10，50 MHz時，缺陷厚度(氣隙寬度)與超聲脈沖信號在缺陷界面的反射系數(shù)的關(guān)系。從圖4中可以看出，選擇高頻率的超聲換能器時,超聲波的波長短，發(fā)現(xiàn)小缺陷的能力強。故從多孔層板焊接界面的檢測靈敏度考慮，應(yīng)選擇頻率盡可能高的換能器。

圖4 不同頻率探頭的聲壓反射系數(shù)

在常規(guī)水浸平探頭的聲場中，聲束寬度約為換能器的直徑。對小缺陷而言，聲波傳播到缺陷上的能量只是整個聲束能量中很小的一部分，缺陷反射能力小，信噪比差，無法對缺陷進(jìn)行有效識別。而通過帶有聚焦透鏡的超聲換能器，透鏡的聚焦作用可減小聲束發(fā)散寬度，增大焦點處的能量，提高信噪比。同時，采用小聲束直徑的換能器，可以有效區(qū)分焊接面與內(nèi)表面的反射信號，從而實現(xiàn)對焊接面質(zhì)量的評估。圖5為常規(guī)水浸平探頭超聲檢測示意，圖6為小焦點聚焦探頭超聲檢測示意，從圖中可以看出，聚焦探頭可以有效地提高檢測小缺陷的能力。

圖5 常規(guī)探頭超聲檢測示意

圖6 聚焦探頭超聲檢測示意

聚焦聲場特性的主要參數(shù)對應(yīng)關(guān)系如式(2)，(3)表示。

L=4λ(F/D)2

(2)

φ=λ(F/D)

(3)

式中：L為焦區(qū)長度；φ為焦點直徑；λ為波長；F為焦距；D為換能器直徑。

對頻率為50 MHz，晶片直徑為3 mm，焦距為24 mm的聚焦探頭而言，焦點處聲束直徑為0.24 mm，有效地提高了焦區(qū)內(nèi)小缺陷的檢測靈敏度。同時聲波集中，減少了擾流柱邊緣干擾信號，提高了信噪比。

2 試驗結(jié)果

2.1 多孔層板試樣的超聲檢測

多孔層板TLP擴(kuò)散焊試樣的制作采用機(jī)械加工平底孔的方式，材料為GH188，尺寸(長×寬×厚)為160 mm×110 mm×1.2 mm，在擾流柱上機(jī)加深度為0.45 mm，直徑為0.2,0.4 mm的平底孔預(yù)制缺陷各一排，制備的人工缺陷分部位置如圖7所示。

圖7 多孔層板試樣缺陷位置示意

圖8 試樣的高頻超聲C掃描檢測結(jié)果

采用超聲高頻、小焦點聚焦探頭及高分辨率超聲C掃描檢測技術(shù)相結(jié)合的方式，對焊接面進(jìn)行高分辨率C掃描檢測，來識別多孔層板焊接面缺陷。圖8所示為試樣的高頻超聲C掃描檢測結(jié)果，檢測用探頭頻率為50 MHz。從超聲成像結(jié)果中可以清楚地分辨出預(yù)制的φ0.2 mm孔和φ0.4 mm孔缺陷(見圖8標(biāo)識位置處)。

試驗結(jié)果表明：超聲脈沖反射法可以有效檢測出預(yù)制缺陷，檢測靈敏度優(yōu)于φ0.2 mm。

在檢測過程中，通過對圖像與結(jié)構(gòu)的對比分析來判斷每個焊柱焊接面的焊接情況，實現(xiàn)多孔層板焊接質(zhì)量的有效評估。檢測時需調(diào)節(jié)水距，將聚焦探頭的焦點聚焦在焊接界面，以提高識別小缺陷的能力，對整個試樣進(jìn)行100%掃查。

2.2 多孔層板零件的超聲檢測

基于超聲脈沖反射法，對某一帶有自然缺陷的試樣進(jìn)行高分辨率超聲C掃描檢測，檢測結(jié)果如圖9所示，從圖中可以看出，試樣層板-層板A2處存在異常的聲波信號反射，排除干擾信號的影響后反射信號依然存在。對帶有繞流柱的B2、B3區(qū)域檢測也發(fā)現(xiàn)存在未焊合的缺陷。

圖9 多孔層板局部高分辨率C掃描檢測結(jié)果

圖10 多孔層板局部放大C掃描結(jié)果及超聲信號

圖10是多孔層板焊接結(jié)構(gòu)C掃描檢測結(jié)果的局部放大圖及超聲信號。從圖10中可以看出，焊接良好時，在始波和底波間未出現(xiàn)缺陷信號;若存在未焊合缺陷時，缺陷會在始波和底波間產(chǎn)生一反射脈沖信號，引起波形變化。焊接良好區(qū)與未焊合區(qū)焊接面超聲信號波形判別明顯，說明采用高分辨率C掃描檢測技術(shù)可以有效地識別焊接面的未焊合缺陷。

為了驗證超聲C掃描檢測結(jié)果的可靠性，對典型區(qū)域進(jìn)行解剖，觀察斷面金相顯微結(jié)構(gòu)。選取層板-層板、繞流柱-層板的焊合處和未焊合的自然缺陷處，選取位置如圖9所示，具體位置為層板-層板焊合良好區(qū)A1、層板-層板未焊合區(qū)A2、繞流柱-層板焊合區(qū)B1、繞流柱-層板焊合區(qū)B2/B3，各典型區(qū)域的特征分析及金相結(jié)果如下。

2.2.1 層板-層板焊合區(qū)

超聲C掃描檢測結(jié)果中A1區(qū)顯示黑色，說明此處聲波透射性能良好，層板-層板焊接良好。對該區(qū)域進(jìn)行金相解剖顯微觀察，金相結(jié)果如圖11所示，結(jié)果表明層板-層板焊接界面焊合良好。

圖11 層板-層板局部焊合區(qū)域金相形貌

2.2.2 層板-層板未焊合區(qū)

對層板-層板未焊合區(qū)A2處進(jìn)行金相解剖驗證，金相檢驗結(jié)果如圖12所示,可以看出，A2處存在明顯的缺陷，兩層層板之間存在未焊合缺陷。層板實際的焊接狀態(tài)與超聲檢測結(jié)果相一致。

圖12 層板-層板未焊合區(qū)域金相形貌

2.2.3 繞流柱-層板焊合區(qū)

超聲C掃描檢測結(jié)果中B1區(qū)顯示黑色，厚度與整個層板的相一致，說明此處聲波透射性能良好，未有異質(zhì)界面產(chǎn)生反射，繞流柱-層板焊接良好。對該區(qū)域擾流柱-層板焊接界面進(jìn)行金相解剖顯微觀察，金相形貌如圖13所示，結(jié)果表明擾流柱-層板焊接界面焊合良好，沒有裂紋等缺陷。

圖13 繞流柱-層板局部焊合區(qū)域金相形貌

2.2.4 繞流柱-層板未焊合區(qū)

從超聲C掃描檢測結(jié)果中看出,B2、B3區(qū)含有未焊合良好區(qū)，此局部位置處,聲波在傳播過程中遇到與材料不同聲阻抗的界面，聲波產(chǎn)生反射信號。對相應(yīng)層板區(qū)域進(jìn)行解剖及金相觀察，金相檢驗形貌如圖14所示，可見該處的擾流柱-層板焊接區(qū)域存在未焊合缺陷。

上述多孔層板典型區(qū)域的超聲檢測試驗及金相檢驗結(jié)果表明：高頻超聲C掃描檢測結(jié)果圖像與層板實際焊接質(zhì)量具有較好的一致性，所采用的檢測方法與缺陷判別方法可以對層板-層板、繞流柱-層板進(jìn)行有效地判斷，所建立的超聲檢測工藝具有可靠性與準(zhǔn)確性。

圖14 繞流柱-層板未焊合區(qū)域金相檢驗形貌

3 結(jié)語

(1) 采用高頻、小焦點的聚焦探頭檢測多孔層板，能夠有效地檢測出直徑為0.2 mm的人工預(yù)制缺陷，具有很好的分辨能力。

(2) 采用高分辨率超聲C掃描檢測技術(shù)，能對多孔層板類零件的焊接質(zhì)量進(jìn)行有效評估，實現(xiàn)零件的自動化檢測。