爆炸焊接復(fù)合板的超聲C掃描成像

王 茹，張 磊，吳江濤，劉燕平

(西安天力金屬?gòu)?fù)合材料股份有限公司，西安 710201)

爆炸焊接又稱為爆炸復(fù)合, 是一種固相焊接方法，其利用炸藥爆炸產(chǎn)生的沖擊力使工件迅速碰撞而實(shí)現(xiàn)復(fù)合，通常用于異種金屬(如鈦、銅、鋁、鎳和鋼等)之間的焊接。爆炸焊接技術(shù)突出的特點(diǎn)是能將采用常規(guī)焊接方法不能焊接在一起的兩種金屬牢固地焊接在一起[1]，在高壓作用下形成兩種金屬的冶金黏接，界面通常呈波紋狀。復(fù)合板的整體性能主要依賴于復(fù)合板波紋狀界面的結(jié)合情況，比如材料缺陷、板面、間隙、排氣等因素都可能影響復(fù)合板界面的形貌，使其出現(xiàn)局部沖刷條、熔化等結(jié)合不良的現(xiàn)象，直接導(dǎo)致復(fù)合板在后續(xù)機(jī)加工過(guò)程中開(kāi)裂。多種尺寸及用途的雙層金屬或多層金屬的爆炸焊接復(fù)合板已廣泛應(yīng)用于化工、特種設(shè)備和船舶等多個(gè)領(lǐng)域。目前，評(píng)價(jià)爆炸焊接工件結(jié)合面的結(jié)合狀態(tài)主要是通過(guò)掃描電鏡對(duì)結(jié)合面處材料的組織進(jìn)行觀察，但是這種方法屬于破壞性檢測(cè)，不適用于實(shí)際工件的大范圍檢測(cè)。超聲C掃描技術(shù)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制超聲波探頭位置的定向移動(dòng)，把被檢測(cè)工件某一深度區(qū)域范圍內(nèi)的缺陷直觀地顯示出來(lái)，是復(fù)合材料無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的新應(yīng)用[2]。筆者以多規(guī)格爆炸焊接鈦/鋼復(fù)合板為研究對(duì)象，通過(guò)研究成像方式、聚焦位置、探頭頻率等超聲C掃描特征成像工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)合板結(jié)合界面的清晰成像及對(duì)復(fù)合板大范圍結(jié)合狀態(tài)的質(zhì)量評(píng)價(jià)。

1 復(fù)合板結(jié)合狀態(tài)常規(guī)檢驗(yàn)方法

1.1 常規(guī)超聲波檢測(cè)

目前，復(fù)合材料行業(yè)內(nèi)對(duì)復(fù)合板基材與復(fù)材界面結(jié)合狀態(tài)的無(wú)損檢測(cè)方法主要為超聲檢測(cè)法。筆者公司根據(jù)NB/T 47013.3-2015 《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定對(duì)爆炸焊接復(fù)合板進(jìn)行超聲檢測(cè)，采用漢威HS610e等超聲波探傷儀，單晶直探頭頻率為2 MHz5 MHz，有效直徑為20 mm，一般從復(fù)材側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，耦合劑采用普通生活用水。該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)未結(jié)合區(qū)的超聲波形特征有明確規(guī)定：第一次底面回波高度低于顯示屏滿刻度的5%，且明顯有未結(jié)合缺陷回波存在時(shí)(回波高度不小于滿刻度的5%)，該部位為未結(jié)合缺陷區(qū)。

然而，實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中常出現(xiàn)介于完全結(jié)合與未結(jié)合之間的異常超聲波形，將出現(xiàn)該波形的部位復(fù)層撕開(kāi)后，發(fā)現(xiàn)基、復(fù)層結(jié)合界面的波紋模糊甚至消失，存在焊化物夾渣，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，將該區(qū)域判定為結(jié)合不良，其分布較為規(guī)律，主要存在于板面邊緣，雖然該缺陷并非完全脫黏，但是對(duì)復(fù)合板的后續(xù)機(jī)加性能存在較大隱患。

1.2 復(fù)合板基復(fù)層界面的金相檢驗(yàn)

對(duì)常規(guī)超聲波檢測(cè)顯示結(jié)合狀態(tài)良好的區(qū)域進(jìn)行金相檢驗(yàn)，其基復(fù)層界面呈現(xiàn)典型的金屬爆炸焊接復(fù)合波紋界面特征，鈦、鋼界面金相檢驗(yàn)結(jié)果如圖1(a)所示，鈦和鋼界面形成了比較理想的帶漩渦的小波形，結(jié)合狀態(tài)良好。對(duì)結(jié)合不良區(qū)域進(jìn)行金相檢驗(yàn)分析，結(jié)果如圖1(b)所示，在特征界面處的漩渦小波處存在熔化層等影響結(jié)合界面強(qiáng)度的夾渣物。復(fù)合界面的金相檢驗(yàn)可以較為準(zhǔn)確地對(duì)結(jié)合狀態(tài)進(jìn)行判別，然而實(shí)際情況表明，復(fù)合板實(shí)際生產(chǎn)工作量巨大，且金相法屬于破壞性檢驗(yàn)方法，檢驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)。

圖1 鈦/鋼界面金相檢驗(yàn)結(jié)果

2 爆炸焊接復(fù)合板結(jié)合界面的超聲C掃描成像檢測(cè)方法

2.1 界面波幅值成像

當(dāng)復(fù)合板的內(nèi)部或者結(jié)合面存在缺陷時(shí)，超聲波到達(dá)復(fù)合層以及復(fù)合板底面的能量減少，界面波與底面回波的幅值下降，且缺陷越大，幅值下降越多。對(duì)采集到的復(fù)合板C掃描界面波或底面回波的幅值進(jìn)行處理，即形成幅值成像。然而，由于爆炸焊復(fù)合板的特殊性(復(fù)層較薄、一次底波衰減較大等)，其他的成像方式，如聲速成像和衰減成像并不適用于此處。結(jié)合筆者單位目前的自動(dòng)化探傷設(shè)備的固有參數(shù)，一次底波成像的效果遠(yuǎn)差于界面波幅值成像，因此確定采用界面波幅值成像的方式進(jìn)行檢測(cè)。

2.2 掃查頻率的確定

在進(jìn)行C掃描成像前首先要確定掃查頻率，確定掃查復(fù)合板的復(fù)層厚度后，根據(jù)復(fù)層厚度選擇掃查頻率。一般情況下，成像的效果與焊層界面回波的幅值成正比。復(fù)層厚度是探頭頻率選擇的重要因素，以此方法對(duì)其他各厚度進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，頻率高于10 MHz的探頭對(duì)主要規(guī)格的鈦/鋼復(fù)合板均可實(shí)現(xiàn)高分辨率的超聲C掃描成像。

2.3 聚焦位置的確定

探頭頻率選定后，需要確定水浸探頭的能量聚焦位置。成像效果與焊層界面回波的幅值成正比，且該聚焦位置對(duì)各種復(fù)層厚度的復(fù)合板均適用。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，聚焦在結(jié)合層時(shí)，掃查到的回波幅值是最高的，且C掃描成像圖更為清晰直觀地展示了結(jié)合層處波紋的情況。因此，鈦/鋼爆炸焊接復(fù)合板C掃描成像的聚焦位置選定在基復(fù)層結(jié)合界面處。

3 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

超聲C掃描成像試驗(yàn)的主要工藝參數(shù)為：成像方式選擇界面波幅值成像；探頭頻率選擇10 MHz；聲場(chǎng)聚焦位置選在基復(fù)層結(jié)合界面處。

3.1 超聲C掃描成像與實(shí)際界面樣貌對(duì)比

為了驗(yàn)證復(fù)合界面超聲C掃描成像的精確性，對(duì)選定試板進(jìn)行超聲C掃描成像后，機(jī)械撕開(kāi)復(fù)層材料，目視觀察復(fù)合界面的實(shí)際樣貌，并與超聲C掃描成像結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。被測(cè)試樣為鈦/鋼復(fù)合板，規(guī)格(長(zhǎng)×寬×高)為3/88 mm×800 mm×500 mm，材料為SB265 Gr1/SA516 Gr70。掃描長(zhǎng)度為100 mm，掃描寬度為100 mm。復(fù)合板界面的超聲C掃描成像結(jié)果如圖2所示，與圖3中復(fù)層撕開(kāi)后的實(shí)物圖相比對(duì)可以看出，超聲C掃描的界面成像圖與實(shí)物圖高度吻合。

圖2 復(fù)合板界面超聲C掃描成像結(jié)果

圖3 復(fù)合板復(fù)層撕開(kāi)后實(shí)物

3.2 超聲C掃描成像結(jié)果分析

從筆者公司目前主要生產(chǎn)的鈦/鋼復(fù)合板產(chǎn)品中取樣，進(jìn)行超聲C掃描成像檢測(cè)，設(shè)置掃描區(qū)域?yàn)?00 mm×100 mm(長(zhǎng)×寬)，采用弓字型運(yùn)動(dòng)軌跡循環(huán)的方式對(duì)復(fù)合板進(jìn)行掃描，水浸超聲探頭每次到達(dá)一個(gè)掃描點(diǎn)處，發(fā)射超聲波信號(hào)并沿復(fù)合板厚度方向傳播、反射，探頭接收到反射回波并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡傳輸給計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，得到復(fù)合界面的超聲C掃描成像結(jié)果，多個(gè)規(guī)格的復(fù)合板結(jié)合狀態(tài)良好的界面成像結(jié)果如圖4所示，結(jié)合不良、不結(jié)合狀態(tài)的界面成像結(jié)果如圖5所示。

圖4 多規(guī)格鈦/鋼復(fù)合板結(jié)合良好區(qū)域超聲C掃描成像結(jié)果

圖5 鈦/鋼復(fù)合板結(jié)合不良、不結(jié)合區(qū)域超聲C掃描成像結(jié)果

從圖4可以看出，基復(fù)層結(jié)合良好區(qū)域的波紋走向連續(xù)、清晰，實(shí)現(xiàn)了無(wú)破壞(不撕開(kāi)復(fù)層)的情況下，基復(fù)層界面的實(shí)際波紋成像。

從圖5可以看出:結(jié)合不良區(qū)域的波紋模糊甚至消失，結(jié)合不良與結(jié)合良好區(qū)的波紋銜接中斷；圖5(a)中顯示的結(jié)合不良區(qū)域的基復(fù)層結(jié)合面無(wú)波紋，界面較平整，圖5(b)中顯示的結(jié)合不良區(qū)域的基復(fù)層結(jié)合面無(wú)波紋，這是由于熔化物的存在導(dǎo)致界面粗糙不平。圖5(b)中顯示的不結(jié)合區(qū)由于基復(fù)層結(jié)合不良，存在空隙，超聲界面回波異常，一次底波消失，導(dǎo)致基復(fù)層結(jié)合面無(wú)波紋，顏色顯示較深，且不結(jié)合區(qū)域邊界明顯。

因此，超聲C掃描成像技術(shù)對(duì)復(fù)合板界面成像結(jié)果與實(shí)際復(fù)合界面樣貌高度吻合，以界面的超聲成像結(jié)果可以對(duì)實(shí)際的復(fù)合板界面結(jié)合狀態(tài)進(jìn)行有效評(píng)判。而且，超聲成像結(jié)果以非破壞性方式直觀地反映了爆炸焊接復(fù)合板的界面波形和形貌，不僅可以辨別復(fù)合板界面的不結(jié)合區(qū)域，而且可以對(duì)界面結(jié)合不良及完全結(jié)合處進(jìn)行直觀區(qū)分。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 分析了對(duì)復(fù)合板結(jié)合狀態(tài)檢驗(yàn)的主要方法以及存在的局限性。從超聲C掃描成像技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)爆炸焊接鈦/鋼復(fù)合板的應(yīng)用進(jìn)行了探討，針對(duì)公司主要產(chǎn)品類型，研究了超聲C掃描成像的主要工藝參數(shù)，采用高于10 MHz的超聲水浸點(diǎn)聚焦探頭，聚焦在結(jié)合層處，界面波幅值成像方式進(jìn)行檢測(cè)。

(2) 復(fù)合板界面超聲C掃描成像結(jié)果與實(shí)際復(fù)合界面樣貌高度吻合，從典型規(guī)格的鈦/鋼復(fù)合板以及典型結(jié)合類型的鈦/鋼復(fù)合板C掃描成像結(jié)果可以看出：結(jié)合良好部位的波紋走向清晰、連續(xù)；結(jié)合不良部位的波紋模糊甚至消失，界面平整度清晰可見(jiàn)；不結(jié)合區(qū)域無(wú)波紋，形成深顏色空洞，邊界明顯。

(3) 研究的超聲C掃描技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鈦/鋼復(fù)合板結(jié)合層的清晰成像，并對(duì)結(jié)合質(zhì)量實(shí)現(xiàn)了直觀、準(zhǔn)確地判別，是筆者單位以無(wú)損檢測(cè)方法評(píng)價(jià)爆炸焊接質(zhì)量的新突破，同時(shí)對(duì)爆炸復(fù)合工藝的改進(jìn)、復(fù)合板質(zhì)量的提高具有很大的指導(dǎo)意義。