6063 鋁合金釬焊板的超聲波C 掃描檢測(cè)研究

萬(wàn)策，張建衛(wèi)，沈海紅，張玉斌，周祥琦

（鋼研納克檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，北京 100081）

由于鋁合金有一系列比其他非鐵金屬、鋼鐵、塑料和木材等更優(yōu)良的特性，如密度小、耐腐蝕、可塑性好和焊接性能等，因此在航天航空、國(guó)防軍工、汽車橋梁等多個(gè)領(lǐng)域都獲得了廣泛應(yīng)用。加入了Mg、Si 等元素的鋁合金被稱為6000 系列，它具有比4000/5000 系列更好的耐腐蝕、抗氧化性能。本文中所采用的工件的即為6063 鋁合金材料。鋁合金釬焊板由于采用釬焊方法連接成型，其具有更高的連接強(qiáng)度而成為主要發(fā)展方向。其中釬著率是關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)之一，釬著率的高低會(huì)嚴(yán)重影響后續(xù)釬焊的質(zhì)量；因此，對(duì)鋁合金釬焊板進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，具有重要的工程意義。C 掃描超聲波檢測(cè)技術(shù)由于具有方便、高效、安全等優(yōu)點(diǎn)，作為復(fù)合材料檢測(cè)的新應(yīng)用在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。

1 材料與方法

1.1 試樣制備

本文中采用未焊接的6063 鋁合金為試樣母材，其加工尺寸為40mm×40mm×10mm。因當(dāng)超聲波遇到較為粗糙的表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量無(wú)序且高度較高的反射波，會(huì)嚴(yán)重影響C 掃描測(cè)試圖像質(zhì)量。試樣須在機(jī)加工后用200 ～600 目細(xì)砂紙打磨上下待檢測(cè)面，而后用酒精清洗以確保檢測(cè)面粗糙度不能大于1.6um。最后在試樣幾何中心位置加工一個(gè)深5mm，直徑0.8mm 的平底孔作為人工缺陷用來(lái)驗(yàn)證設(shè)備和檢測(cè)參數(shù)。

1.2 設(shè)備

超聲C 掃描系統(tǒng)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。本文中采用的美國(guó)物理聲學(xué)公司（PAC）生產(chǎn)的多軸自動(dòng)超聲波水浸掃描系統(tǒng)如圖1 所示，該系統(tǒng)由工業(yè)計(jì)算機(jī)、高性能超聲脈沖發(fā)射采集卡( 可達(dá)30MH 帶寬)、5 軸機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金釬焊板的步進(jìn)式精確定位。在超聲C掃描檢測(cè)過(guò)程中，每個(gè)步進(jìn)掃描點(diǎn)會(huì)自動(dòng)截取A 掃描信號(hào)并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，用于掃描完成后專用探傷軟件的記錄和數(shù)據(jù)分析。

圖1 多軸自動(dòng)超聲波水浸掃描系統(tǒng)

2 掃描試塊

2.1 檢測(cè)程序

實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)整探頭G 軸使探頭聲速軸線與6063 鋁合金表面垂直，調(diào)整水距使焦點(diǎn)落在焊縫面上，初始水距可以按照公式（1）計(jì)算水距：

式中，W 為水距，mm；F 為探頭在水中的焦距，mm；C材為材料中縱波聲速，m/s；C水為水中縱波聲速，m/s。

本實(shí)驗(yàn)中采用的是焦距為3 英寸頻率為10M 的聚焦探頭，根據(jù)以上公式計(jì)算出最佳水距為36.2mm。因探頭具有出廠誤差，須在初始水距的基礎(chǔ)上，再次調(diào)節(jié)水距使底波幅度達(dá)到最大，該水距才是最終的工作水距。掃描過(guò)程中，工作水距的最大偏差不應(yīng)超過(guò)±3mm。在工作水距下將單層板底面的反射信號(hào)調(diào)整到滿刻度80%～100%，作為檢測(cè)靈敏度。超聲C 掃描檢測(cè)路徑如圖2 所示。

圖2 超聲探頭掃描路徑示意圖

2.2 對(duì)比試樣掃描分析

超聲C 掃描成像分辨率以及掃描速度直接影響超聲探傷的位置精度和檢測(cè)效率，是影響超聲探傷質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)。超聲探傷成像分辨率與檢測(cè)效率呈負(fù)相關(guān)，掃描速度與檢測(cè)效率呈正相關(guān)，同時(shí)分辨率與檢測(cè)精度呈正相關(guān)，掃描速度與精度呈負(fù)相關(guān)。該對(duì)比試樣采用C 掃描方式進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，設(shè)置X、Y 軸分辨率分別為0.2mm、0.4mm、0.8mm，掃描速度為分別為10mm/s、20mm/s、40mm/s，分9 種情況測(cè)試探傷效果和探傷時(shí)長(zhǎng)。結(jié)果如表1 所示。

表1 不同分辨率、掃描速度下C 掃描結(jié)果

通過(guò)測(cè)試確定分辨率0.4mm、掃描速度20mm/s 的情況下，C 掃描時(shí)長(zhǎng)適中、傷波顯示明顯、占用電腦空間較小、工件外形輪廓成像基本準(zhǔn)確，人工缺陷重影現(xiàn)象較小、圖像放大后為明顯的圓形。在該設(shè)置下掃描結(jié)束后，采用“-6dB 法”或者其他類似方法進(jìn)行缺陷大小的判定和缺陷位置的標(biāo)記。如圖3 所示為試樣掃描圖和缺陷放大圖，在C 掃描圖上通過(guò)軟件測(cè)量缺陷直徑大小為0.82mm，滿足±10%的誤差要求。在實(shí)物上進(jìn)行標(biāo)記和實(shí)際位置相差0.3mm。

圖3 試樣C 掃描示意圖

3 生產(chǎn)工件的檢測(cè)

當(dāng)超聲波穿透聲阻抗分別為Z1 和Z2 的兩種不同介質(zhì)材料時(shí)，超聲波的反射率R 計(jì)算公式如下：

由式（2）可知，當(dāng)超聲波穿越釬焊層遇到缺陷(主要為虛焊造成的氣孔或真空)時(shí)，由于上下面鋁合金的密度遠(yuǎn)大于氣體密度，鋁合金材料的聲阻抗又遠(yuǎn)大于氣體的聲阻抗，此時(shí)，會(huì)形成一個(gè)較高的反射波，甚至比底波要高。C 掃描時(shí)需要檢測(cè)的就是釬焊層的反射波高度(如圖4 所示)。

圖4 釬焊處超聲波反射信號(hào)

本實(shí)驗(yàn)選取同一批次的25 件鋁合金釬焊板成品工件中的一件，其尺寸為80mm×20mm×20mm，為了較清晰地顯示釬焊缺陷邊界信息，實(shí)現(xiàn)鋁合金釬焊板連接面積的定量化分析，可以通過(guò)設(shè)置高通濾波和低通濾波的數(shù)值，有效減少A 掃描原始圖像中的尖銳噪聲點(diǎn)，使轉(zhuǎn)換后的C 掃描圖像更加平滑，以減少測(cè)量誤差。

在統(tǒng)計(jì)鋁合金釬焊板缺陷面積時(shí)，首先要確定缺陷邊界，在檢測(cè)靈敏度時(shí)如果正常部位的反射波高度不大于10%，可將反射波高度40%作為缺陷邊界，如果有反射波高度超過(guò)80%區(qū)域則直接判廢,根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際需求，一般缺陷面積不能超過(guò)整個(gè)釬焊面積的15%為合格。

圖5 所示為打開(kāi)濾波后的原始圖像和分區(qū)圖像，原始圖像用于缺陷的具體定位，分區(qū)圖像分成0%～40%、40%～80%、80%～100% 3 個(gè)區(qū)域用于缺陷面積的測(cè)量。由于在鋁合金釬焊板邊界處界面波會(huì)出現(xiàn)高度隨機(jī)變化的情況，形成的C 掃描圖無(wú)法形成符合實(shí)際大小的長(zhǎng)方形圖像，須通過(guò)軟件在分區(qū)圖像上直接測(cè)量出超標(biāo)范圍的面積，再除以1600mm2（80mm×20mm）。該成品工件釬焊超標(biāo)面積為59.2mm2，釬焊接率為96.3%。

圖5 鋁合金釬焊板C 掃描圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）使用圖像處理后，通過(guò)專用探傷軟件在C 掃描圖中測(cè)量的人工缺陷值和實(shí)測(cè)值基本吻合，絕對(duì)誤差不超過(guò)±10%，實(shí)現(xiàn)了鋁合金釬焊板人工缺陷的成像與定位。說(shuō)明在本文探討的試驗(yàn)條件下，該超聲波C 掃描檢測(cè)方法具有非常高的探傷精度和定位精度。

（2）在對(duì)該批次25 件工件檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，所有的釬焊缺陷都集中在工件的幾何中心附近，越靠近邊緣釬焊率越高，可達(dá)100%，符合釬焊工藝中中心釬焊溫度較低或分布不均勻的規(guī)律。

（3）通過(guò)提取鋁合金釬焊板釬焊處的一次超聲反射波圖像來(lái)構(gòu)建超聲C 掃描圖像，匹配以適當(dāng)?shù)臑V波、速度和分辨率，通過(guò)設(shè)置圖像閘門可以獲得清晰的釬焊缺陷邊界，大幅度降低接觸法檢測(cè)造成的誤差，確定了在粗糙度小于1.6um、厚度20mm 范圍下，適用于6063 鋁合金釬焊板材料的C 掃描超聲探傷方法，為計(jì)算釬焊缺陷面積提供了量化數(shù)據(jù)，同時(shí)，為釬焊缺陷超標(biāo)工件的再回收定量評(píng)價(jià)提供了一定的依據(jù)。