摘要:以某封严环组件为研究对象,采用水浸超声检测技术,通过监测结合层处的超声回波幅值来分析检测分辨率和穿透力,进而评判真空钎焊结合质量。试验分析得出环状高温合金真空钎焊件的最佳检测参数,并将其运用于实际零件检测。检测结果表明,超声检测能及时发现焊接质量不良位置,具有一定的应用价值。
关键词:真空钎焊;超声检测;影响因素;检测参数
中图分类号:TG.28文献标志码:A文章编号:-()07--04
真空钎焊是在真空中进行钎焊的工艺,其利用液态钎料润湿基体金属表面,依靠毛细吸附作用将钎料吸附到接头的紧密配合面上。钎焊过程处于真空环境下,可以有效地排除空气对焊接的影响,提高焊缝质量和产品的抗腐蚀性,获得高强度、光亮致密的接头,因此,该焊接方法广泛用于现代航空发动机制造中。真空钎焊的工艺特点难以保证零件焊缝不产生钎料流淌现象,因此需采用合适的无损检测方法来检测焊缝,以确保零件安全有效[1-4]。
文章以某封严环组件(由真空钎焊而成)为试验研究对象(见图1),其外环为GH锻造高温合金,内环为Cu-Ag-Zn铸造合金,试验拟采用水浸超声检测技术对焊缝进行检测。
1超声检测的可行性分析
1.1检测对象
真空钎焊加工过程中,受钎焊间隙过大、钎焊面局部氧化、钎料量不足、真空度较差等因素影响,零件加工完成后可能出现未焊合、气孔等缺陷,即高温合金外环与内环完全没有焊好(无钎料),或者钎料层存在未焊合、气孔等缺陷。典型真空钎焊缺陷外观如图2所示。
1.2检测技术
通过对该类钎焊零件的结构及工艺分析可知,高温合金外环与内环真空钎焊部位可能出现的未焊合、气孔等缺陷均为面积型缺陷(即厚度方向的尺寸很小)[5-7],而超声检测对面积型缺陷较敏感,因此用该方法来检测环状高温合金钎焊件的焊接质量比较合适。
1.3检测原理
当高温合金未进行钎焊时,超声波入射至外环并传播到内壁,在内壁处被反射回来产生内壁回波。锻件组织均匀,对超声波的衰减基本一致,因此内壁各个部位的回波幅值大致相等(见图3,图中C扫描图像用颜色灰度表示回波幅值,图中可见内壁各个部位回波幅值基本一致),通常把该回波幅值设置为%FSH(满屏高度)[8]。
外环与内环钎焊后,当超声波入射至外环并传播到内壁(即外环与内环钎料填充位置)时,若外环与内环结合层未填钎料(即内外环未焊合),则所有超声波在结合层处被完全反射回外环,故结合层处的反射回波幅值很高,相当于未钎焊外环的内壁回波幅值,即%FSH;若外环与内环结合较好,则部分超声波将穿过钎料继续向内环传播,小部分反射回外环,因而结合层处的反射回波幅值较低;若外环与内环部分未结合,则小部分超声波进入钎料,大部分超声波在结合层处被反射回外环,故结合层处的反射回波幅值介于上述两种情况之间。钎焊后环状零件的超声检测如图4所示。
2检测试验
2.1主要影响因素及其控制
2.1.1检测分辨率
由于超声波入射面为外环,而对钎焊质量的评判只要监测结合层处超声回波的幅值,若外环厚度太小,则无法分辨出结合层处的回波,因此可考虑使用较高检测频率、小焦点的聚焦探头进行检测,以保证检测精度。
2.1.2穿透力
当外环锻件壁厚较大,且本身的材料对超声波衰减较大时,若采用太高的检测频率,可能造成超声波的穿透力不够。应结合实际被检零件的具体情况综合考虑,再确定检测方案与技术参数。
2.1.3钎焊结合层回波
外环材料为高温合金,内环为铸造金属,二者声阻抗存在差异,当超声波束入射到两种合金界面时会产生反射信号,进而影响缺陷信号的识别。考虑到这些影响因素,检测时应选择合适的检测条件(包括仪器、探头、检测参数等),同时采用正确的评定方法,以保证检测的可靠性。
2.2检测工艺的确定
2.2.1检测参数的选择
为研究探头聚焦效果的影响,分别采用5MHz聚焦探头、5MHz平探头对试件进行检测(聚焦探头聚焦于零件表面),并对二者的检测结果进行比较(见图5,图中红色表示检测区域结合不良)。聚焦探头发现1#位置结合不良,而平探头未能检测出该缺陷。由此可见,聚焦探头具有聚焦区域内声场集中、焦点位置声束直径较小的特点,对于尺寸较小的缺陷检测非常有利。
为研究探头焦距的影响,分别采用10MHz焦距2″(即探头标称焦距为2inch,1inch=25.4mm,下同)和10MHz焦距3.5″的探头对试件进行检测,焦点均位于钎焊层。对检测结果进行比较(见图6),并通过金相剖切验证,发现2#,3#部位结合不良,10MHz焦距3.5″探头未能分辨该缺陷。对于一定晶片直径的探头,焦距越长则焦区长度越大,焦点直径也越大,但横向分辨率降低且焦点附近的能量聚集效果也变差。当钎焊基体厚度为1~6mm时,采用10MHz焦距2″的探头较为合适,当基体厚度大于6mm时,采用10MHz焦距3.5″探头更合适。
为研究探头焦点位置的影响,采用10MHz焦距2″探头进行检测,聚焦位置分别为零件表面和钎焊层部位,并对两种情况的检测结果进行比较(见图7)。通过金相剖切发现,4#部位存在密集型小缺陷,焦点位于零件表面时未能分辨该缺陷。该结果表明,检测一定深度位置的缺陷时,焦点位于零件内部可以提高检测分辨率。
2.2.2穿透力参数
分别采用10MHz焦距3.5″和5MHz焦距3.5″探头对同一缺陷进行检测,并对检测结果进行比较(见图8)。结合金相剖切结果进行分析,发现两个探头的检测结果差异不大。封严环组件壁厚为5mm,在这两个频率下材料中的超声波衰减差异不明显,但10MHz探头的分辨率略微好于5MHz探头的分辨率,可见,在零件厚度不大的情况下,10MHz探头的分辨率更优。
2.2.3钎焊结合层回波幅值的确认
通过监测钎料层处超声回波的幅值,就能判断钎焊质量的优劣。文章模拟不同条件制作了一系列的包含不同缺陷的Cu-Ag-Zn真空钎焊试件,先对其进行超声检测,记录下不同区域的反射波幅值,再针对这些部位进行金相解剖检验,比较不同波幅对应的实际钎焊质量情况,最后发现,可以用50%FSH作为焊合与否的评判标准,即钎焊处超声回波的幅值不大于50%FSH时,可认为钎焊质量优,钎料层处超声回波的幅值大于50%FSH时可判定为未焊合缺陷。
2.3试验分析
环状高温合金真空钎焊零件的超声C扫描检测宜采用水浸点聚焦探头,聚焦位置应选择为钎焊结合面以保证该区域的检测信噪比最佳。检测频率通常为10MHz,检测频率越高,纵向分辨率越好,越能发现较小的未焊合间隙;当基体厚度较大时,为保证超声波的穿透能力,宜采用5MHz作为检测频率。
3结语
通过试验验证了环形真空钎焊焊缝超声C扫描检测的可行性。焊缝位于环形高温合金内部,为保证检测分辨率,应根据零件的形状选择合适的探头焦距及焦点位置,同时为保证超声波的穿透力,应根据不同零件厚度选取与之匹配的频率,最终通过钎焊面不同的回波幅值来评判焊缝质量。
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文章来源材料与测试网期刊论文无损检测44卷7期(pp:42-45)
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