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铝合金异型模锻件是应用于航空工业的重要材料。随着国防及航空科技的高速发展, 特别是在一号工程的实施过程中, 对其内部质量的检验, 明确提出必须采用水浸探伤法进行100%检验。由于各种客观条件的限制, 凸凹弧面区域的检测还没有找到有效的方法, 为了准确的检出这一区域的内部缺陷, 提出研究异型模锻件凸凹弧面区超声波检测方法。
1、异型模锻件凸凹弧面区内部缺陷的形态
了解异型模锻件内部缺陷的性质和形态了是确定检测方法的关键。经过多年来对模锻件内部缺陷
的剖伤, 总结出其内部缺陷多为氧化膜、夹杂等。其截面近乎与圆弧面平行。
2、超声波水浸探伤原理
超声波水浸探伤是以水作为祸合介质, 使声波有效进人工件中的一种探头与工件非接触式的检测方法。祸合方式分为全浸和局浸, 水浸法与接触法相比, 具有波形稳定、不磨损探头、灵敏度高、分
辨力强、波束可控性好、受工件表面粗糙度影响小、易于实现自动化、尤其适合于几何形状较复杂
工件的检测等特点, 在无损检测领域得到了广泛的应用。在水浸探伤中, 由于声波要通过一定厚度的
水层再进人工件, 因此, 声场的特性将发生改变,充分了解在不同条件下工件内的声场分布特性, 是
水浸探伤方法确定的关键。
2.1 水浸伤中声场的分布超声波在传播过程中, 当声程大于近场长度时, 声束开始扩散, 在水浸探伤中, 由于水与工件的声速相差较大(C铝≈C水), 根据折射定律, 声束将再次扩散, 指向性变差, 如图１书馆所示：
现以5P∅6N探头为例说明指向性变化的程度。在水中由指向角公式
当工件检测面为凸弧面时, 声束扩散更加明显, 如图2所示。而检测面为凹弧面时, 声束向轴心聚焦, 如图3所示。
2.2 水对检测效果的影响在水浸探伤中, 水温、水质、水层厚度等都将直接影响检测效果。水温过高, 水流动性变大, 导致回波不稳、噪声严重, 影响缺陷判定水中存在杂质或气泡, 将附着在晶片或工件表面上, 使检测灵敏度降低水层过薄导致工件底面回波置于二次面波之后, 无法判定缺陷水层过厚, 声能衰减严重, 使灵敏度降低。最佳水层厚度可由下面公式确定
通常我们采用一次重合法, 即一次底波与二次界面波重合, 如图4所示。
２．３水漫策焦探头结构
水浸聚焦探头是由平直探头和声透镜, 外加防水护套构成的。声透镜材质的声速大于水中声速,
可使声束在水中聚焦, 如图５所示。
２．４聚焦声场及焦距
声束聚焦可通过两种方式实现, 当平面波束人射到（Ｃ１＞Ｃ２）的凸透镜上时如聚焦探头, 可产生聚焦, 当声束入射到（Ｃ１＜Ｃ２）的凹透镜上时也可以产生聚焦, 如图６、图７所示
图７：Ｃ１＜Ｃ２时凹透镜聚焦声场
由几何光学原理, 声束折射后会聚焦为一个点, 实际上由于声波的波动性, 在焦点附近声波将产生干涉, 使声束聚焦在一个区域内, 该区呈柱状, 其声柱的中心焦距、长度和直径可由以下公式计算
３ 凸凹弧面工件内部缺陷检侧试验
根据聚焦声场的形成原理、分布特点及模锻件凸凹弧面区域内部缺陷的形态, 从理论上讲, 聚焦探头较适合于凸弧面检测, 平直探头较适合于凹弧面检测, 而实际检测结果与理论结果将存在一定的差异, 相差量值必须通过试验才能确定。目前, 对缺陷大小的判定是采用平底孔当量对比法, 因此,我们将通过对凸凹弧面区不同声程人工孔的检测试验, 来确定该区域内自然缺陷与平面对比试块平底孔回波高度的补偿量值。
3.1试验条件
3.1.1 探头:S5P∅6N、S5P∅8N、S5P∅10N、S5P∅14N、S5P∅10R10X。
3.1.2 藕合剂:20℃的水(无气泡)。
3.1.3 耦合方式:全浸式。
3.1.4 仪器:CTS-26。
3.1.5 试样:HC一L一063 对比试块:自制∅2平底孔平面试样自制必平底孔凹弧面试样自
制必平底孔凸弧面试样。
3.2 相关系数
3.2.1 水层厚度
由公式H≥1/4n,及异型模锻件凸凹区域常见厚度, 并考虑厚度变化, 通常水层厚度按H≥1/4n,
计算, 见表1.
3.2.2试样几何参数
凹弧面试样:曲率半径为R25mm;厚度15-40mm.
凸弧面试样:角曲率半径约为R5mm;宽度约10mm,为, 厚度15-40mm。
3.3 试验步骤
3.3.1 测定自制平面试样必平底孔与HC一L一063对比试块必平底孔回波高度差, 以确定自制
平底孔的精度。
3.3.2测定自制凹弧面试样平底孔与HC一L一063对比试块必平底孔回波高度差, 以确定补偿量值.
3.3.3测定自制凸弧面试样必平底孔与HC一L一063对比试块必平底孔回波高度差, 以确定补偿量值。
3.4 检测试验及结果比较评析
按照试验步骤, 首先对自制平面试样与HC一L一063试块必平底孔回波高度进行了测定比较,
结果表明, 最大回波高度偏差≤0.5dB, 平均偏差≤0.2dB, 不影响检测效果。在此基础上, 我们对凸凹弧面试样的平底孔、HC一L一063试块平底孔进行了回波高度对比试验, 结果见表2。
从表2可以看出, 在凹弧面试样上, 平直探头比线聚焦探头的检测灵敏度高在凸弧面试样上,线聚焦探头比平直探头的检测灵敏度高, 但是线聚探头有方向性。直径较大的平直探头因始波较宽, 使得小平底孔难以分辨, 同时还看到两种探头的检测灵敏度都与在平面试块上的检测灵敏度存在一定的差异。经分析, 上述结果是由于在不同的试样内声场分布的不同而产生的。
4结论
本文通过凸凹弧面试样与HC一L一063对比试块必平底孔回波高度的对比试验及结果评析,得出如下结论对于凹弧面工件, 晶片直径较小的平直探头具有灵敏度较高、盲区小、分辨力强等优点, 综合声束覆盖率、指向性、检测兼容性、灵敏度衰减梯度等因素, S5P∅6N探头效果较好对于凸弧面工件, S5P∅10R10X探头效果较好。但是两种探头的检测灵敏度与同条件下HC一L一063试块的检测灵敏度都存在一定的偏差, 即在相同检测灵敏度下, 等当量反射体的回波高度却不同最偏差10dB。因此, 在实际检测中, 必须按照不同情况下回波高度偏差量进行补偿, 才能准确评定缺陷当量, 这一结论为异型模锻件凸凹弧面区域内部缺陷的当量评定提供了重要的科学依据。当然配置一套凸凹弧面标准平底孔对比试块, 会使缺陷当量的评定更加直观、快捷。
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