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鋁合金異型模鍛件是應用于航空工業的重要材料。隨著國防及航空科技的高速發展, 特別是在一號工程的實施過程中, 對其內部質量的檢驗, 明確提出必須采用水浸探傷法進行100%檢驗。由于各種客觀條件的限制, 凸凹弧面區域的檢測還沒有找到有效的方法, 為了準確的檢出這一區域的內部缺陷, 提出研究異型模鍛件凸凹弧面區超聲波檢測方法。
1、異型模鍛件凸凹弧面區內部缺陷的形態
了解異型模鍛件內部缺陷的性質和形態了是確定檢測方法的關鍵。經過多年來對模鍛件內部缺陷
的剖傷, 總結出其內部缺陷多為氧化膜、夾雜等。其截面近乎與圓弧面平行。
2、超聲波水浸探傷原理
超聲波水浸探傷是以水作為禍合介質, 使聲波有效進人工件中的一種探頭與工件非接觸式的檢測方法。禍合方式分為全浸和局浸, 水浸法與接觸法相比, 具有波形穩定、不磨損探頭、靈敏度高、分
辨力強、波束可控性好、受工件表面粗糙度影響小、易于實現自動化、尤其適合于幾何形狀較復雜
工件的檢測等特點, 在無損檢測領域得到了廣泛的應用。在水浸探傷中, 由于聲波要通過一定厚度的
水層再進人工件, 因此, 聲場的特性將發生改變,充分了解在不同條件下工件內的聲場分布特性, 是
水浸探傷方法確定的關鍵。
2.1 水浸傷中聲場的分布超聲波在傳播過程中, 當聲程大于近場長度時, 聲束開始擴散, 在水浸探傷中, 由于水與工件的聲速相差較大(C鋁≈C水), 根據折射定律, 聲束將再次擴散, 指向性變差, 如圖１書館所示：
現以5P∅6N探頭為例說明指向性變化的程度。在水中由指向角公式
當工件檢測面為凸弧面時, 聲束擴散更加明顯, 如圖2所示。而檢測面為凹弧面時, 聲束向軸心聚焦, 如圖3所示。
2.2 水對檢測效果的影響在水浸探傷中, 水溫、水質、水層厚度等都將直接影響檢測效果。水溫過高, 水流動性變大, 導致回波不穩、噪聲嚴重, 影響缺陷判定水中存在雜質或氣泡, 將附著在晶片或工件表面上, 使檢測靈敏度降低水層過薄導致工件底面回波置于二次面波之后, 無法判定缺陷水層過厚, 聲能衰減嚴重, 使靈敏度降低。最佳水層厚度可由下面公式確定
通常我們采用一次重合法, 即一次底波與二次界面波重合, 如圖4所示。
２．３水漫策焦探頭結構
水浸聚焦探頭是由平直探頭和聲透鏡, 外加防水護套構成的。聲透鏡材質的聲速大于水中聲速,
可使聲束在水中聚焦, 如圖５所示。
２．４聚焦聲場及焦距
聲束聚焦可通過兩種方式實現, 當平面波束人射到（Ｃ１＞Ｃ２）的凸透鏡上時如聚焦探頭, 可產生聚焦, 當聲束入射到（Ｃ１＜Ｃ２）的凹透鏡上時也可以產生聚焦, 如圖６、圖７所示
圖７：Ｃ１＜Ｃ２時凹透鏡聚焦聲場
由幾何光學原理, 聲束折射后會聚焦為一個點, 實際上由于聲波的波動性, 在焦點附近聲波將產生干涉, 使聲束聚焦在一個區域內, 該區呈柱狀, 其聲柱的中心焦距、長度和直徑可由以下公式計算
３ 凸凹弧面工件內部缺陷檢側試驗
根據聚焦聲場的形成原理、分布特點及模鍛件凸凹弧面區域內部缺陷的形態, 從理論上講, 聚焦探頭較適合于凸弧面檢測, 平直探頭較適合于凹弧面檢測, 而實際檢測結果與理論結果將存在一定的差異, 相差量值必須通過試驗才能確定。目前, 對缺陷大小的判定是采用平底孔當量對比法, 因此,我們將通過對凸凹弧面區不同聲程人工孔的檢測試驗, 來確定該區域內自然缺陷與平面對比試塊平底孔回波高度的補償量值。
3.1試驗條件
3.1.1 探頭:S5P∅6N、S5P∅8N、S5P∅10N、S5P∅14N、S5P∅10R10X。
3.1.2 藕合劑:20℃的水(無氣泡)。
3.1.3 耦合方式:全浸式。
3.1.4 儀器:CTS-26。
3.1.5 試樣:HC一L一063 對比試塊:自制∅2平底孔平面試樣自制必平底孔凹弧面試樣自
制必平底孔凸弧面試樣。
3.2 相關系數
3.2.1 水層厚度
由公式H≥1/4n,及異型模鍛件凸凹區域常見厚度, 并考慮厚度變化, 通常水層厚度按H≥1/4n,
計算, 見表1.
3.2.2試樣幾何參數
凹弧面試樣:曲率半徑為R25mm;厚度15-40mm.
凸弧面試樣:角曲率半徑約為R5mm;寬度約10mm,為, 厚度15-40mm。
3.3 試驗步驟
3.3.1 測定自制平面試樣必平底孔與HC一L一063對比試塊必平底孔回波高度差, 以確定自制
平底孔的精度。
3.3.2測定自制凹弧面試樣平底孔與HC一L一063對比試塊必平底孔回波高度差, 以確定補償量值.
3.3.3測定自制凸弧面試樣必平底孔與HC一L一063對比試塊必平底孔回波高度差, 以確定補償量值。
3.4 檢測試驗及結果比較評析
按照試驗步驟, 首先對自制平面試樣與HC一L一063試塊必平底孔回波高度進行了測定比較,
結果表明, 最大回波高度偏差≤0.5dB, 平均偏差≤0.2dB, 不影響檢測效果。在此基礎上, 我們對凸凹弧面試樣的平底孔、HC一L一063試塊平底孔進行了回波高度對比試驗, 結果見表2。
從表2可以看出, 在凹弧面試樣上, 平直探頭比線聚焦探頭的檢測靈敏度高在凸弧面試樣上,線聚焦探頭比平直探頭的檢測靈敏度高, 但是線聚探頭有方向性。直徑較大的平直探頭因始波較寬, 使得小平底孔難以分辨, 同時還看到兩種探頭的檢測靈敏度都與在平面試塊上的檢測靈敏度存在一定的差異。經分析, 上述結果是由于在不同的試樣內聲場分布的不同而產生的。
4結論
本文通過凸凹弧面試樣與HC一L一063對比試塊必平底孔回波高度的對比試驗及結果評析,得出如下結論對于凹弧面工件, 晶片直徑較小的平直探頭具有靈敏度較高、盲區小、分辨力強等優點, 綜合聲束覆蓋率、指向性、檢測兼容性、靈敏度衰減梯度等因素, S5P∅6N探頭效果較好對于凸弧面工件, S5P∅10R10X探頭效果較好。但是兩種探頭的檢測靈敏度與同條件下HC一L一063試塊的檢測靈敏度都存在一定的偏差, 即在相同檢測靈敏度下, 等當量反射體的回波高度卻不同最偏差10dB。因此, 在實際檢測中, 必須按照不同情況下回波高度偏差量進行補償, 才能準確評定缺陷當量, 這一結論為異型模鍛件凸凹弧面區域內部缺陷的當量評定提供了重要的科學依據。當然配置一套凸凹弧面標準平底孔對比試塊, 會使缺陷當量的評定更加直觀、快捷。
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