厚板电子束焊缝的超声扇形扫描检测

栾亦琳， 王永东

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院，哈尔滨150022)

0 引 言

近年来，电子束焊接在航空航天、船舶和能源等领域的应用越来越广泛。与传统的焊接方法相比，电子束焊接具有能量密度高、加热速度快、焊接热影响区小、焊接变形小等优点，在焊接厚度超过50 mm的厚大结构中，体现了极大的优越性［1］。厚板电子束焊接的焊缝窄、深宽比大，缺陷多集中在狭长的焊缝和热影响区，对焊接结构的机械性能和使用寿命将产生不利的影响［2］。因此，开展厚板电子束焊缝质量无损评价研究，对推广厚板电子束焊接结构的应用尤为重要。

目前，焊接结构最常用的无损检测方法有射线检测和超声检测。射线检测具有灵敏度高、缺陷显示直观、可重复等优点［3］。但对裂纹类缺陷检测的灵敏度受缺陷方位及试样厚度的影响严重［4］。同时，射线检测无法获取缺陷的埋藏深度信息，对于大厚度的电子束焊缝来说，需要掌握缺陷在焊缝深度方向的位置［5］。

超声检测是利用超声波在物体中传播、反射和衰减等物理特性，来发现缺陷的一种检测方法。Matikas［6］采用超声波检测飞机零件中的钛合金电子束焊缝，研究了声波频率、入射角度和波束尺寸的影响，以获得最佳的信噪比。袁鸿等［7］对18CrNi4A 低合金渗碳钢大型推进齿轮电子束焊接结构的圆周焊缝进行了超声检测。采用水浸法分别从焊缝表面沿熔深方向和沿轴体外圆周径向对接头区域作超声C 扫描，比较全面、直观地反映了焊缝的内部缺陷。史亦韦等［8］采用超声TOFD 法检测9 mm 不锈钢板电子束焊缝，加工了侧孔、开口槽和竖孔缺陷。该方法能清晰识别侧孔缺陷，但对于竖孔和近表面的槽型缺陷却很难识别。为了提高检测灵敏度，比较适宜的方法是超声斜角探伤法［9］。该方法采用横波斜探头，在垂直于焊缝试样的表面移动，超声波束以一定的角度倾斜入射到焊缝中。为了保证超声波束覆盖整个焊缝，对试样的宽度有一定的要求，当试样的宽度有限，无法保证超声波束覆盖整个焊缝时，会使检测受到限制。

为了解决上述问题，使检测结果更为直观，笔者采用超声相控阵扇形扫描法，检测厚板电子束焊缝，希望在不需要移动相控阵换能器位置的情况下，实现整个焊缝波束的覆盖，以解决厚板焊缝检测时受试样宽度限制的问题。

1 超声相控阵

超声相控阵法的特点是换能器由多个阵元组成，每个阵元可以单独控制发射或接收超声波，每个阵元发射/接收的时间可以调节。如果改变单个换能器阵元的激励时间，使它们按照一定的规则延时，则各阵元发射的超声子波束会叠加形成新的波阵面，从而使发射波束具有聚焦或偏转特性［10］，如图1 所示。在图1a 中，各阵元的波阵面法线指向位于中心阵元法线方向上的一曲率中心，实现了波束的聚焦;在图1b 中，各阵元合成的波阵面法线方向与线性阵列平面的法线方向形成一定的角度，实现了波束的偏转。

图1 波束聚焦和偏转示意Fig．1 Diagrammatic sketch of beam focusing and deflection

超声相控阵具有电子扫描、动态深度聚焦和扇形扫描三种基本扫描方式［11］。电子扫描是对一组阵元施加相同的聚焦法则，沿着超声相控阵换能器的长度方向进行相同深度的扫描。动态深度聚焦，超声波束沿着主波束的声轴方向，在不同深度进行聚焦。扇形扫描将超声相控阵的波束偏转与波束聚焦结合起来，实现超声波束在一个扇形区域内的扫描。

2 实验材料与方法

2．1 材料与设备

焊接试样材料为钛合金TC4，试样的厚度为55 mm，长度305 mm，宽度60 mm。电子束焊接在MEDARD45 型电子束焊机上进行，采用双面焊接，加速电压60 kV，焊接束流为200 mA，焊接速度为6 mm/s，聚焦电流为773 mA。超声相控阵检测采用Harfang X-32 检测仪。该设备可以进行A 扫描、D扫描和扇形扫描的实时观测，并可将数据保存在UTStudio 软件中，进行后续分析。相控阵换能器频率为5 MHz，阵元数量32 个，排列方式为一维线形阵列，尺寸0.8 mm ×12 mm，间隙为0.04 mm，楔块材料为有机玻璃，角度35°。

2．2 方法

在焊缝检测前，首先对超声波束在TC4 中电子束焊缝的偏转聚焦特性进行模拟。作为例子给出扫描角度分别为30°、50°和70°时阵元延迟时间t 及波束的聚焦偏转，如图2 所示。

图2 阵元延迟时间和波束偏转聚焦模拟Fig．2 Elements delay and simulation of beam deflection and focusing

Ⅰ图为32 个阵元的延迟时间，Ⅱ图为波束偏转聚焦的模拟演示，Ⅱ图中的虚线代表各阵元发出的超声子波束。32 个阵元依据延迟时间发射，各超声子波束经过楔块传播后，在楔块与试样的界面发生折射，再经过试样传播后，汇聚于焦点位置。

对TC4 电子束焊缝扇形扫描检测进行模拟分析，扫描角度为30°～70°，扫描步长为0.25°。由于焊缝有余高，表面凹凸不平，与换能器楔块耦合效果差，所以应使换能器楔块避开焊缝区域。焊缝扇形扫描模拟结果见图3。图3 中的灰色区域为声束覆盖区域，由图3 可知，采用扇形扫描的方式，换能器不需要沿焊缝宽度方向移动，通过声束的偏转和聚集，实现了焊缝内部一定区域的扫查。图3a 剖面线所示区域，将试样翻转，在试样底面再次进行检测，如图3b 所示，保证焊缝全部被检测，从而解决了宽度受限的超声检测问题。

图3 TC4 电子束焊缝扇形扫描模拟Fig．3 Simulation of sectorial-scan of TC4 electron beam welding seam

对TC4 电子束焊缝进行扇形扫描检测，结合D扫描和A 扫描分析缺陷图像的特征。在疑似缺陷位置采用线切割的方法将焊缝剖开，试样的端面在200#、500#、800#和1000#砂纸上逐级磨光后，再用金钢石抛光液抛光，用体积比为1∶2∶25 的氢氟酸、硝酸和水混合液腐蚀，在Olympus 光学显微镜观察缺陷的形貌，确定缺陷的类型，并与扇形扫描图像建立联系。

焊缝中缺陷的三维定位一直是倍受关注的研究热点。研究中相控阵设备的UTStudio 软件中自带三坐标系统，电子束焊接试样也可以建立三坐标系统，通过对软件中坐标参数的合理设置，使两个坐标系统统一，利用软件中的坐标，即可以实现焊缝中缺陷的三维定位。图4 是电子束焊缝缺陷三维定位示意，相控阵换能器位于焊缝的一侧，沿焊缝进行扫查，虚线换能器为扫查的起始位置。将扫查起始位置换能器楔块前沿与试样边缘的交点设置为坐标原点，x 轴指向焊缝，y 轴为焊缝深度方向，z 轴为扫查方向。从扇形扫描图像中可以读取x、y 和z 三个坐标，分别表示缺陷距离换能器楔块前沿的距离、缺陷在焊缝中的埋藏深度和扫查距离。z 坐标加上相控阵波束距离换能器楔块侧面的距离14.6 mm，即可得到缺陷距离扫查起始位置的水平距离。

图4 焊缝缺陷三维定位Fig．4 Diagrammatic sketch of three-dimensional orientation of defect

3 结果与讨论

3．1 焊缝缺陷图像特征

气孔是电子束焊缝中常见的缺陷，母材中所含有的氢、夹杂及低熔点成分，材料中原有气孔的存在及工件表面油污等是出现气孔的主要原因。电子束焊接时熔池中少量的金属杂质汽化以及杂质气体的逸出形成一个个微小的气孔源，在表面张力及熔池的流动等共同作用下，这些微小的气孔汇聚在一起，最终形成气孔。气孔形成以后，在还未来得及逃逸时，电子束就离开已熔化区域，焊缝中即出现缺陷。

图5 为焊缝气孔的扫描图像。在图5a 的扇形扫描图像中，由于气孔距离试样上表面比较近，位于扇形扫描边缘区域，检测图像中没有包含缺陷的全部信息;图5b 扇形扫描图像中可以清晰地看到缺陷，气孔在图像中呈圆弧形。为了深入研究气孔缺陷图像特征，图5c 和5d 给出扫描角度37.75°的D扫描和A 扫描图像，在图像中能清楚地看出缺陷回波。

图5 电子束焊缝气孔缺陷扫描图像Fig．5 Scan images of pore in electron beam welding seam

电子束焊接接头中出现冷裂纹的主要原因，是由于电子束焊接的快速加热及冷却作用，以及材料本身室温延性低的影响所致。图6 为焊缝裂纹的扫描图像。其中图6a 为裂纹的扇形扫描图像，图6b和6c 为扫描角度35.75°的D 扫描和A 扫描图像。裂纹接近于焊缝根部，在扇形扫描、D 扫描和A 扫描图像中反射均很强烈。

图6 裂纹缺陷扫描图像Fig．6 Scan images of crack in electron beam welding seam

焊接前在试样的中部焊接面上涂抹黄油以制造人工缺陷，导致这部分区域未完全熔合，形成未熔合缺陷，图7 为未熔合区域的扫描图像。未熔合缺陷的面积较大，在许多扫描角度的D 扫描和A 扫描图像中均可看到缺陷回波，图7 中只给出典型扫描角度47.75°的D 扫描和A 扫描图像。

受焊接工艺的影响，电子束焊接试样后端完全未焊透，两块试样仅是贴合得比较紧密，中间留有空隙，声波会在空隙处产生反射，扫描结果如图8 所示。扇形扫描图像中，整个焊缝区域均有回波，从57.50°的D 扫描和A 扫描图像中可以看出，缺陷反射回波的幅度并不高。

图7 未熔合缺陷扫描图像Fig．7 Scan images of lack of fusion in electron beam welding seam

3．2 缺陷的三维定位

根据2.2 中所述方法，将UTStudio 软件中自带的三坐标系统的原点设置在扫查起始位置换能器楔块前沿与试样边缘的交点位置，对缺陷进行三维定位，结果如图9 所示。图9 为扇形扫描图像中心位置的缺陷，x 坐标为6.39 m，y 坐标为32.38 m，z 坐标为13.00 m，根据缺陷定位方法可知，此缺陷距离换能器楔块前沿的距离为6.39 mm，在焊缝中的埋藏深度为32.38 mm，与扫查起始位置的距离由z 坐标与换能器中波束距离楔块侧面的距离14.6 mm求得，即27.6 mm。

图8 未焊透缺陷扫描图像Fig．8 Scan images of lack of penetration in electron beam welding seam

图9 焊缝缺陷的三维定位Fig．9 Three-dimensional orientation of defect

4 结 论

(1)采用超声相控阵扇形扫描，实现了宽度有限的厚板焊缝的检测，扇形扫描图像能够更加直观地显示缺陷。

(2)在TC4 电子束焊缝中，采用扇形扫描与D扫描、A 扫描相结合的方法，可以检测出气孔、裂纹、未熔合和未焊透四种缺陷。

(3)合理设置坐标系，可以实现焊缝内缺陷的三维定位，测量可以得到缺陷距离换能器楔块前沿的距离、埋藏深度和距离扫查起始位置的水平距离。

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