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鋁合金異型模鍛件是應(yīng)用于航空工業(yè)的重要材料。隨著國(guó)防及航空科技的高速發(fā)展, 特別是在一號(hào)工程的實(shí)施過(guò)程中, 對(duì)其內(nèi)部質(zhì)量的檢驗(yàn), 明確提出必須采用水浸探傷法進(jìn)行100%檢驗(yàn)。由于各種客觀條件的限制, 凸凹弧面區(qū)域的檢測(cè)還沒(méi)有找到有效的方法, 為了準(zhǔn)確的檢出這一區(qū)域的內(nèi)部缺陷, 提出研究異型模鍛件凸凹弧面區(qū)超聲波檢測(cè)方法。
1、異型模鍛件凸凹弧面區(qū)內(nèi)部缺陷的形態(tài)
了解異型模鍛件內(nèi)部缺陷的性質(zhì)和形態(tài)了是確定檢測(cè)方法的關(guān)鍵。經(jīng)過(guò)多年來(lái)對(duì)模鍛件內(nèi)部缺陷
的剖傷, 總結(jié)出其內(nèi)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(zhì), 使聲波有效進(jìn)人工件中的一種探頭與工件非接觸式的檢測(cè)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(wěn)定、不磨損探頭、靈敏度高、分
辨力強(qiáng)、波束可控性好、受工件表面粗糙度影響小、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、尤其適合于幾何形狀較復(fù)雜
工件的檢測(cè)等特點(diǎn), 在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在水浸探傷中, 由于聲波要通過(guò)一定厚度的
水層再進(jìn)人工件, 因此, 聲場(chǎng)的特性將發(fā)生改變,充分了解在不同條件下工件內(nèi)的聲場(chǎng)分布特性, 是
水浸探傷方法確定的關(guān)鍵。
2.1 水浸傷中聲場(chǎng)的分布超聲波在傳播過(guò)程中, 當(dāng)聲程大于近場(chǎng)長(zhǎng)度時(shí), 聲束開始擴(kuò)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(jù)折射定律, 聲束將再次擴(kuò)散, 指向性變差, 如圖１書館所示：
現(xiàn)以5P∅6N探頭為例說(shuō)明指向性變化的程度。在水中由指向角公式
當(dāng)工件檢測(cè)面為凸弧面時(shí), 聲束擴(kuò)散更加明顯, 如圖2所示。而檢測(cè)面為凹弧面時(shí), 聲束向軸心聚焦, 如圖3所示。
2.2 水對(duì)檢測(cè)效果的影響在水浸探傷中, 水溫、水質(zhì)、水層厚度等都將直接影響檢測(cè)效果。水溫過(guò)高, 水流動(dòng)性變大, 導(dǎo)致回波不穩(wěn)、噪聲嚴(yán)重, 影響缺陷判定水中存在雜質(zhì)或氣泡, 將附著在晶片或工件表面上, 使檢測(cè)靈敏度降低水層過(guò)薄導(dǎo)致工件底面回波置于二次面波之后, 無(wú)法判定缺陷水層過(guò)厚, 聲能衰減嚴(yán)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(jié)構(gòu)
水浸聚焦探頭是由平直探頭和聲透鏡, 外加防水護(hù)套構(gòu)成的。聲透鏡材質(zhì)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(chǎng)及焦距
聲束聚焦可通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn), 當(dāng)平面波束人射到（Ｃ１＞Ｃ２）的凸透鏡上時(shí)如聚焦探頭, 可產(chǎn)生聚焦, 當(dāng)聲束入射到（Ｃ１＜Ｃ２）的凹透鏡上時(shí)也可以產(chǎn)生聚焦, 如圖６、圖７所示
圖７：Ｃ１＜Ｃ２時(shí)凹透鏡聚焦聲場(chǎng)
由幾何光學(xué)原理, 聲束折射后會(huì)聚焦為一個(gè)點(diǎn), 實(shí)際上由于聲波的波動(dòng)性, 在焦點(diǎn)附近聲波將產(chǎn)生干涉, 使聲束聚焦在一個(gè)區(qū)域內(nèi), 該區(qū)呈柱狀, 其聲柱的中心焦距、長(zhǎng)度和直徑可由以下公式計(jì)算
３ 凸凹弧面工件內(nèi)部缺陷檢側(cè)試驗(yàn)
根據(jù)聚焦聲場(chǎng)的形成原理、分布特點(diǎn)及模鍛件凸凹弧面區(qū)域內(nèi)部缺陷的形態(tài), 從理論上講, 聚焦探頭較適合于凸弧面檢測(cè), 平直探頭較適合于凹弧面檢測(cè), 而實(shí)際檢測(cè)結(jié)果與理論結(jié)果將存在一定的差異, 相差量值必須通過(guò)試驗(yàn)才能確定。目前, 對(duì)缺陷大小的判定是采用平底孔當(dāng)量對(duì)比法, 因此,我們將通過(guò)對(duì)凸凹弧面區(qū)不同聲程人工孔的檢測(cè)試驗(yàn), 來(lái)確定該區(qū)域內(nèi)自然缺陷與平面對(duì)比試塊平底孔回波高度的補(bǔ)償量值。
3.1試驗(yàn)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(wú)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(duì)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(guān)系數(shù)
3.2.1 水層厚度
由公式H≥1/4n,及異型模鍛件凸凹區(qū)域常見(jiàn)厚度, 并考慮厚度變化, 通常水層厚度按H≥1/4n,
計(jì)算, 見(jiàn)表1.
3.2.2試樣幾何參數(shù)
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(yàn)步驟
3.3.1 測(cè)定自制平面試樣必平底孔與HC一L一063對(duì)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(cè)定自制凹弧面試樣平底孔與HC一L一063對(duì)比試塊必平底孔回波高度差, 以確定補(bǔ)償量值.
3.3.3測(cè)定自制凸弧面試樣必平底孔與HC一L一063對(duì)比試塊必平底孔回波高度差, 以確定補(bǔ)償量值。
3.4 檢測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果比較評(píng)析
按照試驗(yàn)步驟, 首先對(duì)自制平面試樣與HC一L一063試塊必平底孔回波高度進(jìn)行了測(cè)定比較,
結(jié)果表明, 最大回波高度偏差≤0.5dB, 平均偏差≤0.2dB, 不影響檢測(cè)效果。在此基礎(chǔ)上, 我們對(duì)凸凹弧面試樣的平底孔、HC一L一063試塊平底孔進(jìn)行了回波高度對(duì)比試驗(yàn), 結(jié)果見(jiàn)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(cè)靈敏度高在凸弧面試樣上,線聚焦探頭比平直探頭的檢測(cè)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(shí)還看到兩種探頭的檢測(cè)靈敏度都與在平面試塊上的檢測(cè)靈敏度存在一定的差異。經(jīng)分析, 上述結(jié)果是由于在不同的試樣內(nèi)聲場(chǎng)分布的不同而產(chǎn)生的。
4結(jié)論
本文通過(guò)凸凹弧面試樣與HC一L一063對(duì)比試塊必平底孔回波高度的對(duì)比試驗(yàn)及結(jié)果評(píng)析,得出如下結(jié)論對(duì)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(qū)小、分辨力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn), 綜合聲束覆蓋率、指向性、檢測(cè)兼容性、靈敏度衰減梯度等因素, S5P∅6N探頭效果較好對(duì)于凸弧面工件, S5P∅10R10X探頭效果較好。但是兩種探頭的檢測(cè)靈敏度與同條件下HC一L一063試塊的檢測(cè)靈敏度都存在一定的偏差, 即在相同檢測(cè)靈敏度下, 等當(dāng)量反射體的回波高度卻不同最偏差10dB。因此, 在實(shí)際檢測(cè)中, 必須按照不同情況下回波高度偏差量進(jìn)行補(bǔ)償, 才能準(zhǔn)確評(píng)定缺陷當(dāng)量, 這一結(jié)論為異型模鍛件凸凹弧面區(qū)域內(nèi)部缺陷的當(dāng)量評(píng)定提供了重要的科學(xué)依據(jù)。當(dāng)然配置一套凸凹弧面標(biāo)準(zhǔn)平底孔對(duì)比試塊, 會(huì)使缺陷當(dāng)量的評(píng)定更加直觀、快捷。
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