整体叶盘叶片焊缝裂纹相控阵超声检测

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1、2017年9月第43卷第9期北京航空航天大学学报JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAsLronautiesSeptember2017V01．43NO．9http：∥bhxb．buaa．edu．cnjbuaa@buaa．edu．cnDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2016．0683整体叶盘叶片焊缝裂纹相控阵超声检测马立印1，李洋1，周正干1，2’2(1北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京100083；2先进航空发动机协N／g,l,'N『-心，北京100083)摘要：裂纹是线性摩擦焊整体叶盘结构制造

2、过程中叶片焊缝区域常见的缺陷类型之一。由于叶片焊缝区域结构复杂且裂纹缺陷尺寸小，因此焊缝区域裂纹缺陷的检测难度大。为了满足新工艺的应用要求，研究了焊缝区域的相控阵超声全覆盖检测方法，建立了焊缝区域相控阵超声检测的有限元仿真模型，研究了裂纹特征参数和声束聚焦点位置对检测方案的影响，验证了检测方案的可行性与正确性。构建了机器人化的相控阵超声检测系统，模拟了声束在线性摩擦焊叶片试样中的传播过程，实现了对叶片中预制裂纹缺陷的识别。研究结果表明，设计的检测方案能够满足叶片快速检测的要求。关键词：相控阵超声检测；叶片；线性摩擦焊；裂纹；有限元仿真中图分类号：V250．2；TB553文献

3、标识码：A文章编号：1001—5965(2017)09—1900-09航空发动机是飞机的动力装置，被誉为飞机的心脏，而推重比是发动机重要的性能参数。整体叶盘技术将轮盘和叶片作为整体零件，简化发动机结构，是提高航空发动机推重比的关键技术，在新型航空发动机中有着广泛的应用¨⋯。线性摩擦焊作为一种固相焊接技术，具有接头性能优良、工艺适应性强、可实现特殊结构反异种金属的焊接等优点，是一种高效的整体叶盘制造方法‘“。线性摩擦焊是利用被焊接工件接触面在爪力作用下相对往复运动摩擦产生热量，工件表面发生塑性变形，从而实现焊接16。。叶片的材料是钛合金，采用线性摩擦焊技术制造整体叶盘，将叶片

4、和轮盘焊接在一起，由于线性摩擦焊的特殊工艺，在叶片焊缝区域会产生裂纹、气孔、氧化物夹杂等缺陷"一。裂纹严重危害叶片的强度和刚度，甚至导致发动机叶片断裂，造成重大安全事故。航空发动机元损检测ASTME192—2004”验收标准明确规定叶片中绝对不允许出现裂纹，冈此研究叶片焊缝区域裂纹的无损检测技术，对保证整体叶盘结构加工质量和服役过程中的安全有着重要的意义。近年来，国内外众多研究机构针对航空发动机叶片裂纹的无损检测进行了大量研究，主要采用的技术有x射线、涡流、红外热成像、电磁检测等检测技术。x射线技术检测成本高，速度慢，且需要安全防护措施。涡流、红外热成像及电磁检测技术，对靠

5、近叶片表面的裂纹有着良好的检测能力，但对叶片内部的缺陷识别能力不足。因此，x射线、涡流、红外热成像及电磁检测等检测方法，无法满足叶片焊缝区域的快速检测和全覆盖检测的检测需求。相控阵超声检测技术能够灵活地控制声束的偏转和聚焦，有线性扫查、扇形扫查、动态聚焦等丁作方式，具有探头小巧、设备便携、扫查速度快、良好的声束可达性、检测精确性高、缺陷分辨率高收稿日期：20164)8—24；录用日期：201612—16；网络出版时间：2016-12—1616：46网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／11．2625V．201612161646．001．html基金项目

6、：国家自然科学基金(51375027)；工信部民用飞机专项科研项目(MJZ—G一2013-05)十通讯作者：E—mail：zzhenggan@buaaedu．cn弓f用槠式：马立印，李洋，月正干整体胖盘叶片掉缝裂纹相控庠超声检测』J』．北京航空航天大学学报，2017，43(9)：7900．1908MALY，uY，ZHOUZGDetectionofweldingcrack／nbliskloladebasedOnultrasonicphasedarrayej1JournalofBeijingUni—versityofAeronauticsandAstronautics，2017

7、，43(9J：1900-1908(inChinese，．第9期马立印，等：整体叶盘叶片焊缝裂纹相控阵超声检测1901等优点_。1“，在复杂型面构件的无损检测领域有着广泛的应用¨⋯。目前，国内外将相控阵超声检测技术应用于汽轮机叶轮叶缘。1“、低压汽轮机叶片¨副等复杂型面结构的检测，取得了良好的检测效果。整体叶盘叶片的空问结构复杂，表面为复杂双曲面。裂纹缺陷尺寸小，焊缝区域的厚度从几毫米到十几毫米不等，表面的曲率变化比较大且变化呈现无规律性，超声波在叶片内部的声传播路径复杂，缺陷特征信息不易获取。因此，研究满足叶片的线