大厚度扩散焊NLU成像检测技术

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1、‘●随着新材料、新结构和新技术的广泛应用，航空制造领域对无损检测技术的需求日益增加，这直接推动了该技术的发展，而高灵敏度、高分辨率、高可靠性是现代航空材料和结构无损检测的技术核心和应用基础。栏目策划：海山良辰大厚度扩散焊NLU成像检测技术米刘松平，李乐刚，刘菲菲，史俊伟(中航复合材料有限责任公司，北京101300)[摘要】针对钛合金大厚度扩散焊，基于非线性超声(Non—linearultrasonic，NLU)原理，构建了一种NLU成像方法和检测系统，设计制备了不同的大厚度扩散焊试件，进行了NLU成像检测试验分析。检测结果表明，采用NLU成像检测方法，可实现钛合金大厚度扩散焊

2、的超声可视化检测，最大检测厚度可达70mm。关键词：超声检测；扩散焊；非线性超声；超声成像DOI：10．16080／j．issnl671—833x．2017．05．034刘松平理学博士，研究员，从事复合材料及焊接无损检测与评估技术研究。扩散焊属于一种固相焊接，因其正常焊接界面的冶金组织和力学性能与母材相同，因而在现代飞机及航空发动机等领域不断得到推广应用”。2】，特别是钛合金薄板扩散焊，已经在航空航天领域得到了许多的工程应用pl。在宇航领域，由于质量和*基金项目：国家自然科学基金项目(61571409和60727001)。34航窄制造技术-2017年第5期安全要求，通常要求对

3、扩散焊缝进行100％无损检测。由于扩散焊接缺陷在很多情况下具有紧贴、微细、弥散分布的微观特点一。5l，因此，采用常规超声和x一射线等检测方法难以检出扩散焊中的缺陷。采用近年推出的超声TOFD(TimeofFlightDiffraction)等方法也难以检出这类缺陷[4】。一般认为，采用常规的超声检测技术，在25MHz以下的频率时，很难检出这类缺陷15-91，从而非常容易造成漏检。因此，在扩散焊检测时，当采用常规的超声方法没有检出缺陷时，必须十分小心所采用的超声检测技术(包括所采用的超声检测方法、仪器及参数、检测经验等)是否对扩散焊中的缺陷具有可靠的检出能力。目前薄板扩散焊无损

4、检测技术经过几十年的发展和不断完善，已经比较成熟，而且已有扎实的工程实际检测应用经验和技术积累，主要是采用高频超声检测技术[5-6,101。薄板扩散焊接头通常在几毫米厚范围内，高频超声波在其中有很好的穿透能力。而厚板扩散焊零件的检测厚度可达40mm，甚至达到60～70mm厚，检测厚度的急剧增加，会造成高频声波的剧烈衰减，影响超声波在扩散焊接区的穿透能力，甚至超出了高频声波的检测能力，因此，采用薄板扩散焊检测技术很难解决厚板扩散焊的无损检测。近年Edwill等采用非线性超声(Non—linearultrasonic，NLU)检测钛合金扩散焊中的缺陷⋯】，利用超声在材料微细缺陷周

5、围产生的非线性现象，进行微细紧贴扩散焊缺陷的无损检测。本文针对70mm厚度钛合金扩散焊，介绍了一种利用非线性超声(NLU)成像方法。厚板扩散焊特点就无损检测而言，目前常见的厚板扩散焊主要有两种界面连接形式：(1)平行扩散焊界面，如图1(a)所示，即扩散焊界面与零件表面平行；(2)非平行扩散焊界面，如图l(b)所示，即扩散焊界面与零件表面呈现一定的夹角。目前航空用厚板扩散焊以钛合金扩散焊为主，对于正常的N。ndes蚴(：ti。。Tesl烟Te。hn。啪y无损检测技术扩散焊界而图1厚板扩散焊基本形式Fig．1TypesofDBinterfacesinthickplate扩散焊接，

6、其扩散焊接区的冶金组织与母材一样，即不会出现扩散焊界面[4-5]；对超声波而言，在正常扩散焊接区，不会产生声波反射。当出现意外的工艺原因时，可能会在扩散焊接区产生缺陷，而且不论是图1中哪种类型的扩散焊接界面形式，其可能产生的实际工艺缺陷在大多数情况下可以分为两类：(1)宏观未焊合，这种缺陷比较容易检出，而且随着扩散焊工艺和装备水平的不断提高，目前这种缺陷不容易产生；(2)紧贴性未焊合，通常这类缺陷具有显著的微细、紧贴和弥散分布的特点，从而会导致常规超声对这类缺陷的检出困难[4-5](射线等其他检测方法对这类缺陷的检出能力远不如超声方法灵敏)。NLU成像检测方法间；仅。(Z)为

7、入射声波在扩散焊母材中的声衰减系数，与入射声波的频率、材料特性等有关；X。为入射声波从被检测扩散焊零件表面传播至扩散焊接界面的距离，这里仅考虑入射声波沿扩散焊零件厚度(X)方向的一维传播情况。(1)当扩散焊接界面没有缺陷即正常焊接时，如图2(a)所示(注：图中浅灰色虚线仅是为了示意扩散焊界面，实际上正常扩散焊是看不到界面的[4-5])，此时考虑到U．(一，t)在扩散焊接区传播产生的非线性作用，对于同种材料扩散焊，在扩散焊接界面形成的非线性高阶透射谐波阱(．疋，t)可近似表示为：“(正，t)=R“U。(n