分享：環(huán)狀高溫合金真空釬焊零件的超聲檢測
摘 要:以某封嚴環(huán)組件為研究對象,采用水浸超聲檢測技術,通過監(jiān)測結合層處的超聲回波 幅值來分析檢測分辨率和穿透力,進而評判真空釬焊結合質量。試驗分析得出環(huán)狀高溫合金真空 釬焊件的最佳檢測參數,并將其運用于實際零件檢測。檢測結果表明,超聲檢測能及時發(fā)現焊接質 量不良位置,具有一定的應用價值。
關鍵詞:真空釬焊;超聲檢測;影響因素;檢測參數
中圖分類號:TG115.28 文獻標志碼:A 文章編號:1000-6656(2022)07-0042-04
真空釬 焊 是 在 真 空 中 進 行 釬 焊 的 工 藝,其 利 用液態(tài)釬料 潤 濕 基 體 金 屬 表 面,依 靠 毛 細 吸 附 作 用將釬料吸附到接頭的緊密配合面上。釬焊過程 處于真空環(huán) 境 下,可 以 有 效 地 排 除 空 氣 對 焊 接 的 影響,提高焊縫質量和產品的抗腐蝕性,獲得高強 度、光亮致 密 的 接 頭,因 此,該 焊 接 方 法 廣 泛 用 于 現代航空發(fā)動機制造中。真空釬焊的工藝特點難 以保證零件 焊 縫 不 產 生 釬 料 流 淌 現 象,因 此 需 采 用合適的無 損 檢 測 方 法 來 檢 測 焊 縫,以 確 保 零 件 安全有效[1-4]。
文章以某封嚴環(huán)組件(由真空釬焊而成)為試驗 研究對象(見圖 1),其外環(huán)為 GH600 鍛造高溫合 金,內環(huán)為 Cu-Ag-Zn鑄造合金,試驗擬采用水浸超 聲檢測技術對焊縫進行檢測。
1 超聲檢測的可行性分析
1.1 檢測對象
真空釬焊加工過程中,受釬焊間隙過大、釬焊面 局部氧化、釬料量不足、真空度較差等因素影響,零 件加工完成后可能出現未焊合、氣孔等缺陷,即高溫 合金外環(huán)與內環(huán)完全沒有焊好(無釬料),或者釬料 層存在未焊合、氣孔等缺陷。典型真空釬焊缺陷外 觀如圖2所示。
1.2 檢測技術
通過對該類釬焊零件的結構及工藝分析可知, 高溫合金外環(huán)與內環(huán)真空釬焊部位可能出現的未焊 合、氣孔等缺陷均為面積型缺陷(即厚度方向的尺寸 很小)[5-7],而超聲檢測對面積型缺陷較敏感,因此用 該方法來檢測環(huán)狀高溫合金釬焊件的焊接質量比較 合適。
1.3 檢測原理
當高溫合金未進行釬焊時,超聲波入射至外環(huán) 并傳播到內壁,在內壁處被反射回來產生內壁回波。 鍛件組織均勻,對超聲波的衰減基本一致,因此內壁 各個部位的回波幅值大致相等(見圖3,圖中 C掃描 圖像用顏色灰度表示回波幅值,圖中可見內壁各個 部位回波幅值基本一致),通常把該回波幅值設置為 100%FSH (滿屏高度)[8]。
外環(huán)與內環(huán)釬焊后,當超聲波入射至外環(huán)并傳 播到內壁(即外環(huán)與內環(huán)釬料填充位置)時,若外環(huán) 與內環(huán)結合層未填釬料(即內外環(huán)未焊合),則所有 超聲波在結合層處被完全反射回外環(huán),故結合層處 的反射回波幅值很高,相當于未釬焊外環(huán)的內壁回 波幅值,即100%FSH;若外環(huán)與內環(huán)結合較好,則 部分超聲波將穿過釬料繼續(xù)向內環(huán)傳播,小部分反 射回外環(huán),因而結合層處的反射回波幅值較低;若外 環(huán)與內環(huán)部分未結合,則小部分超聲波進入釬料,大 部分超聲波在結合層處被反射回外環(huán),故結合層處 的反射回波幅值介于上述兩種情況之間。釬焊后環(huán) 狀零件的超聲檢測如圖4所示。
2 檢測試驗
2.1 主要影響因素及其控制
2.1.1 檢測分辨率
由于超聲波入射面為外環(huán),而對釬焊質量的評 判只要監(jiān)測結合層處超聲回波的幅值,若外環(huán)厚度 太小,則無法分辨出結合層處的回波,因此可考慮使 用較高檢測頻率、小焦點的聚焦探頭進行檢測,以保 證檢測精度。
2.1.2 穿透力
當外環(huán)鍛件壁厚較大,且本身的材料對超聲波 衰減較大時,若采用太高的檢測頻率,可能造成超聲 波的穿透力不夠。應結合實際被檢零件的具體情況 綜合考慮,再確定檢測方案與技術參數。
2.1.3 釬焊結合層回波
外環(huán)材料為高溫合金,內環(huán)為鑄造金屬,二者聲 阻抗存在差異,當超聲波束入射到兩種合金界面時 會產生反射信號,進而影響缺陷信號的識別。考慮 到這些影響因素,檢測時應選擇合適的檢測條件(包 括儀器、探頭、檢測參數等),同時采用正確的評定方 法,以保證檢測的可靠性。
2.2 檢測工藝的確定
2.2.1 檢測參數的選擇
為研究探頭聚焦效果的影響,分別采用5 MHz 聚焦探頭、5 MHz平探頭對試件進行檢測(聚焦探 頭聚焦于零件表面),并對二者的檢測結果進行比較(見圖5,圖中紅色表示檢測區(qū)域結合不良)。聚焦 探頭發(fā)現1 # 位置結合不良,而平探頭未能檢測出該 缺陷。由此可見,聚焦探頭具有聚焦區(qū)域內聲場集 中、焦點位置聲束直徑較小的特點,對于尺寸較小的 缺陷檢測非常有利。
為研究探頭焦距的影響,分別采用10 MHz焦 距2″(即探頭標稱焦距為2inch,1inch=25.4mm, 下同)和10MHz焦距3.5″的探頭對試件進行檢測, 焦點均位于釬焊層。對檢測結果進行比較(見圖6), 并通過金相剖切驗證,發(fā)現2 # ,3 # 部位結合不良, 10MHz焦距3.5″探頭未能分辨該缺陷。對于一定 晶片直徑的探頭,焦距越長則焦區(qū)長度越大,焦點直 徑也越大,但橫向分辨率降低且焦點附近的能量聚集效果也變差。當釬焊基體厚度為1~6mm 時,采 用10MHz焦距2″的探頭較為合適,當基體厚度大 于6mm 時,采用10MHz焦距3.5″探頭更合適。
為研究探頭焦點位置的影響,采用10 MHz焦 距2″探頭進行檢測,聚焦位置分別為零件表面和釬 焊層部位,并對兩種情況的檢測結果進行比較(見圖 7)。通過金相剖切發(fā)現,4 # 部位 存 在 密 集 型 小 缺 陷,焦點位于零件表面時未能分辨該缺陷。該結果 表明,檢測一定深度位置的缺陷時,焦點位于零件內 部可以提高檢測分辨率。
2.2.2 穿透力參數
分別采用10MHz焦距3.5″和5MHz焦距3.5″ 探頭對同一缺陷進行檢測,并對檢測結果進行比較 (見圖8)。結合金相剖切結果進行分析,發(fā)現兩個 探頭的 檢 測 結 果 差 異 不 大。 封 嚴 環(huán) 組 件 壁 厚 為 5mm,在這兩個頻率下材料中的超聲波衰減差異不 明顯,但10MHz探頭的分辨率略微好于5MHz探頭的分 辨 率,可 見,在 零 件 厚 度 不 大 的 情 況 下, 10MHz探頭的分辨率更優(yōu)。
2.2.3 釬焊結合層回波幅值的確認
通過監(jiān)測釬料層處超聲回波的幅值,就能判斷 釬焊質量的優(yōu)劣。文章模擬不同條件制作了一系列 的包含不同缺陷的 Cu-Ag-Zn真空釬焊試件,先對 其進行超聲檢測,記錄下不同區(qū)域的反射波幅值,再 針對這些部位進行金相解剖檢驗,比較不同波幅對 應的 實 際 釬 焊 質 量 情 況,最 后 發(fā) 現,可 以 用 50% FSH 作為焊合與否的評判標準,即釬焊處超聲回波 的幅值不大于50%FSH 時,可認為釬焊質量優(yōu),釬 料層處超聲回波的幅值大于50%FSH 時可判定為 未焊合缺陷。
2.3 試驗分析
環(huán)狀高溫合金真空釬焊零件的超聲 C 掃描檢 測宜采用水浸點聚焦探頭,聚焦位置應選擇為釬焊 結合面以保證該區(qū)域的檢測信噪比最佳。檢測頻率 通常為10MHz,檢測頻率越高,縱向分辨率越好, 越能發(fā)現較小的未焊合間隙;當基體厚度較大時,為 保證超聲波的穿透能力,宜采用 5 MHz作為檢測 頻率。
3 結語
通過試驗驗證了環(huán)形真空釬焊焊縫超聲 C 掃描檢測的可行性。焊縫位于環(huán)形高溫合金內部,為 保證檢測分辨率,應根據零件的形狀選擇合適的探 頭焦距及焦點位置,同時為保證超聲波的穿透力,應 根據不同零件厚度選取與之匹配的頻率,最終通過 釬焊面不同的回波幅值來評判焊縫質量。
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浙公網安備 33042402000106號
