摘 要:以某封严环组件为研究对象,采用水浸超声检测技术,通过监测结合层处的超声回波 幅值来分析检测分辨率和穿透力,进而评判真空钎焊结合质量。试验分析得出环状高温合金真空 钎焊件的最佳检测参数,并将其运用于实际零件检测。检测结果表明,超声检测能及时发现焊接质 量不良位置,具有一定的应用价值。
关键词:真空钎焊;超声检测;影响因素;检测参数
中图分类号:TG115.28 文献标志码:A 文章编号:1000-6656(2022)07-0042-04
真空钎 焊 是 在 真 空 中 进 行 钎 焊 的 工 艺,其 利 用液态钎料 润 湿 基 体 金 属 表 面,依 靠 毛 细 吸 附 作 用将钎料吸附到接头的紧密配合面上。钎焊过程 处于真空环 境 下,可 以 有 效 地 排 除 空 气 对 焊 接 的 影响,提高焊缝质量和产品的抗腐蚀性,获得高强 度、光亮致 密 的 接 头,因 此,该 焊 接 方 法 广 泛 用 于 现代航空发动机制造中。真空钎焊的工艺特点难 以保证零件 焊 缝 不 产 生 钎 料 流 淌 现 象,因 此 需 采 用合适的无 损 检 测 方 法 来 检 测 焊 缝,以 确 保 零 件 安全有效[1-4]。
文章以某封严环组件(由真空钎焊而成)为试验 研究对象(见图 1),其外环为 GH600 锻造高温合 金,内环为 Cu-Ag-Zn铸造合金,试验拟采用水浸超 声检测技术对焊缝进行检测。
1 超声检测的可行性分析
1.1 检测对象
真空钎焊加工过程中,受钎焊间隙过大、钎焊面 局部氧化、钎料量不足、真空度较差等因素影响,零 件加工完成后可能出现未焊合、气孔等缺陷,即高温 合金外环与内环完全没有焊好(无钎料),或者钎料 层存在未焊合、气孔等缺陷。典型真空钎焊缺陷外 观如图2所示。
1.2 检测技术
通过对该类钎焊零件的结构及工艺分析可知, 高温合金外环与内环真空钎焊部位可能出现的未焊 合、气孔等缺陷均为面积型缺陷(即厚度方向的尺寸 很小)[5-7],而超声检测对面积型缺陷较敏感,因此用 该方法来检测环状高温合金钎焊件的焊接质量比较 合适。
1.3 检测原理
当高温合金未进行钎焊时,超声波入射至外环 并传播到内壁,在内壁处被反射回来产生内壁回波。 锻件组织均匀,对超声波的衰减基本一致,因此内壁 各个部位的回波幅值大致相等(见图3,图中 C扫描 图像用颜色灰度表示回波幅值,图中可见内壁各个 部位回波幅值基本一致),通常把该回波幅值设置为 100%FSH (满屏高度)[8]。
外环与内环钎焊后,当超声波入射至外环并传 播到内壁(即外环与内环钎料填充位置)时,若外环 与内环结合层未填钎料(即内外环未焊合),则所有 超声波在结合层处被完全反射回外环,故结合层处 的反射回波幅值很高,相当于未钎焊外环的内壁回 波幅值,即100%FSH;若外环与内环结合较好,则 部分超声波将穿过钎料继续向内环传播,小部分反 射回外环,因而结合层处的反射回波幅值较低;若外 环与内环部分未结合,则小部分超声波进入钎料,大 部分超声波在结合层处被反射回外环,故结合层处 的反射回波幅值介于上述两种情况之间。钎焊后环 状零件的超声检测如图4所示。
2 检测试验
2.1 主要影响因素及其控制
2.1.1 检测分辨率
由于超声波入射面为外环,而对钎焊质量的评 判只要监测结合层处超声回波的幅值,若外环厚度 太小,则无法分辨出结合层处的回波,因此可考虑使 用较高检测频率、小焦点的聚焦探头进行检测,以保 证检测精度。
2.1.2 穿透力
当外环锻件壁厚较大,且本身的材料对超声波 衰减较大时,若采用太高的检测频率,可能造成超声 波的穿透力不够。应结合实际被检零件的具体情况 综合考虑,再确定检测方案与技术参数。
2.1.3 钎焊结合层回波
外环材料为高温合金,内环为铸造金属,二者声 阻抗存在差异,当超声波束入射到两种合金界面时 会产生反射信号,进而影响缺陷信号的识别。考虑 到这些影响因素,检测时应选择合适的检测条件(包 括仪器、探头、检测参数等),同时采用正确的评定方 法,以保证检测的可靠性。
2.2 检测工艺的确定
2.2.1 检测参数的选择
为研究探头聚焦效果的影响,分别采用5 MHz 聚焦探头、5 MHz平探头对试件进行检测(聚焦探 头聚焦于零件表面),并对二者的检测结果进行比较(见图5,图中红色表示检测区域结合不良)。聚焦 探头发现1 # 位置结合不良,而平探头未能检测出该 缺陷。由此可见,聚焦探头具有聚焦区域内声场集 中、焦点位置声束直径较小的特点,对于尺寸较小的 缺陷检测非常有利。
为研究探头焦距的影响,分别采用10 MHz焦 距2″(即探头标称焦距为2inch,1inch=25.4mm, 下同)和10MHz焦距3.5″的探头对试件进行检测, 焦点均位于钎焊层。对检测结果进行比较(见图6), 并通过金相剖切验证,发现2 # ,3 # 部位结合不良, 10MHz焦距3.5″探头未能分辨该缺陷。对于一定 晶片直径的探头,焦距越长则焦区长度越大,焦点直 径也越大,但横向分辨率降低且焦点附近的能量聚集效果也变差。当钎焊基体厚度为1~6mm 时,采 用10MHz焦距2″的探头较为合适,当基体厚度大 于6mm 时,采用10MHz焦距3.5″探头更合适。
为研究探头焦点位置的影响,采用10 MHz焦 距2″探头进行检测,聚焦位置分别为零件表面和钎 焊层部位,并对两种情况的检测结果进行比较(见图 7)。通过金相剖切发现,4 # 部位 存 在 密 集 型 小 缺 陷,焦点位于零件表面时未能分辨该缺陷。该结果 表明,检测一定深度位置的缺陷时,焦点位于零件内 部可以提高检测分辨率。
2.2.2 穿透力参数
分别采用10MHz焦距3.5″和5MHz焦距3.5″ 探头对同一缺陷进行检测,并对检测结果进行比较 (见图8)。结合金相剖切结果进行分析,发现两个 探头的 检 测 结 果 差 异 不 大。 封 严 环 组 件 壁 厚 为 5mm,在这两个频率下材料中的超声波衰减差异不 明显,但10MHz探头的分辨率略微好于5MHz探头的分 辨 率,可 见,在 零 件 厚 度 不 大 的 情 况 下, 10MHz探头的分辨率更优。
2.2.3 钎焊结合层回波幅值的确认
通过监测钎料层处超声回波的幅值,就能判断 钎焊质量的优劣。文章模拟不同条件制作了一系列 的包含不同缺陷的 Cu-Ag-Zn真空钎焊试件,先对 其进行超声检测,记录下不同区域的反射波幅值,再 针对这些部位进行金相解剖检验,比较不同波幅对 应的 实 际 钎 焊 质 量 情 况,最 后 发 现,可 以 用 50% FSH 作为焊合与否的评判标准,即钎焊处超声回波 的幅值不大于50%FSH 时,可认为钎焊质量优,钎 料层处超声回波的幅值大于50%FSH 时可判定为 未焊合缺陷。
2.3 试验分析
环状高温合金真空钎焊零件的超声 C 扫描检 测宜采用水浸点聚焦探头,聚焦位置应选择为钎焊 结合面以保证该区域的检测信噪比最佳。检测频率 通常为10MHz,检测频率越高,纵向分辨率越好, 越能发现较小的未焊合间隙;当基体厚度较大时,为 保证超声波的穿透能力,宜采用 5 MHz作为检测 频率。
3 结语
通过试验验证了环形真空钎焊焊缝超声 C 扫描检测的可行性。焊缝位于环形高温合金内部,为 保证检测分辨率,应根据零件的形状选择合适的探 头焦距及焦点位置,同时为保证超声波的穿透力,应 根据不同零件厚度选取与之匹配的频率,最终通过 钎焊面不同的回波幅值来评判焊缝质量。
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