钛合金焊缝的超声检测工艺

钛合金焊缝的超声检测工艺
随着经济的发展和社会的进步，各行各业之间竞争日益激烈，针对钛合金焊缝超声检测时组织噪声大，信噪比低，且对仪器、探头及对比试块与压力容器常用碳钢检测要求不一样的地方进行了分析。

并对该钛合金焊缝超声检测的探头、对比试块、信噪比及DAC曲线作了研讨。

结果表明，小晶片、短前沿专用横波斜探头在钛合金材料焊缝的超声检测中效果明显，提高了检测信噪比及焊缝检测区覆盖范围。

自行加工制作的钛合金对比试块符合标准要求，并总结了钛合金焊缝超声检测探头选取、仪器调节、声速测试、曲线制作相关经验，为后期智能制造项目中无损检测合理制定无损检测工艺提供了依据。

优化的检测工艺在工程实践中得到了应用，取得了良好的效果。

标签：钛合金；焊缝；超声检测
引言
钛是一种轻金属，具有密度小、耐腐蚀性强、无磁性、生物相容性好等优点，被广泛应用于航空、航天、化工、石油、冶金、轻工、电力、海水淡化、舰艇和医疗等工业生产中，被称为现代金属。

随着各种新型材料的研制与应用，超声检测技术与力学、材料科学的联系更加深入密切，超声检测技术和超声评价技术有了更大的进步。

钛合金与常用碳钢比较，其密度较小，射线吸收系数较低，声阻抗比值约为碳钢的60%，且声衰减及声各向异性差异均较碳钢的大。

目前对钛合金设备的焊缝超声检测验收，主要是参照标准NB/T47013.3-2015《承压设备无损检测第3部分：超声检测》附录H《铝和铝合金制及钛承压设备对接接头超声检测方法和质量分级》的规定，其适用于厚度范围8-80mm的钛制承压设备对接接头的超声检测，但不适用角接接头的超声检测。

这不能满足承压设备行业钛合金厚板（厚度大于80mm）焊缝超声检测的需求，以及不适用于角接接头、T型焊接接头的超声检测。

钛合金焊缝属于粗晶材料，其超声检测存在下列问题：①由于组织不均匀和粗晶对超声波信号的影响较大，组织噪声回波较高，降低了缺陷的信噪比；②超声波穿过钛焊缝异质界面时产生的折射、波型转换会使超声波传播路径更加复杂，且异种金属焊缝界面或焊缝结构可能会引起伪缺陷信号，产生误判；③焊缝的组织不均匀引起的各向异性和晶粒粗大使得声速变化、声衰减增大，可能产生定位、定量不准确，以及声束宽度变化引起检测范围受限等不利影响。

目前，大部分钛合金超声检测标准主要都是关于原材料检测方向的，针对钛合金焊缝超声检测的涉及较少，检测方法和标准的分析不够细致，工艺研究还不够深入，一些先进的检测方法和工艺（如超声相控阵法）还在标准起草或实验室研究阶段。

与细晶铁素体钢的检测相比，其工程适用范围仍受到一定限制。

为了解决公司智能制造项目钛合金焊缝的超声检测难题，以及满足实际生产需要，笔者所在公司研究了专用横波斜探头检测工艺，研制了用于钛合金焊缝的对比试块，制定了钛合金超声波检验规程及检测工艺，并在一些工业项目中进行了试验，取得了良好效果。

1钛合金组织噪声对超声检测的影响
钛合金超声检测时，常规超声波检测仪与普通探头构建的检测系统，组织噪声处于较高水平，影响缺陷信号信噪比，同时钛合金的显微组织不均匀不仅对其机械性能有较显著的影响，而且会使得超声波因晶界及晶内相组织上的散射，声衰减系数增大。

钱鑫源经过大量实验研究表明，钛合金冶金过程中产生的组织不均匀性会产生超声较高杂波信号，这是多晶体金属超声检测中普遍存在的问题，是限制检测灵敏度的根本原因。

同时组织噪声不仅和晶粒平均尺寸大小有一定关系，同时还与晶粒形状（如等轴还是长条），夹杂物分布等有一定关联。

另外由于钛合金焊接过程中，可能会使晶粒定向生长，晶粒更加粗大，导致组织噪声和声衰减系数较母材进一步增大，表现为组织噪声增大、声能衰减引起底波高度降低（底波损失），进一步影响焊缝超声检测可达厚度及检测区域。

由于钛合金往往用在飞机发动机、压力容器、船舶等重要部件中，相关材料标准要求检出缺陷的尺寸小，所以对超声检测的灵敏度要求其实相对更高。

采用超声检测技术验证焊接质量在线评价系统的可靠性和准确性，并进一步补充完善其适用范围，拓展其在实际使用当中的应用水平。

2钛合金超声检测工艺
2.1钛合金组织噪声对超声检测的影响
钛合金超声检测时，常规超声波检测仪与普通探头构建的检测系统的噪声较高，影响了缺陷信号的信噪比，同时钛合金的显微组织不均匀不仅对其力学性能有较显著的影响，而且超声波因晶界及晶内相组织上的散射，声衰减系数会增大。

钱鑫源的大量试验结果表明，钛合金冶金过程中的组织不均匀性会产生较高超声杂波信号，这是多晶体金属超声检测中普遍存在的问题，是限制检测灵敏度的根本原因。

同时，组织噪声不仅和晶粒平均尺寸有一定关系，同时还与晶粒形状（如等轴还是长条）、夹杂物分布等有一定关联；另外，由于钛合金焊接过程中，晶粒可能会定向生长且变得更加粗大，声能衰减会引起底波高度降低，进一步影响焊缝超声检测的可达厚度及检测区域。

由于钛合金往往用在飛机发动机、压力容器、船舶等重要部件中，相关材料标准要求检出缺陷的尺寸更小，所以对超声检测的灵敏度要求其实相对更高。

但钛合金焊缝超声检测目前还存在一些基础问题，如标准、工艺、检测人员经验、试块、探头等均未得到重视。

鉴于钛合金母材和焊缝超声检测问题的特殊性，进行该类钛合金粗晶材料焊缝超声检测的人员应掌握一定的材料和焊接基础知识，对检测中可能出现的问题才能做出正确的分析、判断和处理。

同时，检测人员需要接受一定时间的有关钛合金焊缝检测的专业培训，了解钛合金焊缝的组织特征及其声学性能，才能在钛合金焊缝检测工艺选择、缺陷评价时，做出正确的分析和应对。

另外，提高粗晶材料缺陷的检出能力和信噪比是无损检测领域中的重要研究课题。

2.2钛合金焊缝检测用探头选择
一般采用0.5MHz～5MHz频率的纵波单晶、双晶直探头和斜探头，以及折射角为45°～72°的横波斜探头，但焊缝厚度小于20mm或者在近检测面1/4厚度范围内应采用折射角为63°～72°的斜探头进行检测。

材料晶粒粗大时，低通滤波
效应变大。

同时，考虑到钛合金焊缝超声检测时，频率越高，衰减越大，穿透力越低，通常推荐用0.5MHz～5MHz的窄脉冲专用横波斜探头，而针对钛合金原材料及焊缝周围的母材检测，可以视实际情况采用较高频率（如5MHz）的探头。

并且，钛合金焊缝检测探头规格、角度及其他工艺参数选择参照标准NB/T 47013.3-2015中的第6.3.6节，忽视了钛合金和碳钢回波频率响应、探头偏转角度不同等重要前提，增加了操作人员进行工艺参数选择和设置的难度。

结语
钛合金焊缝超声检测在压力容器当中逐渐有很广泛的应用前景。

目前针对钛合金原材料检测工艺研究较多，针对焊缝检测工艺研究还不够深入。

特别是一些钛合金厚板焊缝（母材厚度大于80mm）、结构件角焊缝常规超声检测、可记录超声检测、超声剖面成像或C扫成像、TOFD及相控阵检测，还存在一定技术难点，值得检测同行进一步工艺探索。

智能制造项目，离不开对传统检测基础方面，进一步研究。

参考文献：
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[3] 黄天娥，范桂彬，闫海，等.航空用钛合金材料及钛合金标准发展综述[J].航空标准化与质量，2010（3）：30-33.。