金属合金质量水浸式超声无损检测应用研究

金属合金质量水浸式超声无损检测应用研究
李 剑
（鹤壁市质量技术监督检验测试中心，河南 鹤壁 458000）
摘要：近年来，随着科学技术水平的不断提升，金属合金材料在电力、交通、核工业等领域应用愈加广泛。

然而，在锻造、焊接等工序当中金属合金材料多形成缩孔、孔隙大量内部缺陷。

为了进一步测定金属合金质量，水浸式超声无损检测的应用具有十分重要的价值。

本文在全面了解水浸式超声无损检测原理的基础上，阐述了水浸超声检测法在TC4合金棒材探伤中的应用要点，以期全面提升检测质量。

关键词：金属合金；水浸式超声无损检测；原理
随着节能环保、轻量化理念的不断深化，高性能金属合金材料在各个领域得到了广泛应用。

然而，在金属合金材料加工制作过程中很容易出现各类内部缺陷，比如裂纹、孔隙等，这些缺陷的存在，不仅会影响材料力学性能，还会缩短设备使用寿命。

此外，在锻造和热处理等环节，金属合金很可能会出现组织结构不稳定性，进而影响设备或构件的可靠性。

为了解决此类问题，必须重视金属合金构件的质量检测。

目前，金属合金材料无损检测方法很多，比如射线检测、渗透检测等。

超声波检测也是常见的一种无损检测方法，为了全面提升检测质量，本文提出了水浸式超声无损检测技术，其特点为检测范围大、穿透性强、具有较高灵敏度和准确定位等，不仅可以准确测定金属合金材料的内部缺陷，还能无损评价其微观组织结构，因此，开展金属合金质量水浸式超声无损检测应用研究具有重要意义。

1 水浸式超声无损检测原理
通过声音来测定物体质量的优劣，这种方法由来已久。

日常生活中，常见的有手拍西瓜、锤子敲铁轨等。

超声波无损检测起源于上世纪20年代，特别是脉冲反射法和仪器的出现，为超声检测注入了新的活力。

随着科技的不断进步，超声检测技术越来越先进，水浸式超声无损检测技术的应用，便取得了良好的应用效果。

其原理为将一定厚度的水层填充到探头和工件之间，声波通过水层，再射入试件，这是一种非接触式超声检测方法。

其特点如下：（1）能够直接消除检测中一些控制难度较大因素，保证声波发射以及接收较为稳定。

（2）在检测当中，对试件表面光洁度没有太高要求，不易磨损探头，耦合较为稳定，且具有良好的检测结果重复性。

（3）自动检测效果好，可加快检测速度。

2 水浸式超声探头类型
在超声检测当中，检测仪器、探头是构成超声波检测的主要部分，探头是实现超声波发射、接收的主要构件，因此，很大程度上，探头的性能对超声检测性能起决定作用。

根据探头功能不同，可以分为多种探头类型，常见的包括水浸直（平）探头、水浸聚焦探头等。

具体如下。

2.1 水浸直（平）探头
水浸直（平）探头是指在水中采用纵波直探头。

通过改变探头倾角，可以使声波束由水中倾斜入射到工件表面，或者通过折射在工件上形成纯横波。

2.2 水浸聚焦探头
聚焦探头可以将超声波束聚集到一起，形成一定体积的焦柱区，在焦点处通过聚集探头，可以高度集中声能，从而大幅度提升检测的灵敏度，减少干扰信号，增强检测信噪比。

在日常检测当中，水浸聚焦探头一般分为2种，其一，把压电晶片制成凹面，进行直接聚焦；其二，将声透镜加设到水浸直探头上，从而形成聚焦声束。

在水浸质量缺陷检测中，为了有效解决水中声束扩散的缺点，提高声束的指向性、灵敏度及分辨能力，特别是凸弧面工件测定中可采用聚焦探头。

3 研究方法
当前，在TC4合金棒材质量检测中多采用水浸式超声波法，根据现行标准和规范要求，可采用水浸聚焦探头。

根据研究表明，探头聚焦可分为两类，即球面聚焦、柱面聚焦。

聚焦方式、晶片直径、探头频率和焦距是聚焦探头的主要参数。

为了详细检测TC4合金棒材质量，本文采用了两种不同的聚焦探头，并在同频率、晶片直径和焦距尺寸各异的条件下进行对比分析，通过对比分析，进一步增强探伤检测精确度。

试验当中，选用水浸探伤系统和TC4合金准25 mm棒材对比试样，通过8.0-25 mm检测水距对TC4合金准25 mm棒材对比试样不同埋深的准0.8 mm平底孔波幅高度达到满屏高度80%时的增益值和信噪比进行分析。

在本次试验当中，所测数据分析中，对试样材料的衰减不予考虑，并假设全部对比试样加工的平底孔尺寸都为名义尺寸。

4 研究结果
4.1 探头聚焦方式
在本次试验当中，所选圆柱面聚焦探头和球面聚焦探头的参数均为：15 MHz频率、准0.25″（6.4 mm）晶片直径、0.75″（19 mm）焦距。

通过对比分析，可获取两种探头的所需增益和信噪比，通过研究可知，在上述条件下，圆柱面聚焦探头具有较高检测灵敏度及良好的信噪比，可以有效提升小缺陷的检测能力。

4.2 探头晶片直径
以圆柱面聚焦水浸探头为例，在15 MHz频率与0.75″焦距不变的条件下，采取三种的晶片直径，即准0.125″、准0.25″和准0.375″，对比分析圆柱面聚焦水浸探头增益数据。

根据三种不同直径下的数据曲线可知，选择埋深不同的平底孔，仍可实现相同高度所需增益值, 且按照“低-高”顺序依次排列，分别为0.25″＜0.375″＜0.125″。

通过式2
6)
/
(
4D
F
L
L dBλ
≈
=-,)
/
(
6D
F
dBλ
φ
φ≈
=-大致计算出聚焦浸水探头在水中的焦柱长度和焦柱直径，所得结果如下：晶体直径为0.125in，焦柱长度额外14mm，焦柱直径0.6mm；晶体直径为0.25in，焦柱长度额外 3.5mm，焦柱直径0.3mm；晶体直径为0.375in，焦柱长度额外1.6mm，焦柱直径0.2mm。

在具体检测中发现，在棒材表面超声波产生透射、折射及反射，且具有极其复杂的关系。

仅能利用不同埋深平底孔灵敏度的变化趋势，进一步确定棒材内部不同探头声场的聚集情况。

基于上述分析，本文针对TC4合金φ25mm对比试样上大小为φ0.8mm、埋深分别为1.5、6.25、12.5、18.75和24 mm平底孔的信噪比与水距进行分析与探讨。

通过试验数据分析可知，在采用水浸式超声波法对TC4合金φ25mm棒材探伤时，选择晶片直径φ0.25″圆柱面聚焦探头,可有效提高棒材整个圆周面的灵敏度和信噪比。

4.3 探头频率
超声波探伤发现最小缺陷为λ/2，λ为超声波的波长。

超声波波长可以通过以下公式进行计算：λ=c×f。

在超声波波长λ计算中，根据研究表明,超声波探伤发现，λ/2为最小缺陷，可通过λ=c×f进行计算与分析。

其中：超声波波长由λ表示（mm）；材料声速由c表示(mm/s)； 检测频率由f表示(Hz)。

通过对φ0.25″、0.75″焦距，不同频率探头的对比分析，可获取各个探头的波长。

具体如下：
（1）当探头频率为10MHz时，材料声速为6100mm/s，超声波波长为0.61mm。

（2）当探头频率为15MHz时，材料声速为6100mm/s，超声波波长为0.41mm。

（3）当探头频率为25MHz时，材料声速为6100mm/s，超声波波长为0.24mm。

在对TC4合金准25 mm试棒不同埋深平底孔检测时，采用晶片
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比较长桁压缩极限强度cu F 及长桁压损应力加权平均值cc F ，如果cu c F F >c ，则将压缩极限强度cu F 作为长桁压损许用值cc F 。

提取有限元计算结果中的长桁单元应力，通过下式计算安全裕度：
1..-=st
cc F
S M σ
2.6 壁板柱屈曲强度计算
壁板柱稳定性分析中，首先进行长桁局部屈曲强度及压损强度计算，然后取局部屈曲强度及压损强度的较小值求解壁板柱失稳许用载荷。

2.6.1 长桁局部屈曲强度计算
长桁局部屈曲是指桁条的组成单元（腹板或缘条）产生了面外翘曲而发生的屈曲，将桁条分为不同单元，求解各单元的屈曲载荷，腹板单元一般当作两长边简支的长板处理，按下式计算其局部屈曲载荷：
⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣⎡++=
22661222112222)2(2D D D D D b D N xcr π 缘条单元一般当作一长边自由，另一长边简支的长板处理，可按下式计算缘条的轴压局部屈曲载荷：
2
11
2266
12L D b D N xcr π+
=
由以上公式求出长桁各单元局部屈曲载荷后，除以单元厚度可得到各单元局部屈曲应力xcr σ，比较压缩极限强度cu F 及长桁各单元局部屈曲应力xcr σ，如果cu xcr F >σ，则将压缩极限强度cu F 作为长桁局部屈曲应力xcr σ。

2.6.2 壁板柱屈曲强度计算
壁板在轴压作用下的承载能力计算采用有效宽度法，有效宽度取蒙皮厚度的15倍，采用约翰逊—欧拉公式进行求解：
222
'4⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛-=ρπσL E F F x
cc cc c
其中cc F 为长桁压损应力与局部屈曲应力的较小值；x E 为长桁等效弹性模量；'L 为有效柱长度，ρ为壁板回转半径。

根据破坏应力c σ首先长桁破坏应变x c c E σε=，然后确定各部分破坏应力c i i E εσ=，最后根据各部分破坏应力求解各部分破坏载荷并求和，作为壁板柱屈曲许用载荷：
∑
=i i cr A P σ 壁板柱屈曲许用载荷包含长桁载荷，两侧蒙皮载荷及连接区蒙皮载荷；壁板柱工作载荷取长桁载荷及其两侧蒙皮半宽度载荷之和，通过比较壁板柱工作载荷与许用载荷，可求得壁板柱稳定性安全裕度。

3 结语
随着复合材料的大量应用，特别是复合材料主承力结构的应用，其强度刚度设计关系到飞机飞行安全，作为强度设计人员需要总结和掌握一套成熟的分析方法用于指导设计工作。

本文以飞机典型壁板结构为例，详述了壁板结构强度设计中需要校核的强度项目及具体校核方法，在蒙皮稳定性校核中，暂未考虑结构后屈曲，可以通过采用后屈曲系数对结核结果进行修正。

本文分析方法可为飞机强度设计工作提供支持，对复合材料飞机的发展具有教高参考价值，可用于相关型号的复合材料结构研制工作中。

参考文献：
[1]黄文超,王呈呈,何苗苗.复材机翼翼根上壁板连接区强度分析方法研究[J].机械设计,2015(S2):157-162.
[2]牛春匀.实用飞机复合材料结构设计与制造[M].北京:航空工业出版社,2009.
[3]CMH-17协调委员会.复合材料手册[M].上海:上海交通大学出版社,2015.
[4]中国航空研究院.复合材料稳定性分析指南[M].北京:航空工业出版社,2002. 作者简介：
宋波涛（1986-），男，硕士研究生，工程师，主要从事飞机结构静强度设计及复合材料强度设计分析工作。

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油烟净化。

当烟气进入电离区时，高压电极放电，是油烟微粒带电，由于正负电荷的吸附作用，油烟微粒被极板吸附，完成烟气净化。

其具有净化效率高、重量轻、体积小、运行平稳等优。

在尾气回收利用方面，我们和供应商进行了沟通，原先的设计中，工件清洗后，采用电加热（54KW），通过风扇循环风烘干。

通过改造，将回火炉的尾气引入清洗机，作为工件清洗后烘干用途，此举减少了清洗机约20%的功率。

4 结语
（1）工艺重复性好，稳定了产品质量。

（2）实现了柔性生产，同样的车间面积，产能达2倍多。

（3）能源成本节约20%。

（4）劳动强度降低80%以上，改善了劳动条件。

（5）生产过程完全管控、质量资料同步形成。

（6）实施清洁生产。

参考文献：
[1]俞浩荣.基于PLC的自动上料控制系统设计[J].机械工程师,2008 (10):148-149.
探头＜频率15 MHz 探头＜频率10 MHz 探头。

基于超声波检测的高频率、短波长及窄声束特点，超声能量集中效果更佳。

因此，在小缺陷探测当中，水浸式超声检测能力极强，且可大幅提高分辨力。

此外，针对周期数相同的脉冲，当具有较高频率时，探头脉冲宽度相对不大，因此，近表面埋深具有更好的分辨能力。

基于此，在近表面分辨力较高要求的条件下，可采用高频探头。

但是，当频率不断增加时，超声波在材料内的衰减将会随之逐步加大，且穿透能力也会随之下降。

因此，于钛合金材料而言，声能衰减将会更加显著。

因此，高频率探头在相同检测灵敏度方面，所需增益值更高。

此外，根据信噪比数据分析，在TC4合金φ25 mm 棒材检测中，相比10MHz 和25 MHz 水浸聚焦探头，15 MHz 水浸聚焦探头无论是在增益值方面，亦或是信噪比方面，均具有良好的效果。

4.4 探头焦距
同样，采用晶片直径为ф0.25″，0.5″、0.75″和1.0″不同焦距，及15MHz 频率的圆柱面聚焦探头，对ф0.8mm 不同埋深平底孔水距和信噪比进行检测，并分析其关系。

通过数据检测可知，当
较短，无法在探头聚焦区域检测，从而影响信噪比。

5 结语
综上所述，在金属合金质量检测中，水浸式超声无损检测应用效果显著。

为此，本文以此展开分析与探讨。

在全面了解水浸式超声无损检测原理及探头类型的基础上,结合具体案例,对比分析了两种聚集探头的应用效果。

由此得出,钛合金棒材质量检测中圆柱面聚焦探头更为适合,可获得良好的检测信噪比和检测结果。

参考文献：
[1]马玉蕊.超声波探伤在铝合金中厚板检测中的应用[J].有色金属加工,2015(2):33-35.
[2]朱斌燕,路广平,陈松.HFW钢管产品多领域开发[J].石油科技论坛, 2017(4):71-75.
[3]宋德军,牛龙,杨胜利.船舶海水管路钛合金应用技术研究[J].稀有金属材料与工程.2020(03):1100-1104.
[4]刘平.超声检测在实际工作中的应用[J].工程技术研究,2016(08): 121-122.。