复杂薄壁结构钎焊接头的超声Lamb检测
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力波 ， 通常也称 “ 板波 ” 。当板厚 和波长相 当时 ， 在交
收 稿 日期 ： ００— ８— １ ２ １ ０ ０
ｍ ｍ长度 分别 为 ｌｍ ２ ｍ ３ｍｍ， ｍ， ｍ， ４ｍｍ的 通槽 ， 来模
拟钎 焊过程 中 的未钎透缺 陷 。
Ｉ
∞
吕
、
越
犟
１
２
３
４
５
６
７
８
９
１ １ ｌ ０ １ ２
频 厚 积 ／ ＭＨ ・ ｌ （ ｚ ｍｉ ） １
图 ３ 相 速 度 频 散 曲线 图 （ Ｃ ｌＮ９ ｉ １ ｒ８ ｉ ） Ｔ
图 １ 槽 类 缺 陷模 拟 试 块 不 意 图
在焊 接缺 陷试 件 设 计 加 工 缺 陷 过 程 中 ， 用 在 预 采 置缺陷位 置加 工和缺 陷 尺寸 相 同的 槽 。在槽 内涂抹 阻
同类 型 的 Ｌ ｍ ａ ｂ波 ， 有 不 同 的阶次 ， 常用 ． ， Ｓ 还 通 ｓ Ｓ ， 。
… …
用 … 。但 是 ， 未钎 透等焊 接缺 陷降低 焊 件 的气 密性 、 水
密性 以及接 头 的强 度 ， 焊件 的使 用 安全 造 成 很 大 的 对 威胁 。如何 准确有效 地检测 出焊接 接头 的缺 陷成 为保 障航 天器 、 电设备 安全运行 的关键 所在 。 核 由于检测 盲 区 的存 在 ， 规 的 横 波 和纵 波 检 测 很 常 难 实现对薄板 的检测 ， Ｌ ｍ 而 ａ ｂ波可 以实 现厚度 同激励 波长 相 同数量 级 的板 材 的检测 。同 时 Ｌ ｍ ａ ｂ波 本 质 上
关键词 ： Ｌ ｍｂ波 ａ
薄壁结构
钎焊结构
模态选择
中 图分 类 号 ： Ｔ １ ．８ Ｇ１ ５ ２
０ 前
言
替变化 的表 面张力作 用下 介质 质点 将 产生相 应 的纵 向
和横向振动 ， 种振动的合成使质点作椭 圆轨迹的振动。 ２ 根据板 内质点振 动位 移 的分 布形 态 不 同 ， ｍ ａ Ｌ ｂ波
分 为对称形 Ｌ ｍ ａ ｂ波 和反对称 形 Ｌ ｍ ａ ｂ波。 同时对 于不
板状钎 焊结构 尤 其 是 薄 板钎 焊 结 构 ， 于具 有 变 由
形小、 质量轻 、 易 保证 焊 件 的尺 寸 精 度等 优 点 ， 容 因而 在航 天航 空 工 业 、 工 业 、 舶 工 业 中得 到 广 泛 的 应 核 船
文 中采 用可变 角度探头激 发 出不 同模 式 Ｌ ｍ ａ ｂ波 ， 通 并
（ ） 一ｋ （ ） 一
ｋ ： ２
ｏ
过理论 和实 际检测相结 合 的方法 得பைடு நூலகம்到该 试验 条件 下 的
最佳检测模 式 ， 采用该 模式 进行 检 测 ， 到 了较 为 满 并 得 意 的结果 。
无损 检测 。
反对称 模式 ：
ｔｎ ｂ一 ａｋ ４ｋ Ｚ ｏｋ
箸 ｒ Ｉ ｆ ｋ 。 ｓ
（ － ２ ／ ）
（） ３ （） ４
其中：
ｋ ＝ ｚ
。
国 内外学 者大 多 采用 Ｌ ｍ ａ ｂ波对 钢 板 分层 进 行 研 究， 而对文 中所 研 究 的 复 杂 薄 壁 钎 焊 接 头 未 见 报 道 。
。
生产应用 ， 蜉掳
复 杂 薄 壁 结 构 钎 焊 接 头 的 超 声 Ｌ ｍｂ检 测 ａ
航 天 十 一 院 航 天 宏 伟 压 力 容 器 检 验 站（ 北京 市 １０ ７ ） ００ ４ 刘 磊
哈 尔滨ｍ ＿ 大学现代 焊接 生 产技 术 国 家重点 实验 室（ ５ ０ １ ， ｌ ｋ １０ ０ ）
８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ ｌ ８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ ●
设计 了模拟试块 。模拟 试块 采 用和 实 际焊件 相 同材 质 的 １ ｒ８ ｉＴ 不 锈钢板 ， Ｃ ｌＮ ９ ｉ 材料 厚度 为 ２ｍ ｍ。如 图 １ 所 示， 采用 电火花 加工技 术在不锈 钢板上加 工 宽度为 ０ ３ ．
２１ ０ ０年 第 １ ２期 ４９
量级 的传播介质 中 由纵 波和 横波 合成 的 特殊 形式 的应
表示不 同 的对称形 Ｌ ｍ ａ ｂ波模 式 ，。４ ， Ａ ， Ａ ……表
示不 同的反对 称形 Ｌ ｍ ａ ｂ波模 式 Ｊ 。 不 同模式 的 ｌ ｂ波 具有 不 同 的相速 度 和群 速 度 ， ａ ｍ 而相 速 度 可 由 Ｒ ｙ ｉ ａｌ ｇ ｅ ｈ—Ｌ ｍ 方程 来 求 得 ， 程 的 ａｂ 方
摘要
迟大钊
赵雪梅
刚
铁
薄板钎 焊结构具有变形小 、 质量轻等优点而具有 广阔的应用前景 ， 但未钎 透等焊接缺陷 的存 在严重影
响薄壁钎焊结构的使用安全。针对常规超声很难实现 薄壁结构钎焊接 头焊接缺 陷定 位、 定量 的问题 ， 采用 可变角
度 探 头 激 发 出 不 同模 式 的 Ｌｍｂ波对 模 拟 试 块 和 焊接 接 头 进 行 检 测 。试 验 结 果 表 明 ， 类 模 拟 试 块 最 佳 检 测 模 式 ａ 槽 为 Ａ 模 式 ， 际 钎 焊结 构 的最 佳 模 式 为 Ａ 模 式 。分 析 了 出 现这 种 现 象 的 原 因并 通 过 试 验进 行 了验 证 ０ 实
表达式 如下 ：
ｔｎ ｂ一 ａｋ
。 ｆ
ｋ ｋ ２
ｏ
（： ） 一
㈩
是二 维的 ， 衰减不像 三维 体 波衰减 那 么快 ， 其 因而 可 以
传播 相 当长 的距离 ， 就使得 Ｌ ｍ 这 ａ ｂ波 具有 纵波 和横 波 难 以 比拟 的快捷 、 高效 的特 点 ， 非常适 合 于板 形结 构 的
１ Ｌ ｍｂ波原理 ａ
式 中 ： 沿板水平 方 向的波数 ； ｋ为 ｂ为 １２板厚 ； 为 ／
角频率 ；。 ｃ 为纵 波速度 （ 常数 ） ｃ 为横 波速度 （ ； 常数 ） 。
２ 试 验研 究
ａ Ｌｍｂ波是一 种 在 厚度 与激 励 声 波 波 长 为 相 同数
２ １ 缺 陷试件 的设计 与制作 ． 为 方便激励 模 式 的验 证 以及 检 测 方 法 的探 讨 ， 特
收 稿 日期 ： ００— ８— １ ２ １ ０ ０
ｍ ｍ长度 分别 为 ｌｍ ２ ｍ ３ｍｍ， ｍ， ｍ， ４ｍｍ的 通槽 ， 来模
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图 ３ 相 速 度 频 散 曲线 图 （ Ｃ ｌＮ９ ｉ １ ｒ８ ｉ ） Ｔ
图 １ 槽 类 缺 陷模 拟 试 块 不 意 图
在焊 接缺 陷试 件 设 计 加 工 缺 陷 过 程 中 ， 用 在 预 采 置缺陷位 置加 工和缺 陷 尺寸 相 同的 槽 。在槽 内涂抹 阻
同类 型 的 Ｌ ｍ ａ ｂ波 ， 有 不 同 的阶次 ， 常用 ． ， Ｓ 还 通 ｓ Ｓ ， 。
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用 … 。但 是 ， 未钎 透等焊 接缺 陷降低 焊 件 的气 密性 、 水
密性 以及接 头 的强 度 ， 焊件 的使 用 安全 造 成 很 大 的 对 威胁 。如何 准确有效 地检测 出焊接 接头 的缺 陷成 为保 障航 天器 、 电设备 安全运行 的关键 所在 。 核 由于检测 盲 区 的存 在 ， 规 的 横 波 和纵 波 检 测 很 常 难 实现对薄板 的检测 ， Ｌ ｍ 而 ａ ｂ波可 以实 现厚度 同激励 波长 相 同数量 级 的板 材 的检测 。同 时 Ｌ ｍ ａ ｂ波 本 质 上
关键词 ： Ｌ ｍｂ波 ａ
薄壁结构
钎焊结构
模态选择
中 图分 类 号 ： Ｔ １ ．８ Ｇ１ ５ ２
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言
替变化 的表 面张力作 用下 介质 质点 将 产生相 应 的纵 向
和横向振动 ， 种振动的合成使质点作椭 圆轨迹的振动。 ２ 根据板 内质点振 动位 移 的分 布形 态 不 同 ， ｍ ａ Ｌ ｂ波
分 为对称形 Ｌ ｍ ａ ｂ波 和反对称 形 Ｌ ｍ ａ ｂ波。 同时对 于不
板状钎 焊结构 尤 其 是 薄 板钎 焊 结 构 ， 于具 有 变 由
形小、 质量轻 、 易 保证 焊 件 的尺 寸 精 度等 优 点 ， 容 因而 在航 天航 空 工 业 、 工 业 、 舶 工 业 中得 到 广 泛 的 应 核 船
文 中采 用可变 角度探头激 发 出不 同模 式 Ｌ ｍ ａ ｂ波 ， 通 并
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最佳检测模 式 ， 采用该 模式 进行 检 测 ， 到 了较 为 满 并 得 意 的结果 。
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反对称 模式 ：
ｔｎ ｂ一 ａｋ ４ｋ Ｚ ｏｋ
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国 内外学 者大 多 采用 Ｌ ｍ ａ ｂ波对 钢 板 分层 进 行 研 究， 而对文 中所 研 究 的 复 杂 薄 壁 钎 焊 接 头 未 见 报 道 。
。
生产应用 ， 蜉掳
复 杂 薄 壁 结 构 钎 焊 接 头 的 超 声 Ｌ ｍｂ检 测 ａ
航 天 十 一 院 航 天 宏 伟 压 力 容 器 检 验 站（ 北京 市 １０ ７ ） ００ ４ 刘 磊
哈 尔滨ｍ ＿ 大学现代 焊接 生 产技 术 国 家重点 实验 室（ ５ ０ １ ， ｌ ｋ １０ ０ ）
８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ ｌ ８ ７ ６ ５ ４ ３ ２ ●
设计 了模拟试块 。模拟 试块 采 用和 实 际焊件 相 同材 质 的 １ ｒ８ ｉＴ 不 锈钢板 ， Ｃ ｌＮ ９ ｉ 材料 厚度 为 ２ｍ ｍ。如 图 １ 所 示， 采用 电火花 加工技 术在不锈 钢板上加 工 宽度为 ０ ３ ．
２１ ０ ０年 第 １ ２期 ４９
量级 的传播介质 中 由纵 波和 横波 合成 的 特殊 形式 的应
表示不 同 的对称形 Ｌ ｍ ａ ｂ波模 式 ，。４ ， Ａ ， Ａ ……表
示不 同的反对 称形 Ｌ ｍ ａ ｂ波模 式 Ｊ 。 不 同模式 的 ｌ ｂ波 具有 不 同 的相速 度 和群 速 度 ， ａ ｍ 而相 速 度 可 由 Ｒ ｙ ｉ ａｌ ｇ ｅ ｈ—Ｌ ｍ 方程 来 求 得 ， 程 的 ａｂ 方
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迟大钊
赵雪梅
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薄板钎 焊结构具有变形小 、 质量轻等优点而具有 广阔的应用前景 ， 但未钎 透等焊接缺陷 的存 在严重影
响薄壁钎焊结构的使用安全。针对常规超声很难实现 薄壁结构钎焊接 头焊接缺 陷定 位、 定量 的问题 ， 采用 可变角
度 探 头 激 发 出 不 同模 式 的 Ｌｍｂ波对 模 拟 试 块 和 焊接 接 头 进 行 检 测 。试 验 结 果 表 明 ， 类 模 拟 试 块 最 佳 检 测 模 式 ａ 槽 为 Ａ 模 式 ， 际 钎 焊结 构 的最 佳 模 式 为 Ａ 模 式 。分 析 了 出 现这 种 现 象 的 原 因并 通 过 试 验进 行 了验 证 ０ 实
表达式 如下 ：
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１ Ｌ ｍｂ波原理 ａ
式 中 ： 沿板水平 方 向的波数 ； ｋ为 ｂ为 １２板厚 ； 为 ／
角频率 ；。 ｃ 为纵 波速度 （ 常数 ） ｃ 为横 波速度 （ ； 常数 ） 。
２ 试 验研 究
ａ Ｌｍｂ波是一 种 在 厚度 与激 励 声 波 波 长 为 相 同数
２ １ 缺 陷试件 的设计 与制作 ． 为 方便激励 模 式 的验 证 以及 检 测 方 法 的探 讨 ， 特