CN102095799A - 一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法 - Google Patents

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Abstract

一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，它涉及7系铝合金锻件初晶化合物缺陷的超声波检测方法。本发明的目的是为了解决：一、要求探伤盲区无法小于2mm；二、某些规格锻件上表面与下表面不平行或存在不规则的曲面，使声波产生折射或者散射，使接收能量降低等，致使现有技术无法检测出7系铝合金锻件中是否含有初晶化合物缺陷的问题。本发明的步骤为：一、制作人工伤对比试件，调试检测灵敏度；二、检测。本发明优点在于：填补了铝合金锻件初晶化合物缺陷采用超声波检测的空白，水浸探头超声波检测技术的应用，是对超声波检测技术的拓展与重大发现。本发明主要用于检测7系铝合金锻件是否存在没有破坏金属连续性的初晶化合物缺陷。

Description

一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法
技术领域
本发明涉及一种超声波检测方法，具体涉及一种7系铝合金锻件缺陷超声波探伤的方法。
背景技术
铝合金是纯铝中加入Mg，Zn，Si，Cu等金属的合金。铝本身具有轻量、可塑性好、耐腐蚀等优点，加入其他金属后显著提高了机械性能。铝合金典型的合金为6000系(Al-Mg-Si)和7000系(Al-Zn-Mg-Cu)两种，简称6系和7系。根据铝本身耐高温，在高温下能改变性质的特点，经过热处理6系和7系铝合金可以制成名种各样的材料。6系被认为是耐腐蚀、强度好、焊接性也好的材料；而7系超硬铝合金锻件具有密度小、强度高、加工性能好等优点，广泛应用于航空航天及民用工业，是航空航天工业的主要结构材料之一。
在7系铝合金铸锭结晶过程中，由于可以形成初晶的合金元素含量过高或者熔体铸造温度较低，都会造成7系铝合金锻件内部组织常存在一种不破坏金属连续性，具有硬脆特性的初晶化合物。它的存在可显著降低合金的热加工性能、成型性能、疲劳强度、韧性等。采取常规的超声波接触法探伤时，缺陷不易检测，特别是后续产品加工过程中化合物被破碎、分离，使之呈现体积更小、棱角不规则的点状形态，更增加了探伤检测难度。难度在于：一、初晶化合物缺陷没有破坏金属的连续性；二、要求探伤盲区小于2mm；三、某些规格锻件上表面与下表面不平行；四、是锻件有不规则的曲面，声波在曲面上易产生散射，使接收能量降低。
发明内容
本发明的目的是为了解决：由于探伤盲区无法小于2mm，某些规格锻件上表面与下表面不平行或存在不规则的曲面，使声波产生折射或者散射，使接收能量降低等，致使现有技术无法检测出7系铝合金锻件中是否含有初晶化合物缺陷的问题。
一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，其具体步骤为：一、取同规格锻件制作对比试件，其人工伤为1号～8号，1号：孔径Φ0.8mm、孔深10.5mm、孔埋深1.5mm；2号孔径Φ0.8mm、孔深7.5mm、孔埋深6mm；3号孔径Φ0.8mm、孔深1.5mm、孔埋深13mm；4号孔径Φ1.2mm、孔深1.5mm、孔埋深13.5mm；5号孔径Φ1.2mm、孔深8mm、孔埋深6mm；6号孔径Φ1.2mm、孔深11mm、孔埋深2mm；7号孔径Φ0.8mm、孔深1.5mm、孔埋深3.5mm；8号孔径Φ0.8mm、孔深3.5mm、孔埋深1.5mm，调试探伤灵敏度，使探伤盲区在2mm以下；
二、以水作耦合剂，将不存在不连续缺陷的被测锻件完全浸在水中，采用5～20MHz点聚焦水浸探头，并调试探头的探测角度，使其能接收到的底波能量达到最高后，对被测锻件进行全面扫查探伤，探伤时水温保持在20～50℃之间，扫查间距应不大于探测时超声波有效声束的宽度，扫查速度应不大于100mm/s，通过超声波谱图观察，如果在界面波和底波之间出现明显反射波，则确定被测锻件存在初晶化合物缺陷。
本发明的优点：以美标B594-02、GJB1580A-2004及CB/T6519-2000标准中为准——无损检测金属中不连续性缺陷，对于本发明而言，采用水做耦合剂，能与被测锻件充分的接触，接收能量较高，检测精度高，盲区小，能检测7系铝合金锻件中没有破坏金属连续性的初晶化合物，且适用不规则曲面锻件的检测。本发明检测方法，填补了铝合金锻件初晶化合物缺陷采用超声波检测的空白，此超声波检测技术的应用，是对超声波检测技术的拓展与重大发现，为对没有破坏金属连续性的其它缺陷实施超声波检测，提供了科学依据，极具推广价值。
附图说明
图1中①表示外表面与内表面的角度β°，②表示超声波入射声束折射角β，③表示超声波入射声束入射角α，④表示法线，⑤表示水面，⑥表示被测锻件，⑦表示被测锻件的外表面，⑧表示被测锻件的内表面，⑨表示超声波入射声束；图2是制作对比试样人工伤示意图；图3是未超标缺陷剖伤试样1#试样的高倍图片(100倍)，其缺陷当量值为Φ0.8mm-5dB；图4是超标缺陷剖伤试样为2#试样的高倍图片(100倍)，其缺陷当量值为Φ1.2mm+1dB；图5是超标缺陷剖伤试样为3#试样的高倍图片(100倍)，其缺陷当量值为Φ1.2mm+3dB；图6是超标缺陷剖伤试样为4#试样的高倍图片(100倍)，其缺陷当量值为Φ1.2mm+1dB；图7是未超标缺陷剖伤试样1#试样的低倍图片(10倍)，其缺陷当量值为Φ0.8mm-5dB；图8是超标缺陷剖伤试样为2#试样的低倍图片(10倍)，其缺陷当量值为Φ1.2mm+1dB；图9是超标缺陷剖伤试样为3#试样的低倍图片(10倍)，其缺陷当量值为Φ1.2mm+3dB；图10是超标缺陷剖伤试样为4#试样的低倍图片(10倍)，其缺陷当量值为Φ1.2mm+1dB；图11是缺陷试样的超声波探伤谱图，图中A是水层厚度，B是界面波，C是缺陷波，D是底波。(所述的缺陷当量值是和制作的对比人工伤的孔径进行对比得到的值。)
具体实施方式
具体实施方式一：本发明采用高频点聚焦、水浸探头超声波无损检测技术，其具体步骤如下：
步骤一、选择探伤方法
水浸法具有能够消除直接接触法中难以控制的因素、同时具有提高检测精度、检测速度等优点，易于实现自动化，探伤后对耦合剂无需清理，因此选用水浸法进行探伤。
步骤二、选择耦合剂
由于水浸探伤超声波发射和接收较为稳定，容易调节声束入射角，以获得最大声能反射，盲区小，锻件探测完后表面易清理。因此，将水作为超声波传播耦合剂。
步骤三、选择探头和确定入射角
为了提高探测灵敏度，使声束汇聚，以获得局部的高能声束，根据工件的特征、被检缺陷的特点和避免锻件存在不规则的曲面的问题，选用点聚焦水浸探头进行探测，超声波探伤仪应能与所选用的探头相匹配，分辨力好、抗干扰能力强。探测时，调试水层厚度使聚焦区落在锻件壁内。由于某些锻件外表面与内表面不平行，即锻件外表面与内表面存在角度β°，为了获得较强的回波，调试点聚焦水浸探头使折射角与锻件外表面与内表面存在角度相同β°，根据斯奈尔定律，入射角与折射角之间的关系见公式(1)。可由公式(1)求得入射角α°，如图1所示。
sinα/CL1＝sinβ/CL2                 (1)
式中：CL1--水中声速，1500m/s；
CL2--铝中纵波声速，6300m/s；
α---入射角；
β---折射角。
步骤四、制作人工伤
为保证检测初晶化合物缺陷结果的准确性、可靠性、可比性，对比试样采取在同规格锻件，根据锻件侧壁的厚度决定，制作两组不同孔径、不同深度的人工伤平底孔，每组最少钻制三个人工伤；由于底部面积较小，且厚度较薄，制作两个同孔径、不同深度的人工伤平底孔。将这些人工伤作为检测的参照标准和调试探伤的灵敏度。图2是某种规格锻件对比试样人工伤示意图，表1是该规格人工伤参数。
表1人工伤参数
  序号   1   2   3   4   5   6   7   8
  孔径Φ(mm)   0.8   0.8   0.8   1.2   1.2   1.2   0.8   0.8
  孔深(mm)   10.5   7.5   1.5   1.5   8   11   1.5   3.5
  孔埋深(mm)   1.5   6   13   13.5   6   2   3.5   1.5
步骤五、确定探头扫查方法
以水作耦合剂，将被测锻件完全浸在水中，采用5～20MHz点聚焦水浸探头对被测锻件进行全面扫查探伤，探伤时水温保持在20～50℃之间，扫查间距应不大于探测时超声波有效声束的宽度，扫查速度应不大于100mm/s。
锻件侧壁探伤：探头是在垂直于锻件侧壁外方向沿法线偏离α°角，产生折射角β°，使折射声束垂直锻件侧壁内壁，扫查方式并沿锻件纵向扫查，完成一次扫描后，锻件沿轴向转动，转动间距应不大于探测时超声波有效声束的宽度，继续扫描至覆盖整个锻件的侧壁，所述α°是所探测部位超声波声束的入射角。
锻件底部探伤：探头首先在垂直于锻件底部方向沿纵向或横向扫查，扫查间距应不大于探测时超声波有效声束的宽度，扫描整个底部后，还应该沿底部周向扫查。
步骤六、调试探伤灵敏度
调试探测锻件侧壁探伤灵敏度：根据1号、2号、3号、4号、5号、6号对比人工伤调试探测锻件侧壁探伤灵敏度。其中4号、5号、6号人工伤的作用是探伤灵敏度粗调，1号、2号、3号人工伤的作用是探伤灵敏度精调。先用4号、5号、6号人工伤调试探测锻件侧壁探伤灵敏度参数粗调，当三个人工伤清晰可分辨时，以6号人工伤用于调试上盲区，4号人工伤用于调试下盲区；再用1号、2号、3号人工伤调试探测锻件侧壁探伤灵敏度参数细调，当三个人工伤可分辨时，以三个人工伤中波幅最低的为基准，调整仪器增益使波高达到80％，提高6dB，再进行1号、2号、3号人工伤的探测，当三个人工伤清晰可分辨时，以1号人工伤用于调试上盲区，3号人工伤用于调试下盲区，以此调试的仪器灵敏度作为锻件侧壁探伤起始灵敏度，即缺陷当量值Φ0.8mm。
用7号、8号人工伤调试探测锻件底部探伤灵敏度，使两个人工伤清晰可分辨，以两个人工伤波幅最低的一个为基准，调整仪器增益使波高达到80％，提高4dB，再进行7号、8号人工伤的探测，使两个人工伤清晰可分辨时，以此调试的仪器灵敏度作为锻件底部探伤起始灵敏度，即缺陷当量值Φ0.8mm。
步骤七、探测结果和剖伤验证
通过超声波谱图观察，如果在界面波和底波之间出现明显反射波，则确定被测锻件存在初晶化合物缺陷。本发明对3200个锻件进行了无损检测与判定，初晶化合物缺陷超标200件，未超标缺陷305件，其余锻件无初晶化合物。其中对合格品抽检复探40件，没有发现缺陷。
经对探伤结果判定为化合物偏析未超标、超标的锻件进行定位剖伤验证、确认，结果为：未超标缺陷剖伤试样为1#试样，超标缺陷剖伤试样为2#、3#、4#试样，其高倍、低倍图片依次为图3～图10，图11是缺陷试样的超声波探伤谱图。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点是：步骤五中采用是无杂质、无气泡的过滤水，其他步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤五中采用10～18MHz点聚焦水浸探头，其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三的不同点是：步骤五中才用15MHz点聚焦水浸探头，其他步骤与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤五中的探伤水温是30～40℃，其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一或二的不同点是：步骤五中扫查间距应不大于探测时超声波有效声束宽度的1/2，其他步骤与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六的不同点是：步骤五中采用扫查速度不大于50mm/s，其他步骤与具体实施方式六相同，其他步骤与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同点是：步骤五中采用15MHz点聚焦水浸探头，探伤时水温保持在30～40℃之间，扫查间距应不大于探测时超声波有效声束宽度的1/2，扫查速度应不大于50mm/s，其他步骤与具体实施方式一相同。

Claims (10)

1.一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，其特征在于：一、取同规格锻件制作对比试件，其人工伤为1号～8号，1号：孔径Φ0.8mm、孔深10.5mm、孔埋深1.5mm；2号孔径Φ0.8mm、孔深7.5mm、孔埋深6mm；3号孔径Φ0.8mm、孔深1.5mm、孔埋深13mm；4号孔径Φ1.2mm、孔深1.5mm、孔埋深13.5mm；5号孔径Φ1.2mm、孔深8mm、孔埋深6mm；6号孔径Φ1.2mm、孔深11mm、孔埋深2mm；7号孔径Φ0.8mm、孔深1.5mm、孔埋深3.5mm；8号孔径Φ0.8mm、孔深3.5mm、孔埋深1.5mm，调试探伤灵敏度，使探伤盲区在2mm以下；
二、以水作耦合剂，将不存在不连续缺陷的被测锻件完全浸在水中，采用5～20MHz点聚焦水浸探头，并调试探头的探测角度，使其能接收到的底波能量达到最高后，对被测锻件进行全面扫查探伤，探伤时水温保持在20～50℃之间，扫查间距应不大于探测时超声波有效声束的宽度，扫查速度应不大于100mm/s，通过超声波谱图观察，如果在界面波和底波之间出现明显反射波，则确定被测锻件存在初晶化合物缺陷。
2.根据权利要求1所述一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，其特征在于步骤一中用1号、2号、3号、4号、5号、6号人工伤调试探测锻件侧壁探伤灵敏度；其中4号、5号、6号人工伤的作用是探伤灵敏度粗调，1号、2号、3号人工伤的作用是探伤灵敏度精调；先用4号、5号、6号人工伤调试探测锻件侧壁探伤灵敏度参数粗调，当三个人工伤清晰可分辨时，以6号人工伤用于调试上盲区，4号人工伤用于调试下盲区；再用1号、2号、3号人工伤调试探测锻件侧壁探伤灵敏度参数细调，当三个人工伤可分辨时，以三个人工伤中波幅最低的为基准，调整仪器增益使波高达到80％，提高6dB，再进行1号、2号、3号人工伤的探测，当三个人工伤清晰可分辨时，以1号人工伤用于调试上盲区，3号人工伤用于调试下盲区，以此调试的仪器灵敏度作为锻件侧壁探伤起始灵敏度，即缺陷当量值Φ0.8mm。
3.根据权利要求1所述一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，其特征在于步骤一中用7号、8号人工伤调试探测锻件底部探伤灵敏度，使两个人工伤清晰可分辨，以两个人工伤波幅最低的一个为基准，调整仪器增益使波高达到80％，提高4dB，再进行7号、8号人工伤的探测，使两个人工伤清晰可分辨时，以此调试的仪器灵敏度作为锻件底部探伤起始灵敏度，即缺陷当量值Φ0.8mm。
4.根据权利要求1所述一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，其特征在于步骤二中作为超声波传播耦合剂的水，是无杂质、无气泡的过滤水。
5.根据权利要求1所述一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，其特征在于步骤二中探伤水温保持在30℃～40℃之间。
6.根据权利要求1所述一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，其特征在于步骤二中采用15MHz点聚焦水浸探头。
7.根据权利要求1所述一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，其特征在于步骤二中锻件侧壁探伤：探头是在垂直于锻件侧壁外方向沿法线偏离α°角，产生折射角β°，使折射声束垂直锻件侧壁内壁，扫查方式并沿锻件纵向扫查，完成一次扫描后，锻件沿轴向转动，转动间距应不大于探测时超声波有效声束的宽度，继续扫描至覆盖整个锻件的侧壁，所述α°是所探测部位超声波声束的入射角。
8.根据权利要求1所述一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，其特征在于步骤二中锻件底部探伤：探头首先在垂直于锻件底部方向沿纵向或横向扫查，扫查间距应不大于探测时超声波有效声束的宽度，扫描整个底部后，还应该沿底部周向扫查。
9.根据权利要求4～8所述一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，其特征在于步骤二中扫查间距应不大于探测时超声波有效声束宽度的1/2。
10.根据权利要求7所述一种7系铝合金锻件缺陷水浸探头超声波探伤的方法，其特征在于步骤二中扫查速度应不大于50mm/s。
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