CN103808797B - 一种检验扩散焊焊接质量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于无损检测超声探伤技术领域的一种检验扩散焊焊接质量的方法。本发明方法是采用超声纵波脉冲反射式水浸法，首先根据焊接界面超声回波波形和波幅找到波幅最低的焊接完全区域，以焊接完全区域焊接界面回波波幅为满屏的10~80%波幅为扫查基准灵敏度对整个工件进行扫查。以焊接界面回波波幅高于满屏的80%为缺陷判定基准对工件进行评定。本发明的方法，不需要额外对比试块，简化扩散焊焊接超声检测过程，降低检测成本，提高检测效率。<!--1-->

Description

一种检验扩散焊焊接质量的方法

技术领域

本发明属于无损检测超声探伤技术领域，具体涉及一种检验扩散焊焊接质量的方法。

背景技术

焊接技术是在加热、加压或两者同时施加的条件下，将两块或两块以上的母材（待焊接的工件）连接成一个整体的操作方法。焊接方法分为熔焊、压焊和钎焊三大类。焊接过程中，焊接区出现的一些使连接区性能下降的不连续性，如裂纹、夹渣、氧化物夹杂、褶皱、金属夹杂、孔洞、未焊合、未熔合、未焊透、咬边、烧穿、焊瘤和未焊满等，这些不连续性统称为焊接缺陷。这些缺陷都是由于焊接工艺的不合理造成的。因此有效的焊接缺陷检测手段是焊接质量的可靠保障。

扩散焊焊接是在一定的温度、压力、保压时间、保护介质等条件下，使工件连续表面只产生微观塑性变形，界面处的金属原子相互扩散而形成接头的连接方法。影响焊接质量的因素除温度、压力、保压时间和保护介质外，还有材料的表面粗糙度。因此，采用扩散焊进行焊接的工件的焊接面都必须进行处理。焊接面的处理方式主要有两类：一类是光洁面焊接，另一类是将较硬的焊接工件的焊接面进行毛化处理，如喷砂毛化、车齿等。

扩散焊中的缺陷主要是未焊合缺陷。产生未焊合缺陷的类型和原因众多，但主要有以下几种：

1.完全未焊合：产生此类缺陷的原因可能是焊接工艺参数（温度、压力和时间）选择不当；也可能是真空度低或者漏气导致焊合面发生氧化；也可能是焊接结合面未清洁。

2.局部未焊合。产生此类缺陷的原因可能是由于焊接面存在油渍、污物或氧化皮等异物造成的；或者焊接结合面不平整，导致局部区域未贴合。

超过规定数量的局部未焊合和完全未焊合对产品使用性能产生影响。因此必须对采用扩散焊技术的工件进行有效的检测，判定其焊接质量。测量焊接接头的拉伸强度是检测焊接质量的标准，但其具有破坏性，不适用于产品生产后的检测，只能选用无损探伤来进行检测，并采用焊接结合率来表征其焊接质量是否合格。

超声波探伤技术是应用最广泛的无损检测技术之一。超声波无损检测技术是根据超声波在连续介质中传播时遇到不连续性时的产生的变化来进行探测和分析的。当焊接结合面是光洁面时，如果是两工件直接焊接且焊接面完全结合无任何缝隙或夹杂物缺陷，焊接连接区域分为明显的基体、扩散区和连接界面。如果是采用中间层对两工件进行连接，则焊接接头是包括中间层在内的两个界面构成，焊接完全时，以中间层为中心的上下两个界面都不存在任何缝隙。如果存在焊接缺陷，当焊接面与入射面平行时，超声纵波对此类缺陷的探测是最敏感的，可以采用超声纵波C扫描技术进行扫查，超声波频率依据检测灵敏度进行选择，超声波传播示意图见图1a、图1b。

当焊接结合面是经过毛化处理时，则检测方法的选择需要根据处理的方式来确定。一般是对硬度较高的工件的焊接面进行毛化处理，在扩散焊焊接过程中，毛化界面的凹陷部分往往无法接触到另一工件的焊接界面，得不到充实和填补。此时焊接界面形成了存在微小缝隙的网状焊接界面，其截面见图2所示，凸起高度h和宽度L对超声波的传播有直接影响。

对于带有网状微小缝隙的扩散焊焊接界面采用超声波检测时，如果超声波波长与缝隙截面宽度近似，超声波将在缝隙界面处产生不规则反射和衍射；超声波波长远小于缝隙宽度时，超声波将在缝隙界面处产生全反射；超声波波长远大于缝隙宽度时，超声波传播到界面时将不受缝隙的影响继续传播，基本上没有反射。

因此，当超声波波长近似于或远小于焊接界面的缝隙截面宽度时，采用超声纵波脉冲反射法时，无论界面是否焊接良好，超声探头都将接受到较强的缝隙界面回波，C扫绘制的超声图像反映的是毛化界面凹陷部分的超声波特性，并不能反映焊接结合情况。

经过近60年的发展，超声波探伤对焊接缺陷检测与评定已经形成了较为完善的方法体系和标准。但是超声波探伤法在对缺陷进行评定时，必须以对比试块为参照，通过等身法和插值法进行定量的判定。各个标准都要求对比试块必须与被检测工件材质、加工状态、工艺条件和表面状态等严格相同或相近。这就意味着不同的工件都需要不同的对比试块，而且使用时还要注意传输修正。

在用对比试块法对工件检测时，根据人工平底孔调整扫查灵敏度在实际工作中是一件非常繁琐耗时的工作，不同的人调节灵敏度也存在明显的差别。因此，如果能够找到一种不依赖对比试块同时又不降低扫查灵敏度的超声检测方法，将使超声检测的操作更简便快捷，省时省力，同时又节省了大笔对比试块加工费用。

专利200910148983.2公开了一个利用超声波检测技术检测扩散焊焊接Cu-Cu靶材的方法。该专利提出的权利要求项包括：检测频率为5MHz，检测灵敏度为31~33dB，耦合介质为水，探头浸入水中深度6~10mm，探头架到靶材检测面距离为95mm；检测时采用对比试块，对比试块缺陷面积比为7~10%；超声探伤仪采用2MHz的滤波器进行滤波。

超声探伤仪的检测灵敏度与仪器本身的工作原理有关，有衰减型和非衰减型，不同生产厂家的超声探伤仪的灵敏度存在明显差异，表现就是同一个人工缺陷，不同超声探伤仪显示的信号增益并不相同。因此这些权利要求的检测参数和设备要求具有特定性，仅适合于权利申请人所使用的检测系统，不具有广泛性。即该方法对于其他超声检测系统不具有实用性和指导性。

超声检测系统利用水作为耦合剂是通行做法，作为耦合剂的水的使用方法具有三种：水浸式，喷水式和接触式。该专利公开的方法属于水浸式，因此水作为耦合剂不具有权利专有性。

该专利权利要求之一是检测频率5MHz，但本发明证明5MHz并不具有通用性，对某特殊焊接界面，5MHz的频率并不适用。

该专利权利要求的探头浸入水中距离和探头架到靶材检测面的距离也不具有通用性。当前C扫超声波探伤系统形态各异，并不统一，因此该权利要求对其他超声检测系统不具有实用意义和指导意义，更不具有约束性。该专利要求的两项权利对超声检测结果不具有直接的影响。探头的特征（是否为聚焦式，聚焦形式是点聚焦还是线聚焦，探头晶片直径大小）和水程才是关键因素。

该权利要求的滤波器及其频率属于超声探伤仪设备特征，与检测方法没有直接关系。

发明内容

本发明的目的是提供一种检验扩散焊焊接质量的方法。

此种检验扩散焊焊接质量的方法，其特征在于，操作步骤如下：

（1）工件准备：清洗工件表面，使检测面粗糙度≤6.4μm，确认工件焊接界面的处理方式；

（2）选择超声探头：采用超声纵波脉冲反射式水浸法，根据扫查工件的焊接界面的处理方式确定探头的频率，对于光洁面，探头频率为6.0MHz~15.0MHz；对于毛化面，探头频率为1.0MHz~3.0MHz；

（3）调整声束并聚焦：调节探头入射角度，在超声波A扫描下，在聚焦探头超声波束的远场中进行入射角调整，使探头垂直入射；

（4）焊接完全区的判定：通过超声波A扫描，形成回波图像；通过观察辨别回波图像的显示窗口上的前3~5个超声波回波的特征来判定焊接完全区或未焊合区；

（5）灵敏度调整：将焊接完全区的焊接界面回波波幅的高度调整为满屏高度的10~80%，以此作为扫查灵敏度；

（6）闸门设置：将电子闸门套住焊接界面波，闸门高度设为满屏的10~30%；

（7）扫查并判定：设定扫查区域，进行扫查，扫查后同时形成超声波C扫描工件水平解剖的图像；以焊接界面回波超过满屏的80%，即认为是焊接缺陷；计算焊接界面回波超过80%的区域的面积及其所占比例；根据单个最大未焊合区域的面积比和总的未焊合面积比来判定焊接是否合格。

步骤（1）中所述焊接界面的处理方式为光洁面或毛化面；毛化面的凸起间距不超过1.0mm，凸起高度不超过0.5mm。

步骤（4）所述的观察辨别回波图像的显示窗口上的前3~5个超声波回波的特征，前三个超声波回波依次分别是入射界面波、焊接界面波和底波；如果入射界面波和焊接界面波间距与检测工件上板厚度相等；焊接界面波和底波的间距与下板厚度的比例、超声波在下板材质声速与上板材声速的比例，这两个比例相等；且底面波与第四个波之间距离与前三个波相邻两波的波间距离无明显联系，则暂时确定该区域为焊接完全区，见图3；然后将焊接界面波波幅调整为满屏的30~80%，分别移动X轴和Y轴，进行扫查，并调节增益值，使波幅变化≤10%，找到波幅最低的区域，如此反复2~3次，确定焊接完全区。

步骤（4）所述的观察辨别回波图像的显示窗口上的前3~5个超声波回波的特征，第一个回波是入射界面波，第二个回波是焊接界面波，从第三个波起，第四、第五个波波幅依次按指数关系降低，且相邻波间距相等，则该区域为未焊合区，见图4；将焊接界面波波幅的高度调整为满屏的50~80%，再分别沿X轴和Y轴移动探头，如果移动时所经过区域的回波波幅不变或变化≤10%，则为未焊合区。

本发明方法的有益效果为：不依赖对比试块，使超声检测的操作简便快捷，降低检测成本，提高检测效率。

附图说明

图1a为超声波在焊接完全区的平面焊接接头中的传播示意图；其中各标号为：1为入射波，2为焊接界面回波，3为底波回波，4为探头接收信号，H1为上板厚度，H2为下板厚度。

图1b为超声波在未焊合区平面焊接接头中的传播示意图；其中各标号为：1为入射波，2为焊接界面回波，3为焊接界面二次回波，4为焊接界面三次回波，5为探头接收信号，H1为上板厚度，H2为下板厚度。

图2为毛化界面扩散焊焊接界面的截面特征，其中H1为上板厚度，H2为下板厚度，L为毛化界面的凸起宽度，h为毛化界面的凸起高度。

图3为焊接完全区界面超声波传播特征和波形；其中各标号为：1为入射界面波，2为焊接界面波3为底波，L1为入射界面波与焊接界面波间距，L2为焊接界面波与底波间距。

图4为未焊合区界面超声波传播特征和波形；其中：1为入射界面波，2为焊接界面波，3为二次焊接界面波，4为三次焊接界面波，5为四次焊接界面波，L1为入射界面波与焊接界面波间距，L2为焊接界面波与二次焊接界面波间距，L3为二次焊接界面波与三次焊接界面波间距，L4为三次焊接界面波与四次焊接界面波的间距。

具体实施例

下面将结合具体实施例说明本发明的方法。

实施例1：

采用2.25MHz超声纵波水浸聚焦探头和水浸C扫描超声探伤系统，采用本发明的方法对Cu-Cu合金扩散焊焊接的两个工件进行检测，其焊接界面经过喷砂处理。清洗工件表面，使检测面粗糙度≤6.4μm。调节探头入射角度，在超声波A扫描下，在水浸聚焦探头超声波束的远场中进行入射角调整，使探头垂直入射。通过A扫描形成回波图像，通过观察辨别回波图像显示窗口上的前3~5个超声波回波的特征来判定焊接完全区或未焊合区。将焊接完全区的焊接界面回波波幅的高度调整为满屏高度的50%，为扫查灵敏度。将电子闸门套住焊接界面波，闸门高度设为满屏的20%。设定扫查区域，进行扫查，形成工件水平解剖的超声图像。以焊接界面回波超过满屏的80%，即认为是焊接缺陷。

焊接测试结果中，左侧工件焊接良好，右侧工件完全未焊合。与工件实际情况吻合。说明本方法可以满足Cu-Cu合金扩散焊焊接质量检测要求。

实施例2：

采用2MHz超声纵波水浸聚焦探头和生产的水浸C扫描超声探伤系统，采用本发明的方法对Ti-Al扩散焊焊接的两个工件进行检测，其焊接界面经喷砂处理。清洗工件表面，使检测面粗糙度≤6.4μm。调节探头入射角度，在A扫描下，在水浸聚焦探头超声波束的远场中进行入射角调整，使探头垂直入射，入射界面为Ti面。通过A扫描，形成回波图像。通过观察辨别A扫描形成的波形图像显示窗口上的前3~5个超声波回波的特征来判定焊接完全区或未焊合区。将焊接完全区的焊接界面回波波幅的高度调整为满屏高度的60%，为扫查灵敏度。将电子闸门套住焊接界面波，闸门高度设为满屏的30%。设定扫查区域，进行扫查，形成工件水平解剖的超声图像。以焊接界面回波超过满屏的80%，即认为是焊接缺陷。

入射界面为Ti面，焊接测试结果中，工件焊合率达到了100%。

Claims (2)

1.一种检验扩散焊焊接质量的方法，其特征在于，操作步骤如下：

(1)工件准备：清洗工件表面，使检测面粗糙度≤6.4μm，确认工件焊接界面的处理方式；

(2)选择超声探头：采用超声纵波脉冲反射式水浸法，根据扫查工件的焊接界面的处理方式确定探头的频率，对于光洁面，探头频率为6.0MHz～15.0MHz；对于毛化面，探头频率为1.0MHz～3.0MHz；

(3)调整声束并聚焦：调节探头入射角度，在超声波A扫描下，在聚焦探头超声波束的远场中进行入射角调整，使探头垂直入射；

(4)焊接完全区的判定：通过超声波A扫描，形成回波图像；通过观察辨别回波图像的显示窗口上的前3～5个超声波回波的特征来判定焊接完全区或未焊合区；

所述的观察辨别回波图像的显示窗口上的前3～5个超声波回波的特征，前三个超声波回波依次分别是入射界面波、焊接界面波和底波；如果入射界面波和焊接界面波间距与检测工件上板厚度相等；焊接界面波和底波的间距与下板厚度的比例、超声波在下板材质声速与上板材声速的比例，这两个比例相等；且底面波与第四个波之间距离与前三个波相邻两波的波间距离无明显联系，则暂时确定该区域为焊接完全区；然后将焊接界面波波幅调整为满屏的30～80％，分别移动X轴和Y轴，进行扫查，并调节增益值，使波幅变化≤10％，找到波幅最低的区域，如此反复2～3次，确定焊接完全区；

所述的观察辨别回波图像的显示窗口上的前3～5个超声波回波的特征，第一个回波是入射界面波，第二个回波是焊接界面波，从第三个波起，第四、第五个波波幅依次按指数关系降低，且相邻波间距相等，则该区域为未焊合区；将焊接界面波波幅的高度调整为满屏的50～80％，再分别沿X轴和Y轴移动探头，如果移动时所经过区域的回波波幅不变或变化≤10％，则为未焊合区；

(5)灵敏度调整：将焊接完全区的焊接界面回波波幅的高度调整为满屏高度的10～80％，以此作为扫查灵敏度；

(6)闸门设置：将电子闸门套住焊接界面波，闸门高度设为满屏的10～30％；

(7)扫查并判定：设定扫查区域，进行扫查，扫查后同时形成超声波C扫描工件水平解剖的图像；以焊接界面回波超过满屏的80％，即认为是焊接缺陷；计算焊接界面回波超过80％的区域的面积及其所占比例；根据单个最大未焊合区域的面积比和总的未焊合面积比来判定焊接是否合格。

2.根据权利要求1所述一种检验扩散焊焊接质量的方法，其特征在于，步骤(1)中所述焊接界面的处理方式为光洁面或毛化面；毛化面的凸起间距不超过1.0mm，凸起高度不超过0.5mm。