CN112666263A - 一种轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，属于热防护焊接无损检测技术领域，解决了现有技术中轻量化翼舵焊接随超声检测系统设备参数及材料种类的变化超声检测系统灵敏度发生变化；无法可靠地对该种结构进行检测和质量评价的问题。本发明的轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，包括：制作工字板；在工字板上预留不同的缺陷；工字板与面板焊接制作多套焊接比对标准试块；采用超声检测和金相解剖，将预置缺陷尺寸和解剖所测尺寸符合的另一块焊接试块作为比对标准试块；利用超声液浸法进行扫描，得超声特性曲线；分析确定超声检测的灵敏度。实现了轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定，并可以此为依据进行调整和纠正。

Description

一种轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法

技术领域

本发明涉及轻量化翼舵焊接无损检测技术领域，尤其涉及一种轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法。

背景技术

超塑成型/扩散连接(SPF/DB)工艺可以使复杂薄壁零件整体化，在降低飞行器结构重量、提高结构完整性和承载效率方面具有独特的技术优势，并且其整体结构具有成形性好、设计自由度大、成形精确、无残余应力、零件数量少等优点，随着对该技术的不断深入研究，超塑成型/扩散连接工艺技术成熟度和工程化应用程度越来越高，该项技术已经成功在航空航天器的主承力构件上得到越来越广泛的应用，这就对SPF/DB构件的制造技术与内部质量提出了更高的要求。

轻量化翼舵是航空航天器控制飞行姿态的最重要的部件，通过翼舵角度条件完成航空航天器飞行姿态的调整，从而实现航天器的程序转弯，航空器的爬升下降和转向。轻量化翼舵通过超塑成型/扩散连接技术成型，需要对超塑成型/扩散连接的焊接点进行严格的质量控制，焊接处的缺陷会直接导致材料受力发生改变，造成结构性的破坏，后果不堪设想。

但由于该技术的缺陷特征与常规焊接不同，常规检测方法X射线、磁粉、涡流等均不能有效检测和评价这些缺陷。对超塑成型/扩散连接技术，目前主要采用超声C扫描对该种焊接技术缺陷进行无损检测。在实际中由于超声检测系统和参数的影响，超声检测的灵敏度会发生变化，超声检测作为对超塑成型/扩散连接进行质量评价的有效手段，其本身的灵敏度发生改变，导致无法准确地对超塑成型/扩散连接的缺陷进行检测。因此，需要实现对轻量化翼舵焊接超声灵敏度进行测定，从而更加可靠地对该种结构进行检测和质量评价。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，只要解决以下技术问题之一：(1)对于轻量化翼舵焊接进行检测过程中，随着超声检测系统设备参数及材料种类的变化超声检测系统灵敏度发生变化；(2)轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度变化，无法可靠地对该种结构进行检测和质量评价。

本发明提供一种轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，包括：

步骤1.制作多个翼舵材料的工字板；

步骤2.在工字板上预留不同的预制缺陷；预留不同预制缺陷的工字板与不同厚度的面板焊接制作多套焊接对比试块，每套焊接试块中的所有焊接试块的预制缺陷均不完全相同；

步骤3.采用超声检测多套焊接试块，预制缺陷参数相同的焊接试块中，确定缺陷波幅和成像尺寸最接近的两块焊接试块，然后对其中一块进行金相解剖，预置缺陷尺寸和解剖所测尺寸符合时，将另一块焊接试块作为比对标准试块；

步骤4.利用超声液浸法进行比对标准试块扫描，得超声特性曲线；

步骤5.分析超声特性曲线确定轻量化翼舵焊接超声检测的灵敏度。

进一步地，所述步骤1中的工字板厚度不同、形状和尺寸完全相同。

进一步地，所述步骤2中，工字板与面板通过扩散焊面对面焊接形成焊接试块。

进一步地，所述步骤2中，每套焊接试块中焊接试块的数量为多个，每个焊接试块焊接前的工字板上均匀设置有多个厚度相同、形状相同、尺寸不完全相同的预制缺陷。

进一步地，所述步骤2中，每套焊接试块中的所有焊接试块的工字板厚度、面板厚度和预制缺陷形状不完全相同。

进一步地，工字板厚度、面板厚度和预制缺陷形状不完全相同指工字板厚度、面板厚度和预制缺陷形状至少有一项参数不同。

进一步地，所述步骤3中，选择三套以上试块中预制缺陷完全相同的所有焊接试块为一组，形成与一套焊接试块中焊接试块数量一致的数组，每组焊接试块进行液浸超声扫描比对，挑选每组试块中缺陷波幅和成像尺寸最接近的两块焊接试块。

进一步地，所述步骤3中，将挑选出的缺陷波幅和成像尺寸接近的两块焊接试块中的一块进行金相解剖；

对预置缺陷的实际尺寸进行测量；

验证焊接时预置缺陷尺寸与焊接后金相解剖所测实际尺寸的符合性；若尺寸符合，则两块中的另外一块用作比对标准试块，若尺寸不符合，则再制作相同规格尺寸的多块焊接试块，并进行超声检测和金相解剖，直至尺寸验证符合，得到比对标准试块；

将所有比对标准试块集合得到一套比对标准焊接试块，作为轻量化翼舵焊接超声检测的比对标准试块。

进一步地，所述步骤4中，超声检测探头沿工字板焊接线扫查，采集比对标准试块中的不同缺陷的反射信号，得到每个比对标准试块的超声特性曲线。

进一步地，所述步骤5中，分析超声特性曲线确定可检测到的最小缺陷尺寸，即为轻量化翼舵焊接超声检测的灵敏度。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

(1)本发明以预制缺陷的焊接试块作为基准，通过对不同尺寸预制缺陷的焊接试块进行测定，以此标定超声检测的检测灵敏度，实现了对轻量化翼/翼舵焊接超声检测灵敏度的测定。

(2)为防止预制尺寸的焊接试块的尺寸和厚度数据存在误差对超声灵敏度测定造成影响，本发明制备多套不同尺寸的焊接试块，先通过超声对焊接试块进行初步筛选，再通过解剖法对预置缺陷的实际尺寸进行测量，验证焊接时预置缺陷尺寸与焊接后解剖所测尺寸的符合性，对尺寸符合性差的试块进行重新制作，以此确保得到一套尺寸精确的系列比对试块。

(3)本发明的标准试块通过超声检测和金相解剖法实物测量确保标准试块的预留尺寸和厚度的精确，相较于现有采取其他仪器测量进行比对的方法，避免了因其他仪器本身灵敏度、精确度的不准确，影响超声灵敏度测定的准确性。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1a为预制方形缺陷工字板板结构侧视示意图；

图1b为预制方形缺陷工字板板结构俯视示意图；

图2a为预制圆形缺陷工字板板结构侧视示意图；

图2b为预制圆形缺陷工字板板结构俯视示意图；

图3为工艺试块结构示意图；

图4为液浸超声检测示意图；

图5为信号强度与缺陷参数特性曲线示意图。

具体实施方式

轻量化翼舵焊接的测定需要使用标准比对试块，标准比对试块存在厚度和规格的不同，使用超声对标准比对试块进行检测，通过寻找超声测试能够有效检测的试块的最低值，该最低值即为超声检测的灵敏度。不同于其他超声检测灵敏度的测定，轻量化翼舵焊接使用的标准比对试块必须通过焊接进行制备。通过上述分析，制备具有不同规格尺寸缺陷的轻量化翼舵焊接标准比对试块非常重要。

由于具有不同规格预制缺陷翼舵焊接的标准比对试块需要进行制备，因此在制备翼舵焊接的标准比对试块还需要考虑制备过程中制备的比对标准试块本身的尺寸的精确程度。为了确保制备的标准比对试块的预制缺陷厚度和尺寸的精确，先对三套以上焊接试块中工字板厚度、面板厚度、形状和尺寸完全相同的多个焊接试块的超声成像比对，挑选缺陷波幅和成像尺寸最接近的两块焊接试块。将缺陷波幅和成像尺寸最接近的两块焊接试块中的一块进行解剖，对预置缺陷的实际尺寸进行测量，验证焊接时预置缺陷尺寸与焊接后解剖所测实际尺寸的符合性。若预置缺陷尺寸和所测实际尺寸符合，则两块中的另外一块用作比对标准试块。若预置缺陷尺寸和所测实际尺寸不符合，则再制作三块以上相同规格尺寸的焊接试块，并进行超声检测和解剖，直至尺寸验证符合，得到比对标准试块。通过上述的超声检测和解剖，得到工字板厚度、面板厚度、形状和尺寸至少有一项不同的比对焊接试块，从而组成一套轻量化翼舵焊接超声检测比对试块。

本发明提供的一种轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，包括：

步骤1.制作厚度不同、形状和尺寸完全相同的翼舵材料工字板；

步骤2.在每种厚度的工字板上，分别制作厚度相同、形状不同的预制缺陷，在每块工字板上制作尺寸各不相同的多个预制缺陷，得到带有预制缺陷的工字板；将带有预制缺陷的工字板分别与多种厚度的面板进行焊接，得到焊接试块；

所有焊接试块的工字板厚度、面板厚度和预制缺陷形状至少有一项参数不同，每个焊接试块上含有多个尺寸各不相同的预制缺陷；工字板厚度、面板厚度和预制缺陷形状至少有一项参数不同的多块焊接试块组成一套焊接试块；

步骤3.重复步骤1和步骤2，制作两套以上焊接试块；

步骤4.对步骤2和步骤3所得多套焊接试块按照超声检测方法进行水浸超声成像扫描；

步骤5.将步骤2和步骤3所得的试块中工字板厚度、面板厚度和预制缺陷形状完全相同的所有焊接试块为一组，形成与一套焊接试块中焊接试块数量一致的数组，每组焊接试块进行超声扫描成像比对，挑选每组试块中，缺陷波幅和成像尺寸最接近的两块焊接试块；

步骤6.将挑选出的缺陷波幅和成像尺寸接近的两块焊接试块中的一块进行金相解剖，对预置缺陷的实际尺寸进行测量，验证焊接时预置缺陷尺寸与焊接后金相解剖所测实际尺寸的符合性。若预置缺陷尺寸与焊接后金相解剖所测尺寸符合，则两块中的另外一块用作比对标准试块。若预置缺陷尺寸与焊接后金相解剖所测尺寸不符合，则再制作多块相同规格尺寸的工艺试块，并进行超声检测和金相解剖，直至尺寸验证符合，得到对标准试块；

将所有比对标准试块集合得到一套比对标准焊接试块，作为轻量化翼舵焊接超声检测的比对标准试块；

步骤7.对每个比对标准试块利用超声液浸检测方法，通过调整超声设备的检测参数，使得电子噪声水平不大于信号满屏刻度的20％，探头沿工字板焊接线扫查，采集试块中的不同缺陷的反射信号，得到与试块中缺陷宽度信息相关的超声回波信号强度，得到每个比对标准试块的超声特性曲线；

步骤8.分析每个比对标准试块的超声特性曲线，确定可检测到的最小缺陷尺寸，即为轻量化翼舵焊接超声检测的灵敏度。

需要说明的是，在步骤2中，每块焊接试块上每个预制缺陷的尺寸互不相同，其原因在于，这些焊接试块将在筛选后成为比对标准试块。因此，作为比对标准试块，每块焊接试块上每个预制缺陷的尺寸变化呈梯度变化，同时每块焊接试块上每个预制缺陷的尺寸越大尺寸梯度变化越大。从检测准确性上分析，每块焊接试块上每个预制缺陷的尺寸的差越小越好，但同时考虑到尺寸差过小会造成试样数量的增加，过多的试块制备将给灵敏度的测定造成步骤更加繁多，工艺更加复杂。同样作为比对标准试块的工字板厚度和面板厚度变化应当呈梯度变化，同时工字板厚度和面板厚度越大厚度梯度变化越大。从检测准确性上分析，每个尺寸的差越小越好，但同时考虑到尺寸差过小会造成试样数量的增加，也将给灵敏度的测定造成步骤更加繁多，工艺更加复杂。

在步骤2中可以使用阻焊剂来在焊接层预留缺陷。考虑后期超声测定的方便和焊接的方便，因此每个试块的缺陷不能位于工字板的两端的横板上，优选地，均匀设置于工字板的竖板上。

在步骤6中，验证焊接时预置缺陷尺寸与焊接后解剖所测尺寸的符合性。焊接时预置缺陷的面积为S1，焊接后解剖所测缺陷面积为S2，则对符合性δ的计算方法为：

若δ≥5％或δ≤-5％，则预置缺陷尺寸与焊接后金相解剖所测尺寸不符合，不合格，需要重新制造试块，再进行挑选解剖和比对。若-5％<δ<5％，则预置缺陷尺寸与焊接后金相解剖所测尺寸符合，合格，未解剖的试块可以作为比对标准试块。

通过步骤5中超声扫描对多套试块中预制缺陷厚度、形状和尺寸相同的试块进行超声成像比对，从缺陷波幅和成像尺寸两维度对预制间隙规格相同的三个焊接试块进行比对，挑选出缺陷波幅和成像尺寸接近的两块焊接试块，将预制间隙规格相同的三块焊接试块中，缺陷波幅和成像尺寸差距较大的焊接试块丢弃。再通过步骤6的金相解剖法将试块金相解剖后对缺陷实际尺寸进行测量，符合性合格的用作比对标准试块，符合性不合格的重复前述步骤进行制作，并继续采用超声检测并用解剖法进行符合性测试，最终选出符合性合格的试块作为比对标准试块。由此得到一整套预制缺陷尺寸准确的系列比对标准试块。以此对超声灵敏度进行测定，所测试结果准确、可靠。

具体的，步骤7中，设定检测超声的频率为5-7MHz，检测头距离比对标准试块正上方距离为4-7mm。

不同于对一般金属工件检测常用的探头频率2.5MHz-5MHz，对于航空航天特殊工件，对灵敏度要求更高，需要选择5MHz以上频率。因此超声检测的最低频率为5MHz。但与此同时，频率越高超声衰减越厉害，因此超声检测频率不超过7MHz，优选地为5MHz。

检测头距离比对标准试块正上方距离对检测同样有重要影响，检测头距离试样块太远则超声衰减过大，因此检测头距离比对标准试块最远距离不超过7mm。但检测头距离试样过近时，能进集中，超声能量会对材料体本身造成不良影响，会将材料本身的应力进行释放，严重者会对材料造成损坏，无法实现无损检测的目的和效果。因此超声检测头距离比对标准试块距离不小于4mm。

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例一

本发明的一个具体实施例，公开了一种轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法。

具体操作步骤如下：

步骤1.制作形状相同和长度均为100mm、宽度均为20mm，厚度分别为1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm、5.0mm的工字板，每种厚度的工字板42块，共制作210块，制作采用与翼舵完全相同的材料；

步骤2.在每种厚度的42块工字板上，制作厚度均为3mm，形状分别为圆形和方形预制缺陷，即每种厚度的42块工字板上，21块上预制缺陷为圆形，21块预制缺陷为方形。因此如图2a和图2b所示，每种厚度的工字板有21块预制圆形缺陷，所有工字板共有105块预制圆形缺陷。因此如图1a和图1b所示，每种厚度的工字板有21块预制方形缺陷，所有工字板共有105块预制方形缺陷；

在所有105块方形预制缺陷的工字板上，每块工字板，均均匀制作长度分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm、5.0mm六个方形预制缺陷。在所有105块圆形预制缺陷的工字板上，每块工字板，均均匀制作直径分别为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm、5.0mm六个圆形预制缺陷。在210块工字板中，预制缺陷完全相同且工字板厚度完全相同的共有十种，每种有21块。每种的21块工字板分别与厚度为1.2mm、1.6mm、2.0mm、2.4mm、2.8mm、3.2mm、3.6mm的面板进行焊接，得到焊接试块如图3所示。在所有210块焊接试块中，挑选工字板厚度、面板厚度和预制缺陷完全相同的3个焊接试块为一组，计70组。在所有210块焊接试块中，挑选工字板厚度、面板厚度和预制缺陷形状至少有一项参数不同的70个焊接试块为一套，共3套；

步骤3.对3套焊接试块按照超声检测方法进行水浸超声扫描；

步骤4.对每组焊接试块进行超声扫描比对，挑选每组试块中，缺陷波幅和成像尺寸最接近的两块焊接试块；

步骤5.将挑选出的缺陷波幅和成像尺寸接近的两块焊接试块中的一块进行金相解剖，对预置缺陷的实际尺寸进行测量，验证焊接时预置缺陷尺寸与焊接后金相解剖所测实际尺寸的符合性。若预置缺陷尺寸与焊接后金相解剖所测尺寸符合，则两块中的另外一块用作比对标准试块。若预置缺陷尺寸与焊接后金相解剖所测尺寸不符合，则再制作相同规格尺寸的工艺试块多块，并进行超声检测和金相解剖，直至尺寸验证符合，得到比对标准试块；

将所有比对标准试块集合得到一套比对标准焊接试块，作为轻量化翼舵焊接超声检测的比对标准试块；

步骤6.对每个比对标准试块利用液浸超声扫描检测方法，设定超声频率为5MHz，探测头距离试块正上方距离设为5mm，通过调整超声设备的检测参数，使得电子噪声水平不大于信号满屏刻度的20％；

探头沿工字板焊接线扫查，采集试块中的不同缺陷的反射信号，如图4所示，得到与试块中缺陷宽度信息相关的超声回波信号强度(dB值)，绘制厚度2.0mm面板、缺陷长度2.0mm(即工字板厚度2.0mm)、缺陷宽度为0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm、3.0mm、5.0mm的特性曲线，如图5所示。同样地，可以绘制检测得到不同规格尺寸比对标准试块的特性曲线；

步骤7.分析每个比对标准试块的超声特性曲线，可以确定可检测到的最小缺陷尺寸，即为轻量化翼舵焊接超声检测的灵敏度。

通过检测曲线分析可知：由于检测设备、检测条件等限制，面板厚度1.2mm、工字板厚度1.0mm中的0.5mm和1.0mm的缺陷的超声回波信号强度(dB值)与电子噪声水平相同，造成难以区分有效信号，则可以认为对于面板厚度为1.2mm的超塑成型/扩散焊结构，超声检测设备可检测到的最小缺陷尺寸为1.0mm×1.0mm，从而确定超声检测设备对面板厚度为1.2mm的检测灵敏度。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，其特征在于，包括：

步骤1.制作多个翼舵材料的工字板；

步骤2.在工字板上预留不同的预制缺陷；预留不同预制缺陷的工字板与不同厚度的面板焊接制作多套焊接对比试块，每套焊接试块中的所有焊接试块的预制缺陷均不完全相同；

步骤3.采用超声检测多套焊接试块，预制缺陷参数相同的焊接试块中，确定缺陷波幅和成像尺寸最接近的两块焊接试块，然后对其中一块进行金相解剖，预置缺陷尺寸和解剖所测尺寸符合时，将另一块焊接试块作为比对标准试块；

步骤4.利用超声液浸法进行比对标准试块扫描，得超声特性曲线；

步骤5.分析超声特性曲线确定轻量化翼舵焊接超声检测的灵敏度。

2.根据权利要求1所述轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤1中的工字板厚度不同、形状和尺寸完全相同。

3.根据权利要求1所述轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤2中，工字板与面板通过扩散焊面对面焊接形成焊接试块。

4.根据权利要求1所述轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤2中，每套焊接试块中焊接试块的数量为多个，每个焊接试块焊接前的工字板上均匀设置有多个厚度相同、形状相同、尺寸不完全相同的预制缺陷。

5.根据权利要求4所述轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤2中，每套焊接试块中的所有焊接试块的工字板厚度、面板厚度和预制缺陷形状不完全相同。

6.根据权利要求5所述轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，其特征在于，工字板厚度、面板厚度和预制缺陷形状不完全相同指工字板厚度、面板厚度和预制缺陷形状至少有一项参数不同。

7.根据权利要求1所述轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤3中，选择三套以上试块中预制缺陷完全相同的所有焊接试块为一组，形成与一套焊接试块中焊接试块数量一致的数组，每组焊接试块进行液浸超声扫描比对，挑选每组试块中缺陷波幅和成像尺寸最接近的两块焊接试块。

8.根据权利要求7所述轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤3中，将挑选出的缺陷波幅和成像尺寸接近的两块焊接试块中的一块进行金相解剖；

对预置缺陷的实际尺寸进行测量；

验证焊接时预置缺陷尺寸与焊接后金相解剖所测实际尺寸的符合性；若尺寸符合，则两块中的另外一块用作比对标准试块，若尺寸不符合，则再制作相同规格尺寸的多块焊接试块，并进行超声检测和金相解剖，直至尺寸验证符合，得到比对标准试块；

将所有比对标准试块集合得到一套比对标准焊接试块，作为轻量化翼舵焊接超声检测的比对标准试块。

9.根据权利要求1所述轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤4中，超声检测探头沿工字板焊接线扫查，采集比对标准试块中的不同缺陷的反射信号，得到每个比对标准试块的超声特性曲线。

10.根据权利要求1所述轻量化翼舵焊接超声检测灵敏度的测定方法，其特征在于，所述步骤5中，分析超声特性曲线确定可检测到的最小缺陷尺寸，即为轻量化翼舵焊接超声检测的灵敏度。。

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