CN112881533A - 一种超声检测试块及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声检测试块及其制备方法，涉及超声检测用试块技术领域。该超声检测试块包括经扩散焊连接的盖板和缺陷板，缺陷板的扩散焊界面位置处在扩散焊之前铣削加工有多个宽度不同的线槽状缺陷，线槽状缺陷的宽度范围为80‑1200μm，深度范围为2‑6mm。本申请的超声检测试块的线槽状缺陷可以保持在扩散焊界面位置处，试块的缺陷范围广，尤其是相较于传统机械加工的方式获得的试块而言，本申请可以获得具有精准且微米级尺寸的缺陷的超声检测试块，且可以将缺陷精准控制在任意深度位置。本申请中采用线槽状缺陷可以获得形状均匀的试块，有利于提升试块的检测精度，提升扩散焊缺陷检测的检测效果。

Description

一种超声检测试块及其制备方法

技术领域

本发明涉及超声检测用试块技术领域，具体而言，涉及一种超声检测试块及其制备方法。

背景技术

超声检测中为保证检测结果的准确性、可重复性和可比性，必须用一个具有已知固定特性的试样对检测系统进行校准。这种按一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体或模拟缺陷的试样，通常称为试块。超声检测用试块通常分为标准试块、对比试块和模拟试块。试块中的人工反射体按其目的选择，应尽可能与需检测的缺陷特征接近。通常是通过机械加工的方式在材料内部或表面加工出所需要的形状和尺寸，常用的人工反射体主要有长横孔、短横孔、横通孔、平底孔、V形槽和其他线切割槽等。

横通孔和长横孔具有轴对称特点，反射波幅比较稳定，有线性缺陷特征，一般代表工件内部有一定长度的裂纹、未焊透、未熔合和条状夹渣。通常使用在对接接头、堆焊层的超声检测中，也有用在螺栓件和铸件检测的。

短横孔在进场区表现为线状反射体特征，在远场区表现为点状反射体特征。主要用于对接焊接接头检测。

平底孔一般具有点状面积型反射体的特点，主要用于锻件、钢板、对接焊接接头、复合板、堆焊层的超声检测。通常适用于直探头和双晶探头的校准和检测。

V形槽和其他切割槽具有表面开口的线性缺陷的特点。适用于钢板、钢管、锻件等工件的横波检测，也可模拟其他工件或对接接头表面或近表面缺陷以调整检测灵敏度。

如图1为专利CN207650160U中制作的薄板铝合金焊缝超声检测缺陷对比试块，长×宽×高为250mm×30mm×10mm，1为Φ1mm的一系列横孔，横孔的轴线与试块的长度延伸方向垂直，所述横孔一共具有5组，每组横孔的深度分别依次为1mm、2mm、3mm、4mm和5mm，2和3为两个长为4mm宽为0.5mm的裂纹，4为一个倾斜角为45°高为4mm的人造未熔合缺陷。试块预制裂纹、气孔、未熔合3种不同类型的缺陷。通过该对比试块能实现对母材厚度小于8mm的铝合金焊缝缺陷进行准确定位、定性。

在实际焊接制造过程中，有时为了追求结构的复杂性，需控制焊后的变形量，而不能同时满足焊接过程中的所有工艺参数，可能会导致界面出现如图2所示的未焊合、弱连接、孔洞等焊接缺陷。扩散焊形成的焊缝是一个厚度较薄的准二维界面区域，所以扩散焊缺陷可等效为不计厚度二维平面缺陷。

未焊合是指焊接界面处存在明显的连续缺陷，其产生的主要原因一般是焊接温度偏低，焊接压力不够，不充足的保温时间或真空度低等工艺偏差。或者待焊表面污染或粗糙度较大时，也容易产生界面未焊合缺陷。通常焊接样的边缘部分由于界面应力分布不均易出现未焊合。

弱连接是指焊接两界面只有紧密的物理接触，而没有发生原子键合，间隙尺寸在微米级。孔洞缺陷是一些不连续的小的孔洞，一般孔洞的尺寸是微米级别，是扩散焊中最为常见的一种缺陷。当焊接温度较低或焊接压力较小，或待焊面粗糙度很大时，界面孔洞并未完全闭合，进而形成微孔洞缺陷。

由于扩散焊缺陷存在于接头内部，即扩散焊界面位置处，且尺度为微米级，传统机械加工的方式无法难以保证位置精度，更难以保证尺寸精度，即难以实现内部微米级尺寸人工反射体的加工。表面车削在待焊表面加工螺纹的方式虽然可以在扩散焊界面处实现缺陷预制，但尺寸精度难以保证，且形状不均匀，难以形成试块。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的在于提供一种超声检测试块及其制备方法。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种超声检测试块，其包括经扩散焊连接的盖板和缺陷板，所述缺陷板的扩散焊界面位置处在扩散焊之前铣削加工有多个宽度不同的线槽状缺陷，所述线槽状缺陷的宽度范围为80-1200μm，深度范围为2-6mm。

在可选的实施方式中，多个所述线槽状缺陷呈至少一排平行排布，任意一排中，任意两个相邻的所述线槽状缺陷之间的间距为8-12mm。

在可选的实施方式中，所述线槽状缺陷的宽度为90-110μm、140-160μm、190-210μm、240-260μm、290-310μm、590-610μm、790-810μm和990-1100μm中的至少两种；

在可选的实施方式中，多个所述线槽状缺陷的宽度从左至右依次增大。

在可选的实施方式中，所述线槽状缺陷的槽深与所述线槽状缺陷的宽度相同。

在可选的实施方式中，所述盖板远离所述缺陷板的一侧为阶梯状，每节阶梯对应的所述缺陷板上分别均设置有所述线槽状缺陷。

第二方面，本发明提供一种超声检测试块的制备方法，在缺陷板的待焊表面铣削加工多个宽度不同的线槽状缺陷，将盖板与所述缺陷板与待焊表面装配后进行扩散焊接，所述线槽状缺陷的宽度范围为80-1200μm。

在可选的实施方式中，在焊接前，还包括对所述盖板的表面和所述缺陷板的非缺陷位置的待焊表面进行清理；

优选地，对所述盖板和所述缺陷板进行打磨并抛光；

优选地，用抛光液对所述盖板和所述缺陷板的表面进行抛光；

优选地，所述抛光液为体积比为8-12:1的二氧化硅溶胶和双氧水；

优选地，在清洗后，还包括用对待焊试样进行酸洗1-2min、超声波清洗8-12min，水洗20-40min，然后干燥；

优选地，用Keller试剂对所述待焊试样进行酸洗至表面雾化。

在可选的实施方式中，装配所述盖板和所述缺陷板包括：将所述盖板和所述缺陷板的待焊表面贴合并对中，在所述盖板和所述缺陷板与焊接压头接触的位置添加用于防止扩散接合的阻焊层；

优选地，所述阻焊层包括云母片。

在可选的实施方式中，对装配后的所述盖板和所述缺陷板进行焊接包括：于焊接温度800-900℃、焊接压力为1-3MPa的条件下保温时间50-70min；保温结束后降温。

本发明具有以下有益效果：

本申请提供的超声检测试块通过在扩散焊之前预先在缺陷板的待焊界面位置处铣削加工有多个宽度不同的线槽状缺陷，然后再进行扩散焊以连接盖板和缺陷板，可以使得线槽状缺陷保持在扩散焊界面位置处，通过这种方法可以获得缺陷范围广，尤其是相较于传统机械加工的方式而言可以获得精准且微米级尺寸的缺陷，且可以将缺陷精准控制在任意深度位置。本申请中采用线槽状缺陷可以获得形状均匀的试块，有利于提升试块的检测精度，提升扩散焊缺陷检测的检测效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为现有技术中薄板铝合金焊缝超声检测缺陷对比试块的结构示意图；

图2为扩散焊接头界面缺陷，其中(a)表示未焊合，(b)表示弱连接，(c)表示孔洞；

图3为本申请实施例1提供的超声检测试块的结构示意图；

图4为本申请实施例2提供的超声检测试块的结构示意图；

图5为本申请实验例一提供的预制缺陷形貌示意图；

图6为本申请实验例二提供的预制缺陷的超声C扫图片；

图7为本申请实验例三提供的实施例1的试块中100μm缺陷处的缺陷回波的波形图；

图8为本申请实验例三提供的对比例1的

平底孔缺陷C扫图片；

图9为本申请实验例三提供的对比例2提供的775℃焊接温度下扩散焊界面形貌。

图标：100-超声检测试块；110-盖板；120-缺陷板；121-线槽状缺陷。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

本申请提供了一种超声检测试块100，其包括经扩散焊连接的盖板110和缺陷板120，缺陷板120的扩散焊界面位置处在扩散焊之前铣削加工有多个宽度不同的线槽状缺陷121，线槽状缺陷121的宽度范围为80-1200μm，深度范围为2-6mm。

本申请中，通过在扩散焊之前预先在缺陷板120的待焊表面铣削加工有多个宽度不同的线槽状缺陷121，该线槽状缺陷121的宽度范围为80-1200μm涵盖较宽，尤其是可以加工宽度较小的线槽状缺陷121，在线槽状缺陷121加工完成后，再进行焊接，获得的超声检测试块100位置和尺寸加工精确。此外，本申请中的线槽状缺陷121的深度范围涵盖较广，在实际加工过程中，可以依据深度的选择适应性修改线槽状缺陷121的宽度，以获得与缺陷更加匹配的试块。

本申请中，任意两个相邻的线槽状缺陷121之间的间距为8-12mm，该间距的设计可以有效避免相邻的线槽状缺陷121之间的超声波信号相互影响。

应理解，本申请中的缺陷的形状可以有多种结构，包括但不限于平底孔或线槽状。本申请中的线槽状缺陷121的尺寸也可以有多种选择，包括但限于90-110μm、140-160μm、190-210μm、240-260μm、290-310μm、590-610μm、790-810μm和990-1100μm中的至少两种。还可以根据实际工件的尺寸来选择其他线槽状缺陷121的尺寸。优选地，多个线槽状缺陷121的宽度从左至右依次增大。通过宽度逐渐增大的设计可以使得在检测时更方便找到与工件尺寸对应的试块。

进一步地，本申请中线槽状缺陷121的槽深与线槽状缺陷121的宽度相同，使得该线槽状缺陷121的截面呈正方形。本申请中，盖板110远离缺陷板120的一侧为阶梯状，在每一个阶梯状的盖板110下对应的缺陷板120均设置有多个宽度不同的线槽状缺陷121。阶梯状的设计可以使得试块的厚度具有更大的应用范围。

本申请还提供了一种超声检测试块100的制备方法，其包括如下步骤：

S1、在缺陷板120的待焊表面铣削加工多个宽度不同的线槽状缺陷121，多个线槽状缺陷121呈至少一排平行排布，任意一排中，任意线槽状缺陷121的宽度范围为80-1200μm。

本申请中在缺陷板120的待焊表面铣削加工线槽状缺陷121，可以获得加工尺寸更精准的微米级缺陷。并且可以将缺陷固定在扩散焊的界面处。

S2、对缺陷板120和盖板110进行清理和清洗。

优选地，对盖板110和缺陷板120进行打磨并抛光；打磨和抛光可以使得待焊表面清洁，以保证后续的焊接质量。具体来说，本申请中采用砂纸对待焊表面进行打磨，采用抛光液对盖板110和缺陷板120的表面进行抛光至镜面且保持平行度；抛光液为体积比为8-12:1的二氧化硅溶胶和双氧水。

优选地，在清洗后，还包括用对待焊试样进行酸洗1-2min、超声波清洗8-12min，水洗20-40min，然后干燥；

具体到本实施例中，采用Keller试剂对待焊试样进行酸洗至表面雾化。本申请中，Keller试剂包括1ml HF+1.5ml HCl+2.5ml HNO₃+95ml H₂O。通过Keller试剂进行酸洗可以有效去除待焊试样表面的氧化层，提升后续的焊接效果。

S3、将盖板110与缺陷板120与待焊表面装配。

将盖板110和缺陷板120的待焊表面贴合并对中，在所述盖板110和所述缺陷板120与焊接压头接触的位置添加用于防止扩散接合的阻焊层；

优选地，阻焊层包括云母片。

S4、对盖板110和缺陷板120进行扩散焊接。

于焊接温度800-900℃、焊接压力为1-3MPa的条件下保温时间50-70min；保温结束后降温。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供了一种超声检测试块100，其制备方法包括如下步骤：

S1、线槽状缺陷121加工

采用不同加工尺寸的铣刀在缺陷板120的待焊表面铣削加工多个宽度不同的线槽状缺陷121，获得宽度从左到右依次为100、150、200、250、300、600、800和1000μm的线槽状缺陷121，为保证槽与槽的超声回波信号互不影响，中心间距设置为10mm。

本申请的盖板110为平板结构，仅加工一组线槽状缺陷121即可。

S2、对缺陷板120和盖板110进行清理和清洗。

采用砂纸对待焊表面进行打磨，采用抛光液对盖板110和缺陷板120的表面进行抛光至镜面且保持平行度；抛光液为体积比为10:1的二氧化硅溶胶和双氧水。采用Keller试剂(1ml HF+1.5ml HCl+2.5ml HNO₃+95ml H₂O)对待焊试样进行酸洗2min至表面雾化，超声波清洗10min，水洗30min，然后干燥；

S3、将盖板110与缺陷板120与待焊表面装配。

待焊试样在装炉时，首先要对试样进行合理的装配，将盖板110和缺陷板120的待焊面表面贴合并对中，要防止试样的错边以保证压力能均匀施加在待焊表面，在试样上下表面与压头接触位置之间添加云母片作为阻焊层，防止试样与压头之间发生扩散接合。试样装配完毕后，将其置入FJK-2型扩散焊机中，使其高度位于炉腔中心处，施加初始压力，使连接接头初始接触紧密。

S4、对盖板110和缺陷板120进行扩散焊接。

在扩散焊机控制面板处输入设定的工艺参数(焊接温度850℃、焊接压力2MPa和保温时间60min)并运行程序进行焊接。保温结束后缓慢降温，形成扩散焊接头，将预制缺陷保留在扩散焊界面位置处形成如图3所示的超声检测试块100。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，区别在于：本实施例中的盖板110为三节阶梯结构，加工三组相同的线槽状缺陷121即可。

形成如图4所示的超声检测试块100。

实施例3

本实施例提供了一种超声检测试块100，其制备方法包括如下步骤：

S1、线槽状缺陷121加工

采用不同加工尺寸的铣刀在缺陷板120的待焊表面铣削加工多个宽度不同的线槽状缺陷121，获得宽度从左到右依次为90μm、140μm、190μm、240μm、290μm、590μm、790μm和990μm的线槽状缺陷121，为保证槽与槽的超声回波信号互不影响，中心间距设置为8mm。

本实施例中的盖板110为三节阶梯结构，加工三组相同的线槽状缺陷121即可。

S2、对缺陷板120和盖板110进行清理和清洗。

采用砂纸对待焊表面进行打磨，采用抛光液对盖板110和缺陷板120的表面进行抛光至镜面且保持平行度；抛光液为体积比为10:1的二氧化硅溶胶和双氧水。采用Keller试剂(1ml HF+1.5ml HCl+2.5ml HNO₃+95ml H₂O)对待焊试样进行酸洗2min至表面雾化，超声波清洗12min，水洗40min，然后干燥；

S3、将盖板110与缺陷板120与待焊表面装配。

待焊试样在装炉时，首先要对试样进行合理的装配，将盖板110和缺陷板120的待焊面表面贴合并对中，要防止试样的错边以保证压力能均匀施加在待焊表面，在试样上下表面与压头接触位置之间添加云母片作为阻焊层，防止试样与压头之间发生扩散接合。试样装配完毕后，将其置入FJK-2型扩散焊机中，使其高度位于炉腔中心处，施加初始压力，使连接接头初始接触紧密。

S4、对盖板110和缺陷板120进行扩散焊接。

在扩散焊机控制面板处输入设定的工艺参数(焊接温度900℃、焊接压力2MPa和保温时间70min)并运行程序进行焊接。保温结束后缓慢降温，形成扩散焊接头，将预制缺陷保留在扩散焊界面位置处形成试块。

对比例1

将实施例1中的线槽状缺陷121改变为平底孔缺陷。

对比例2

将实施例1中的焊接温度改变为775℃。

实验例

一、缺陷尺寸确定

对预制缺陷试块的扩散焊界面位置进行剖切，磨抛腐蚀后在扫描电镜下观察缺陷形貌，如图5所示，缺陷形状为正方形，钛合金与缺陷界面平直，在非缺陷位置的扩散焊界面没有发现未焊合和孔洞缺陷，排除了界面不均匀的影响。并对缺陷尺寸进行测量，获得缺陷的真实尺寸，从测量结果上来看，实际尺寸与设计尺寸最大存在1.2μm的偏差，基本完全符合设计要求。

二、超声C扫检测

选用频率50MHz、焦距10mm、晶片直径3mm的探头对试块缺陷分别检测，获得如图6所示结果，C扫图片以灰度图显示，每个像素点都有一个确定的灰度值，值在0～255之间，其中0代表黑色，255代表白色，C扫图片中灰度值正比于像素点位置即扫描点的界面反射波强度，反射波强度用界面波的波形幅值表征。当扩散焊界面焊接良好没有缺陷存在时，探头采集到的界面回波强度为0，即灰度值为0，图片表现为黑色，而界面存在缺陷时，探头采集到一定强度的界面回波，且灰度值随界面回波的强度增大而增大，灰度值最大为255，此时图片表现为白色。从图6中可以看到C扫图中灰白色的宽度随缺陷尺寸增大而随之增大，黑色区域表明非缺陷位置为完全焊合状态。

三、超声检测结果评价

将上述实施例1-3以及对比例1-2获得的超声检测试块对检测系统进行校准，具体步骤包括：

超声检测前需用试块校准，以调整探头对应的设备检测参数，去检测期望缺陷的尺寸。即在同等设备能力下，试块预制的缺陷尺寸越小，形状越规则均匀，所能检测的缺陷越小，检测精度越高。针对水浸聚焦探头，用试块调整检测参数步骤如下：

如针对实施例1中100μm缺陷，采用频率50MHz、焦距10mm、晶片直径3mm的探头，调整探头高度，将探头聚焦声束焦点聚焦于扩散焊界面深度，移动探头,使探头位于缺陷中心，调整增益，使缺陷回波达到满屏的90％，记录增益值-5dB，缺陷回波的波形如图7所示，超声C扫图如图6所示。记录所有缺陷的增益值和超声C扫图片，用于100～1000μm缺陷的定量化检测。

实施例2相比于实例1增加了厚度(阶梯高度，2、4、6mm)变量，记录各尺寸和各厚度的增益值，调整检测参数，可以用于不同深度位置的100～1000μm缺陷的定量化检测。

实施例3同实施例1，可同样保证扩散焊界面位置预制缺陷的尺寸精度。

对比例1，在扩散焊界面预制了

平底孔，调整参数，获得超声C扫图像如图8所示。可以看到形状不均匀，无法用做标准试块调整检测参数，且此缺陷为非通孔缺陷，位于扩散焊试块材料内部，无法如图5剖切获得缺陷尺寸，因为这会破坏试块的完整性。

对比例2，降低TC4钛合金扩散焊焊接温度，将导致盖板和缺陷板非缺陷位置不能形成可靠连接，如图9所示，775℃焊接温度下的扩散焊界面会存留未焊合孔洞缺陷，影响试块的均匀性，无法用做标准试块调整检测参数。

将实施例1-3以及对比例1-2获得试块进行校准，校准结果如下：

示例	定量检测精度(最小可定量检测尺寸)
		实施例1	100μm
实施例2	100μm
		实施例3	100μm
对比例1	大于1000μm
		对比例2	大于100μm

从上表可以看出，使用本申请所用扩散焊方法制备超声检测试块的方法具有最高的定量检测精度。

综上所述，本申请提供的超声检测试块100通过在扩散焊之前预先在缺陷板120的扩散焊界面位置处铣削加工有多个宽度不同的线槽状缺陷121，然后再进行扩散焊以连接盖板110和缺陷板120，可以使得线槽状缺陷121保持在扩散焊界面位置处，通过这种方法可以获得缺陷范围广，尤其是相较于传统机械加工的方式而言可以获得精准且微米级尺寸的缺陷，且可以将缺陷精准控制在任意深度位置。本申请中采用线槽状缺陷121可以获得形状均匀的试块，有利于提升试块的检测精度，提升扩散焊缺陷检测的检测效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声检测试块，其特征在于，其包括经扩散焊连接的盖板和缺陷板，所述缺陷板的扩散焊界面位置处在扩散焊之前铣削加工有多个宽度不同的线槽状缺陷，所述线槽状缺陷的宽度范围为80-1200μm，深度范围为2-6mm。

2.根据权利要求1所述的超声检测试块，其特征在于，多个所述线槽状缺陷呈至少一排平行排布，任意一排中，任意两个相邻的所述线槽状缺陷之间的间距为8-12mm。

3.根据权利要求1所述的超声检测试块，其特征在于，所述线槽状缺陷的宽度为90-110μm、140-160μm、190-210μm、240-260μm、290-310μm、590-610μm、790-810μm和990-1100μm中的至少两种。

4.根据权利要求3所述的超声检测试块，其特征在于，多个所述线槽状缺陷的宽度从左至右依次增大。

5.根据权利要求1-4任一项所述的超声检测试块，其特征在于，所述线槽状缺陷的槽深与所述线槽状缺陷的宽度相同。

6.根据权利要求1-4任一项所述的超声检测试块，其特征在于，所述盖板远离所述缺陷板的一侧为阶梯状，每节阶梯对应的所述缺陷板上分别均设置有所述线槽状缺陷。

7.一种超声检测试块的制备方法，其特征在于，在缺陷板的待焊表面铣削加工多个宽度不同的线槽状缺陷，将盖板与所述缺陷板与待焊表面装配后进行扩散焊接，所述线槽状缺陷的宽度范围为80-1200μm。

8.根据权利要求7所述的超声检测试块的制备方法，其特征在于，在焊接前，还包括对所述盖板的表面和所述缺陷板的非缺陷位置的待焊表面进行清理；

优选地，对所述盖板和所述缺陷板进行打磨并抛光；

优选地，用抛光液对所述盖板和所述缺陷板的表面进行抛光；

优选地，所述抛光液为体积比为8-12:1的二氧化硅溶胶和双氧水；

优选地，在清洗后，还包括用对待焊试样进行酸洗1-2min、超声波清洗8-12min，水洗20-40min，然后干燥；

优选地，用Keller试剂对所述待焊试样进行酸洗至表面雾化。

9.根据权利要求7所述的超声检测试块的制备方法，其特征在于，装配所述盖板和所述缺陷板包括：将所述盖板和所述缺陷板的待焊表面贴合并对中，在所述盖板和所述缺陷板与焊接压头接触的位置添加用于防止扩散接合的阻焊层；

优选地，所述阻焊层包括云母片。

10.根据权利要求7所述的超声检测试块的制备方法，其特征在于，对装配后的所述盖板和所述缺陷板进行焊接包括：于焊接温度800-900℃、焊接压力为1-3MPa的条件下保温时间50-70min；保温结束后降温。

Images