CN112881534A - 超声检测试块、其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了超声检测试块、其制备方法和应用，涉及超声检测技术领域。超声检测试块的制备方法包括：将叠放的第一基材和第二基材之间的一端放置垫件，以形成从第一基材和第二基材的第一端至相对的第二端宽度逐渐增大的夹缝；将第一基材和第二基材的第一端和第二端分别固定，然后再进行扩散焊。本发明实施例中的制备方法形成的试块的内部具有连续宽度渐变的夹缝缺陷，且尺寸便于调节，可以达到微米级别，显著提升制备得到试块的精度，可以用于超声检测中，能够更好地进行测试前的校准工作。

Description

超声检测试块、其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及超声检测技术领域，尤其是涉及超声检测试块、其制备方法和应用。

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。

现有的试块的制备方法主要存在着以下问题：(1)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。(2)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。

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，以形成具有宽度连续变化的夹缝形缺陷的试块，便于尺寸的控制，便于制备得到更高精度的试块。

本发明的另一目的在于提供上述超声检测试块在超声检测中的应用。

本发明提供一种超声检测试块的制备方法，包括：

将叠放的第一基材和第二基材之间的一端放置垫件，以形成从第一基材和第二基材的第一端至相对的第二端宽度逐渐增大的夹缝；

将第一基材和第二基材的第一端和第二端分别固定，然后再进行扩散焊。

本发明还提供了一种超声检测试块，由上述制备方法制备而得。

本发明还提供了上述超声检测试块在超声检测中的应用。

本发明实施例的有益效果是：通过在叠加放置的第一基材和第二基材的端部之间放置垫件，形成了从第一端至第二端宽度逐渐增大的夹缝；然后通过将第一端和第二端固定之后再进行扩散焊。本发明实施例中的制备方法形成的试块的内部具有连续宽度渐变的夹缝缺陷，且尺寸便于调节，可以达到微米级别，显著提升制备得到试块的精度。

本发明实施例中制备得到的超声检测试块用于超声检测中，能够更好地进行测试前的校准工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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的附图。

图1为本发明实施例提供的扩散焊接头界面缺陷示意图；

图2为本发明实施例提供的扩散焊连续间隙缺陷预制示意图；

图3为焊接温度为700℃时非缺陷位置存留未焊合微孔缺陷；

图4为焊接温度为950℃时盖板一侧凹陷；

图5为扩散焊连续缺陷的测试结果图；

图6为小尺寸连续缺陷的超声C扫图片。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

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1所示的未焊合(图1中(a))、弱连接(图1中(b))、孔洞(图1中(c))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。此外，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。

而针对扩散焊中所存在的焊接头界面缺陷，需要采用针对性的试块在超声检测之前进行校准，以提升超声检测的精确度。本发明实施例中所提供的超声检测试块是一种具有连续变化的夹缝形缺陷的试块，其通过制备方法的优化能够更方便的控制夹缝的具体尺寸，可以达到微米级别。

如图2所示，本发明实施例提供一种超声检测试块的制备方法，包括如下步骤：

S1、制作夹缝

将第一基材和第二基材叠加放置，在第一基材和第二基材的两个接触面的端部之间放置垫件，以形成从第一基材和第二基材的第一端至相对的第二端宽度逐渐增大的夹缝；然后将第一基材和第二基材的第一端和第二端固定。

具体地，将第一基材和第二基材叠加放置可以是将第一基材置于第二基材的上方，形成两层基材的结构。

在一些实施例中，第一基材和第二基材均为钛合金块板，如TC4。钛合金块板的具体尺寸不限，可以为20×10×5mm。优选地，在加入垫件之前，将第一基材和第二基材的表面进行打磨，可以仅将第一基板和第二基材的上下表面进行打磨，即20×10mm的平面进行打磨，以使表面无明显划痕，在将第一基材和第二基材叠加放置时是将打磨面对接。

垫件的具体形状和尺寸不限，可以根据需要进行选择，若需要微米级别的夹缝则需要选择尺寸为微米级别的垫件。

在一些优选的实施例中，垫件可以为圆柱状，垫件的直径为100-250μm，优选为150-200μm，如可以为100μm、150μm、200μm、250μm等。可选地，垫件为填丝，其为圆柱形状，一般用于激光填丝焊等。

在一些实施例中，将第一端和第二端固定是采用焊接的方式，采用焊接的方式简便易行，具体的焊接方法不限，可以采用TIG焊接的方式。在焊接过程中，可以借助弓形夹固定，然后将第一端和第二端焊接，获得连续变化的间隙。

需要补充的是，发明人创造性地采用填丝和TIG焊结合的方式制作小尺寸夹缝(间隙)，并用扩散焊的方式将连续变化的小尺寸间隙保留在扩散焊界面位置形成连续变化的界面小缺陷，实现制作小尺寸缺陷超声检测试块的目的。

S2、扩散焊焊前准备

在将第一基材和第二基材固定之后进行扩散焊装配之前，将第一基材、第二基材和盖板进行表面清理，以保证焊接质量。其中，表面清洗主要是将第一基材、第二基材和盖板的非缺陷位置的待焊表面进行清理，具体清理的方法不限，可以参照现有的方法。

为进一步提升表面清理的效果，发明人对表面清理的步骤做了进一步优化。在优选的实施例中，表面清理包括依次进行的打磨、抛光和酸洗。打磨可以是采用砂纸将表面逐级打磨，以使表面无明显划痕；抛光是将基材或盖板置于抛光液中，将表面抛光至镜面且保持平行度；酸洗是通过酸液的清洗，去除表面的氧化膜，使表面雾化。

在优选的实施例中，抛光的过程中所采用的抛光液中包括二氧化硅溶胶和双氧水，二氧化硅溶胶和双氧水的质量比为8-12:1；酸洗的过程中所采用的酸液是由氢氟酸、盐酸、硝酸和水混合而得，酸洗时间为1-2min。通过进一步对抛光液和酸液的原料进行选择，提升抛光的效果以及酸洗的效果，使表面处理之后待焊表面洁净无杂质。其中，氢氟酸、盐酸、硝酸均为市购的浓酸，酸液可以是采用1mL氢氟酸、1.5mL盐酸、2.5mL硝酸和95mL水制备而得，也称为Keller试剂。

在优选的实施例中，在酸洗之后，进行水洗和干燥；更优选地，在酸洗之后且在水洗之前，采用有机试剂进行清洗。通过有机试剂去除表面的抛光液和酸液，再通过水洗将有机试剂和其他杂质进行去除。

在一些实施例中，水洗是用水漂洗20-40min；有机试剂进行清洗是采用乙醇超声清洗8-12min，干燥可以采用冷风吹的方式。

S3、扩散焊装配

在进行扩散焊之前，进行扩散焊装配；其中，扩散焊装配包括：将固定好的第一基材和第二基材进行翻转，表面具有宽度渐变的夹缝的两个端面为焊接顶面和焊接底面，在焊接顶面处加入盖板。通过引入盖板，使制备得到的试块的一个表面无夹缝，满足试块的要求。

在一些实施例中，盖板的形状和尺寸与焊接顶面的形状和尺寸相匹配，盖板的截面大致呈梯形，和焊接顶面形状相同。盖板的材质可以与第一基材和第二基材相同。

在一些实施例中，扩散焊装配的过程还包括在盖板的顶面和焊接底面(即试样上下表面与压头接触位置之间添加)处均添加阻焊层，阻焊层可以为云母片，防止试样与压头之间发生扩散接合。

S4、扩散焊

扩散焊是将装配完毕的试样置于扩散焊机中，机器的具体型号不限，可以为FJK-2型扩散焊机，使试样的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。

在扩散焊中，焊接温度为800-900℃，焊接压力为1.8-2.2MPa，保温时间为50-70min。发明人进一步对扩散焊的具体操作参数做了优化，以进一步提升焊接的效果。

本发明实施例还提供了一种超声检测试块，其通过超声检测试块的制备方法制备而得，在超声检测试块的内部具有宽度连续变化的夹缝，从超声检测试块的第一端至相对的第二端夹缝的宽度逐渐增大。该超声检测试块在超声检测中得到应用，用于在超声检测之前，进行仪器的校准工作，提升夹缝形缺陷的焊接产品的检测精度。

下面结合具体的实施例对本发明做具体介绍。

实施例1

本实施例提供一种超声检测试块的制备方法，其包括：

(1)制作夹缝：先将两个TC4钛合金块板(20×10×5mm)的20×10mm平面的表面打磨至无明显划痕，将打磨面对接，如图2中(a)所示，将两TC4块对接，在对接界面尾端用钼丝填缝垫起右端(圆柱代表直径180μm的钼丝)，然后弓形夹固定，将对接块板两端(夹缝的最窄端和最宽端)均用TIG焊接保留夹缝，获得连续变化的间隙。

(2)扩散焊焊前准备：将盖板待焊表面和(1)中的两个夹缝块板非缺陷位置的待焊表面进行表面清理，首先用砂纸将表面逐级砂纸打磨，并用抛光液(二氧化硅溶胶:双氧水＝10:1)将表面抛光至镜面且保持平行度；用1mL氢氟酸+1.5mL盐酸+2.5mL硝酸+95mL水混合形成的酸液对待焊试样酸洗2分钟，取出后放入无水乙醇中超声波清洗10分钟，再取出清水漂洗30min，冷风吹干。

(3)扩散焊装配：如图2中(b)所示，将图2中(a)的试样翻转90度，将盖板(20×20×2mm)与含有夹缝的块板待焊面表面贴合并对中，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。

(4)焊接：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。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试块。

实施例2

本实施例提供一种超声检测试块的制备方法，其包括：

(1)制作夹缝：先将两个TC4钛合金块板(20×10×5mm)的20×10mm平面的表面打磨至无明显划痕，将打磨面对接，如图2中(a)所示，将两TC4块对接，在对接界面尾端用钼丝填缝垫起右端(圆柱代表直径100μm的钼丝)，然后弓形夹固定，将对接块板两端(夹缝的最窄端和最宽端)均用TIG焊接保留夹缝，获得连续变化的间隙。

(2)扩散焊焊前准备：将盖板待焊表面和(1)中的两个夹缝块板非缺陷位置的待焊表面进行表面清理，首先用砂纸将表面逐级砂纸打磨，并用抛光液(二氧化硅溶胶:双氧水＝8:1)将表面抛光至镜面且保持平行度；用1mL氢氟酸+1.5mL盐酸+2.5mL硝酸+95mL水混合形成的酸液对待焊试样酸洗1分钟，取出后放入无水乙醇中超声波清洗8分钟，再取出清水漂洗20min，冷风吹干。

(3)扩散焊装配：如图2中(b)所示，将图2中(a)的试样翻转90度，将盖板(20×20×2mm)与含有夹缝的块板待焊面表面贴合并对中，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。

(4)焊接：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。在扩散焊机控制面板处输入设定的工艺参数(焊接温度800℃、焊接压力1.8MPa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。

实施例3

本实施例提供一种超声检测试块的制备方法，其包括：

(1)制作夹缝：先将两个TC4钛合金块板(20×10×5mm)的20×10mm平面的表面打磨至无明显划痕，将打磨面对接，如图2中(a)所示，将两TC4块对接，在对接界面尾端用钼丝填缝垫起右端(圆柱代表直径250μm的钼丝)，然后弓形夹固定，将对接块板两端(夹缝的最窄端和最宽端)均用TIG焊接保留夹缝，获得连续变化的间隙。

(2)扩散焊焊前准备：将盖板待焊表面和(1)中的两个夹缝块板非缺陷位置的待焊表面进行表面清理，首先用砂纸将表面逐级砂纸打磨，并用抛光液(二氧化硅溶胶:双氧水＝12:1)将表面抛光至镜面且保持平行度；用1mL氢氟酸+1.5mL盐酸+2.5mL硝酸+95mL水混合形成的酸液对待焊试样酸洗2分钟，取出后放入无水乙醇中超声波清洗12分钟，再取出清水漂洗40min，冷风吹干。

(3)扩散焊装配：如图2中(b)所示，将图2中(a)的试样翻转90度，将盖板(20×20×2mm)与含有夹缝的块板待焊面表面贴合并对中，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。

(4)焊接：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。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2.2MPa和保温时间50min)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

本对比例提供一种超声检测试块的制备方法，与实施例1不同之处仅在于：焊接温度为700℃。

结果显示:焊接温度低导致扩散焊界面非缺陷位置不能形成可靠连接，如图3所示，界面未焊合的孔洞影响试块的连续性和均匀性，这会对超声检测信号造成干扰，影响检测精度，而不能用作试块。

对比例2

本对比例提供一种超声检测试块的制备方法，与实施例1不同之处仅在于：焊接温度为950℃。

结果显示:焊接温度过高，焊接变形量增大，一方面造成试块整体变形量过大而影响试块尺寸精度，另一方面造成扩散焊界面缺陷位置盖板塌陷影响缺陷尺寸精度，如图4所示，950℃焊接温度下扩散焊界面盖板侧凹陷。

试验例1

测试实施例1中得到试块的尺寸，为了确定所预制缺陷的尺寸，对切除两端后的试块的两端缺陷(间隙)进行扫描电镜观察并测量尺寸，如图5所示，图5(a)为前端缺陷形貌，图5(b)为后端缺陷形貌，图5(c)为连续缺陷刻度尺。

从图3可以看到扩散焊界面非预制缺陷位置焊接良好，图5(a)和图5(b)为两端测量的缺陷尺寸，分别为19.2μm和156.0μm，根据缺陷的连续性和试块的长度做出了如图5(c)所示的连续缺陷刻度尺，缺陷在扩散焊界面上形状呈直角梯形，实验分析过程中可根据直角梯形的几何特性，确定任何位置的缺陷宽度。

试验例2

采用超声C扫的检测方式对实施例1中得到的试块进行检测，分别选用频率50MHz、焦距20mm、晶片直径6mm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，最大为255图片表现为白色。

从图中可以看到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。可以看到图像中亮白色缺陷尺寸从小到大变化，但出现左右两端不连续的现象，这是由于试块边缘导致探头发射声束无法在扩散焊界面处聚焦，在图像上表现为不均匀，已知探头中晶片半径为3mm，如图6所示截掉了C扫图片两端3mm长度部分，并经过图像处理获得长度为12,200μm的截断C扫图片(参照实质审查参考资料)，截断后根据连续缺陷直角梯形的几何性质，计算得两端的缺陷尺寸分别为41.75μm和133.45μm，获得新的连续缺陷刻度尺。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种超声检测试块的制备方法，其特征在于，包括：

将叠放的第一基材和第二基材之间的一端放置垫件，以形成从所述第一基材和所述第二基材的第一端至相对的第二端宽度逐渐增大的夹缝；

将所述第一基材和所述第二基材的所述第一端和所述第二端分别固定，然后再进行扩散焊。

2.根据权利要求1所述的超声检测试块的制备方法，其特征在于，所述垫件为圆柱状，且所述垫件的直径为100-250μm；优选为150-200μm；

更优选地，所述垫件为填丝。

3.根据权利要求2所述的超声检测试块的制备方法，其特征在于，在加入所述垫件之前，将所述第一基材和所述第二基材的表面进行打磨；

优选地，所述第一基材和所述第二基材均为钛合金块板。

4.根据权利要求1所述的超声检测试块的制备方法，其特征在于，将所述第一端和所述第二端固定是采用焊接的方式；

优选地，采用TIG焊接的方式将所述第一端和所述第二端固定。

5.根据权利要求1所述的超声检测试块的制备方法，其特征在于，在进行扩散焊之前，进行扩散焊装配；其中，所述扩散焊装配包括：将固定好的所述第一基材和所述第二基材进行翻转，表面具有宽度渐变的夹缝的两个端面为焊接顶面和焊接底面，在所述焊接顶面处加入盖板；

优选地，所述盖板的形状和尺寸与所述焊接顶面的形状和尺寸相匹配；

优选地，所述扩散焊装配的过程还包括在所述盖板的顶面和所述焊接底面处均添加阻焊层。

6.根据权利要求1或5所述的超声检测试块的制备方法，其特征在于，在将所述第一基材和所述第二基材固定之后进行所述扩散焊装配之前，将所述第一基材、所述第二基材和所述盖板进行表面清理；

优选地，所述表面清理包括依次进行的打磨、抛光和酸洗；

优选地，所述抛光的过程中所采用的抛光液中包括二氧化硅溶胶和双氧水；

优选地，二氧化硅溶胶和双氧水的质量比为8-12:1；

优选地，所述酸洗的过程中所采用的酸液是由氢氟酸、盐酸、硝酸和水混合而得，酸洗时间为1-2min。

7.根据权利要求6所述的超声检测试块的制备方法，其特征在于，在所述酸洗之后，进行水洗和干燥；

优选地，水洗是用水漂洗20-40min；

优选地，在所述酸洗之后且在所述水洗之前，采用有机试剂进行清洗；

更优选地，所述有机试剂进行清洗是采用乙醇超声清洗8-12min。

8.根据权利要求1所述的超声检测试块的制备方法，其特征在于，在所述扩散焊中，焊接温度为800-900℃，焊接压力为1.8-2.2MPa；

优选地，所述扩散焊过程中保温时间为50-70min。

9.一种超声检测试块，其特征在于，由权利要求1-8中任一项所述超声检测试块的制备方法制备而得。

10.权利要求9中所述超声检测试块在超声检测中的应用。

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