CN113777176A - 一种扩散连接弱接合的非线性超声波束混合检测及三维成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种扩散连接弱接合的非线性超声波束混合检测及三维成像方法，包括搭建非线性超声测试系统；确定非线性实验参数；在起始点完成非线性超声波束混合检测；提取各混合位置基波、混合波幅值；对确定的传感器移动步长，同步横向移动传感器至另一声波垂直方向位置完成同样检测；计算不同路径的非线性系数，集合空间不同位置的非线性系数数据完成三维成像。有益效果是，在被连接工件两端发射不同频率纵波超声波脉冲串，在不同位置混合，实现在声波路径上定位。同时，选取不受系统非线性干扰的一阶、二阶和频或差频声波进行弱接合表征，避开系统非线性干扰，相较于其它方法具有高精度、可定位的巨大优势，可应用于扩散连接的日常检测工作当中。

Description

一种扩散连接弱接合的非线性超声波束混合检测及三维成像 方法

技术领域

本发明涉及一种对扩散连接质量下降的检测方法；特别是涉及一种扩散连接弱接合的非线性超声波束混合检测及三维成像方法。

背景技术

扩散连接属于一种固相连接技术，因其正常连接界面的冶金组织和力学性能与母材相同、无熔化焊典型缺陷、焊接变形，因而在现代飞机及航空发动机等领域不断得到推广应用。扩散连接过程通常需要将被连接的两工件置于扩散连接炉内，炉内为真空环境或由惰性气体填充。并在连接前，对工件表面进行打磨处理以保证足够良好的表面状况。在工件两端施以一定的压力，并提升炉内温度，在一定的保温时间后炉冷，即可完成连接过程。对于连接面性质，可分为直接连接和加入中间层填充物连接两种情况，其中添加填充物的扩散连接质量相对更优，并且对表面打磨、连接工艺参数等的要求更低。对于连接面方向，可分为连接面与工件表面平行和连接面与工件表面非平行两种情况，非平行情况的扩散连接对于后期的无损检测困难更大。

扩散连接由于母材不需要熔化的独特优势，熔化焊中的气孔、夹杂等缺陷是可以避免的。但实际连接中，某些原因仍会导致连接质量的下降。其一是连接工艺参数的选择不当，特别是对于较新的被连接材料。其二是，在实际连接过程中存在的与设计工艺参数的偏离，如实际连接的两工件尺寸较大，造成压力、热量输入的分布不均或连接面部分区域被污染等。在设计环节，可以采用有损的方式对连接质量进行评估。但实际在用的工件不可能采用破坏性试验，故急需有效的无损检测方式对连接质量进行检测评价。

扩散连接的质量下降的情况大体上可分为三类：1.界面部分区域未接合；2.界面部分区域弱接合；3.已形成完好界面但力学强度不足。

对于第一种情况，其缺陷尺度较大，可采用常规的诸如超声、射线检测等无损检测方法进行，并且，随着连接技术的发展此种缺陷也越来越少。而后两种情况，由于工件中不具有大尺度缺陷，很难通过常规手段进行评价。

现重点讨论第二种弱接合的界面，其特征是连接表面仅形成紧密的物理接触，相较于完好连接未发生原子间的相互扩散，而连接面又不像未连接缺陷存在明显的间隙，该种缺陷的危害极大。该种连接质量下降情况，通过传统无损检测方法很难给予有效判断，在现有研究中对于此类问题的解决方式可以归结为两类。其一，为传统超声方法基础上的改良，其特点是本质上仍以脉冲反射回波法为基础，而在仪器设备或是分析方法上改进。另一类，针对该问题的研究思路是利用非线性超声技术，将界面弱接合区域视作接触非线性“源”，考察声波到达此类缺陷时产生的非线性效应，并选择一定参数进行弱接合的表征。

相较于传统超声法基础上的改良方法，非线性超声技术对于该问题的解决更具优势。非线性超声技术检测该类缺陷的原理为接触非线性，当大振幅的超声波经过弱接合区域时声波的压缩相使弱接合闭合，声波继而通过，而声波的拉伸相则会使其张开，声波将会反射，这种开合的不对称性产生了非线性效应。目前检索到的文献以二次谐波法为主，如：

（1）Application of Nonlinear Ultrasonic Measurement for QualityAssurance of Diffusion Bonds of Gamma Titanium Aluminum Alloy and Steel[J].Research in Nondestructive Evaluation, 2006, 17(04): 223-239.（非线性超声测量在保证伽玛钛铝合金和钢扩散连接质量中的应用[J]. 无损评估研究，2006,17(04)：223-239.）

该文献通过焊接前加入油滴的方式制备了含弱接合区域的扩散焊接试件，利用快速傅立叶变换分析回波反射信号，结果表明通过提取的二次谐波幅值可有效表征焊接试件的弱接合。

（2）叶佳龙，刚铁. 304不锈钢扩散焊界面的超声非线性成像[J]. 焊接学报，2014，35(05)：95-99.

该文献通过水浸超声反射方法，先以传统C扫描的方式对未接合区域进行了判定，之后通过与文献（1）类似的方式，并加入了传感器的移动，使二次谐波法对弱接合区域实现了检出并完成C扫描成像。

通过非线性超声中的二次谐波法对扩散连接弱接合进行检测，通常存在两个弊端：其一，二次谐波的量级相较于基波大约只有千分之一到百分之一的级别，而在接收信号中除了弱接合带来的非线性，实验系统也会产生非线性谐波信号，同样以二次谐波为主，这样造成真实物理上的非线性效应受到了干扰，完好接合区域仍会检测到系统干扰带来的二次谐波；其二，二次谐波法本质上测量的是声波整个传播路径上的信息，在路径上并不能定位出弱接合具体位置，这在某些场合下将会带来不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种无损检测对金属扩散连接中的弱接合缺陷能够快速高效、精确检出并定位的方法。

本发明所采用的技术方案是，一种扩散连接弱接合的非线性超声波束混合检测及三维成像方法，包括以下步骤，

（1） 搭建非线性超声测试系统；

（2） 确定非线性实验参数；包括声波路径方向所需空间分辨率确定的两声波脉冲持续时间、相对延迟时间步长，根据声波垂直方向所需空间分辨率确定传感器移动步长；

（3） 在起始点完成非线性超声波束混合检测；

（4） 提取各混合位置基波、混合波幅值；

（5）对步骤(2)确定的传感器移动步长，同步横向移动传感器至另一声波垂直方向位置，并在新的声波路径上重复步骤（3）、（4）的过程；

（6）计算不同声波路径的声波垂直方向位置非线性系数沿声波路径的分布，集合空间不同位置的非线性系数数据完成三维成像；

相对延迟与路径方向上的位置关系为：

其中，z为声波路径方向上的坐标位置，0点位于工件正中部，

为两声波的相对延迟，c为纵波声速；

非线性系数

的计算关系为：

其中

为混合波的幅值，

、

分别为两基波的幅值。

所述步骤（1）包括任意函数发生器、两个功率放大器、两个匹配电阻、两个超声探头、双工器和信号接收器；

所述步骤（3）对试件两端分别加持传感器，按照两声波相对延迟时间步长，依次使声波在不同位置混合；

所述步骤（4）对接收探头接收到的不同混合位置的时域信号进行处理，分别提取基波、混合波的幅值，采用快速傅立叶变换，或是对系统增加相敏检波模块，通过相敏检波提取。

本发明的有益效果是，通过在被连接工件的两端发射不同频率的纵波超声波脉冲串，使其在不同位置混合，实现在声波路径上的定位。同时，选取不受系统非线性干扰的一阶、二阶和频或差频声波进行弱接合表征，使其避开系统非线性干扰，含弱接合路径相较于完好连接路径，比二次谐波法获得更高的对比度；本发明利用两声波同时经过弱接合时的非线性效应对其进行表征，相较于其它方法具有高精度、可定位的巨大优势，可应用于扩散连接的日常检测工作当中。

附图说明

图1：工艺步骤流程图；

图2：非线性超声测试系统搭建示意图；

图3：系统稳定性验证；

图4：延迟发射下两发射声波时域信号；

图5：混合波时域信号；

图6：基波、混合波幅值提取；

图7：含弱接合声波路径上的非线性系数分布；

图8：工件、探头系统的坐标系。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，本发明一种扩散连接弱接合的非线性超声波束混合检测及三维成像方法，包括以下步骤，

（1） 搭建非线性超声测试系统；至少包括任意函数发生器、两个功率放大器、两个匹配电阻、两个超声探头、双工器和信号接收器；

（2） 确定非线性实验参数；根据工件材料属性、尺寸确定非线性实验参数，包括声波路径方向所需空间分辨率确定的两声波脉冲持续时间、相对延迟时间步长，根据声波垂直方向所需空间分辨率确定传感器移动步长；

在正式测量前通过分别改变两功率放大器输出验证测量系统的稳定性，择优选择混合声波分量；

（3） 在起始点完成非线性超声波束混合检测；对试件两端分别加持传感器，适当的耦合剂；根据步骤（2）确定的两声波相对延迟时间步长，依次使声波在不同位置混合；

（4） 提取各混合位置基波、混合波幅值；对接收探头接收到的不同混合位置的时域信号进行处理，分别提取基波、混合波的幅值，采用快速傅立叶变换，或是对系统增加相敏检波模块，通过相敏检波提取；

（5）对步骤（2）确定的传感器移动步长，同步横向移动传感器至另一声波垂直方向位置，并在新的声波路径上重复步骤（3）、（4）的过程；

（6）计算不同声波路径的声波垂直方向位置非线性系数沿声波路径的分布，集合空间不同位置的非线性系数数据完成三维成像；

相对延迟与路径方向上的位置关系为：

其中，z为声波路径方向上的坐标位置，0点位于工件正中部，

为两声波的相对延迟，c为纵波声速；

非线性系数

的计算关系为：

其中

为混合波的幅值，

、

分别为两基波的幅值。

实施例：

（1）如图2所示，对非线性超声测试系统进行搭建，通过任意函数发生器1产生两个频率不同的正弦脉冲串信号，一路信号经第一功率放大器2进行放大后，经第一匹配电阻4后，加载到中心频率为5MHz的发射超声探头6，探头产生超声波经薄层耦合剂后传入试件9。另一路信号经第二功率放大器3进行放大后，经第二匹配电阻5，通过双工器7后，加载到中心频率为10MHz的发射\接收超声探头8，探头产生超声波经薄层耦合剂后由试件9的另一端传入试件9。由于双工器7的使用，超声探头8同时起到了发射、接收的作用，其接收到的声波信号转化为电信号经双工器7后，传入信号接收器10。

（2）根据试件材料性质、尺寸确定非线性超声实验参数，本实施例中选择的试件为含有弱接合的铝合金固相连接试件，单块高度3厘米。其中一路声波频率定为9MHz，另一路设置为5MHz。两脉冲相对延迟分别设置为-4

（9MHz声波早发射4

）、-2

、0、2

、4

（9MHz声波晚发射4

）。之后对系统稳定性进行验证，分别改变两路的放大水平，如图3所示其非线性系数保持相对稳定，系统的可靠性得以验证。

（3）在声波垂直方向的测量起始位置，按照步骤（2）的相对延迟设置发射两声波，不同延迟下两声波的发射信号如图4所示，其中实线为9MHz声波，虚线为5MHz声波。

（4）对如图5所示的接收时域信号（该图例为在弱接合位置混合）进行相敏检波处理得到幅值在频域上的分布如图6所示，除了基波的9MHz、5MHz以外，在放大图中可以清晰的看到各混合波分量，本实施例中选择了14MHz的一阶和频声波分量作为特征量表征弱接合。

（5）同步移动传感器至另一声波垂直方向位置，并在新的声波路径上重复步骤（3）、（4）的过程，即如图7所示的下一个（x，y）位置；

（6）分别计算全部声波路径下的（全部（x，y）位置下）的非线性系数

沿z方向的分布，本实施例中某一包含弱接合的（x，y）路径下非线性系数

结果如图8所示。在三维成像时首先应将相对延迟

换算成z坐标位置，之后集合空间全部（x，y，z）位置的非线性系数

进行成像。

本发明通过非线性超声波束混合技术，检测扩散连接中存在的弱接合缺陷，并实现缺陷定位，保障扩散连接部件的安全可靠。本发明基于扩散连接件中存在弱接合缺陷时，超声波经过其所激发的接触非线性效应。声波垂直方向定位通过同步移动两传感器的方式实现，声波路径方向定位通过控制两声波相对延迟继而控制混合位置实现。该方法可用于扩散连接弱接合缺陷的无损检测工作。

值得指出的是，本发明的实施例给出的是铝合金材质扩散连接试件并选择某一混合声波分量的结果。本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，如改变材料、改变混合声波分量选择等。根据本发明的基本技术构思，可以实现本发明的目的，只要本领域普通技术人员无需经过创造性劳动，即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种扩散连接弱接合的非线性超声波束混合检测及三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤，

（1） 搭建非线性超声测试系统；

（2） 确定非线性实验参数；包括声波路径方向所需空间分辨率确定的两声波脉冲持续时间、相对延迟时间步长，根据声波垂直方向所需空间分辨率确定传感器移动步长；

（3） 在起始点完成非线性超声波束混合检测；

（4） 提取各混合位置基波、混合波幅值；

（5）对步骤(2)确定的传感器移动步长，同步横向移动传感器至另一声波垂直方向位置，并在新的声波路径上重复步骤（3）、（4）的过程；

（6）计算不同声波路径的声波垂直方向位置非线性系数沿声波路径的分布，集合空间不同位置的非线性系数数据完成三维成像；

相对延迟与路径方向上的位置关系为：

其中，z为声波路径方向上的坐标位置，0点位于工件正中部，

为两声波的相对延迟，c为纵波声速；

非线性系数

的计算关系为：

其中

为混合波的幅值，

、

分别为两基波的幅值。

2.根据权利要求1所述的扩散连接弱接合的非线性超声波束混合检测及三维成像方法，其特征在于，所述步骤（1）包括任意函数发生器、两个功率放大器、两个匹配电阻、两个超声探头、双工器和信号接收器；

所述步骤（3）对试件两端分别加持传感器，按照两声波相对延迟时间步长，依次使声波在不同位置混合；

所述步骤（4）对接收探头接收到的不同混合位置的时域信号进行处理，分别提取基波、混合波的幅值，采用快速傅立叶变换，或是对系统增加相敏检波模块，通过相敏检波提取。

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