鈦-鋼爆炸焊復合層的超聲成像檢測

萬　剛,吳　偉,王　茹,鄔冠華,吳　宇

(南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室， 南昌 330063)

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鈦-鋼爆炸焊復合層的超聲成像檢測

萬剛,吳偉,王茹,鄔冠華,吳宇

(南昌航空大學 無損檢測教育部重點實驗室， 南昌 330063)

為了提高爆炸焊接的質量，需要對爆炸焊工件焊層處的結合情況有一個較為全面的了解。以鈦-鋼爆炸焊試件做為試驗對象，利用超聲成像掃描研究爆炸焊工件復合層處成像波紋間的距離和波紋的高度兩個參量，來評價爆炸焊接的質量。結果表明:可以利用工件底面的脈沖回波和結合界面回波的相對變化、接收回波的異常來判斷爆炸焊接質量，該方法對無損評價爆炸焊接質量具有很好的指導意義。

鈦-鋼爆炸焊；超聲成像掃描；焊接質量

爆炸焊接又被稱為爆炸復合, 是一種將炸藥爆炸瞬間產生的能量作為能源對金屬進行焊接的一種高新技術，在復合材料領域具有很高的實用價值。在化工、特種設備和船舶等行業也廣泛地采用該技術焊接復合材料。爆炸焊接技術最突出的特點是能通過爆炸瞬間發出的巨大能量,將常規焊接方法不能焊接在一起的兩種金屬強固地焊接在一起[1]。利用該技術可以更高效快捷地生產出大面積的多種尺寸、形狀、組合,以及多種用途的雙金屬或多金屬的復合材料[2]。筆者通過研究特征成像效果與探頭頻率、聚焦位置的關系，對鈦-鋼爆炸焊復合層界面進行超聲成像檢測，利用工件底面的脈沖回波和結合界面回波的相對變化、接收回波的異常來判斷爆炸焊接質量。

1　鈦-鋼爆炸焊復合層界面超聲傳播特性

在分析鈦-鋼復合層的超聲傳播特性之前，需要先了解這兩種金屬材料的聲阻抗特性。超聲波垂直入射到光滑界面時，在第一介質中產生反射波，方向與入射波方向相反，在第二介質中產生透射波，方向與入射波方向相同[3]。反射波與透射波的聲壓由聲壓反射率r和透射率t來表示：

(1)

(2)

(3)

式中：Z1為介質1的特性阻抗；Z2為介質2的特性阻抗;ρ為介質密度;c為超聲波傳播速度。

在對鈦-鋼爆炸焊試塊進行特征掃描時，聲波從鈦-鋼界面入射，鈦為第一介質，鋼為第二介質。根據公式(1)、(2)，以及鈦、鋼、空氣的縱波聲速，可以計算出:r為0.25，t為1.25。在鈦與基體鋼結合良好的情況下，聲壓透射率較高，回波聲壓可忽略；在鈦與基體鋼未完全結合的情況下，聲波幾乎沒有透射，反射率大，有較大回波聲壓。

因此，依據界面回波和底波回波的變化可以判斷鈦-鋼復合層的焊接質量。

2　試驗步驟和結果

2.1試驗對象

從鈦-鋼爆炸焊復合板中取樣，試塊尺寸見圖1。試塊長為149.8 mm、寬為120.6 mm，覆板厚度為6.85 mm，基板厚度為51.6 mm，掃查結束后在距離末端43 mm處對覆板進行切割剝離，以便觀察結合面處波紋的形態。

圖1　鈦-鋼爆炸焊復合板試塊外觀

2.2試驗參數

2.2.1掃查頻率

分別采用頻率為5,10,15 MHz的水浸聚焦探頭，聚焦在焊層處掃查，觀察A掃初始波形圖，對比三種頻率下結合面回波高度，再分別調節增益，使得結合層處回波幅值高度達到滿屏的80%時，以此時的回波進行幅值成像。

通過比較發現，頻率為15 MHz的探頭掃查得到的回波幅值是最高的。一般情況下，成像波紋的清晰度與回波的幅值成正比，15 MHz的回波成像能更加清楚直觀地展示結合層處波紋的情況。所以在試驗中，選擇頻率為15 MHz的探頭對爆炸焊試件進行掃查。

2.2.2聚焦位置

采用15 MHz探頭，分別聚焦在鈦層表面處、鈦層的中部和鈦與鋼的結合面處進行掃查，觀察A掃波形圖中結合層處的回波高度，再分別調節增益，使結合層處的回波幅值高度達到滿屏的80%，用此時的回波進行幅值成像。

通過比較發現，聚焦在結合層處掃查到的回波幅值是最高的，且幅值成像圖能更為清晰直觀地展示結合層處波紋的情況。所以掃查時的聚焦位置選在結合層處。

2.3成像結果

在檢測靈敏度不變，被檢測試件的材料和厚度固定的情況下,一次底波的幅值是固定不變的；當試件的內部或者底面有缺陷和縫隙時，會發生缺陷反射,使到達底面的超聲波能量減少,所以底面回波的幅值會下降[4]。缺陷的尺寸越大,能量減少得越多，底面回波的幅值下降得越多。試驗中，每一個采集點都有對應的波形圖，對采集到的數據進行處理，提取每個采集點對應波形圖的幅值，并以提取的這些幅值成像，就是幅值成像。由于試件的衰減較大,導致一次底波非常微弱，所以必須通過計算準確找出一次底波的位置，用該底波的幅值進行成像。圖2即為15 MHz頻率的探頭聚焦在結合層處掃查，用結合層處的反射波幅值成像的特征圖像。

圖2　一次底波的幅值成像示意

從成像圖中可以發現，該鈦-鋼爆炸焊試件的成像波紋非常清楚，并且在左上角區域有一處“缺陷”(爆炸焊支撐物熔化所致)。

3　結果分析

爆炸焊接過程中，炸藥爆炸瞬間產生的巨大能量推動鈦、鋼兩種金屬產生高速碰撞，從而使金屬焊接在一起，結合界面上出現“熱塑失穩和波狀界面失穩并存”的形態[5]，從而形成了波狀的結合界面。波狀界面的形成與碰撞速度和碰撞角度有關，按界面波高和波長的不同可以將結合面類型分為大波狀結合界面、小波狀結合界面和微波狀結合界面(又叫直接結合)。在這三種結合界面中，大波狀結合界面和小波狀結合界面均存在過渡區域，其中大波狀結合界面處存在寬度約幾十微米的過渡區域，該區域存在大量的縫隙缺陷，并且在靠近界面附近的基材中還存在一些微米級的疏松“空洞物”，正是因為這些微小缺陷和“空洞物”的存在，導致了結合面結合強度的降低[6]，所以大波狀結合界面的結合質量最差；小波狀結合界面的過渡區比較窄，一般只有幾微米，所以在過渡區域中幾乎沒有縫隙和“空洞物”，所以小波狀結合界面的結合質量次之；微波狀結合界面的結合質量最好，在微波狀結合界面中不存在過渡區域，也沒有“縫隙”、“空洞物”等缺陷。

因此，對復合板的質量和性能起決定性影響的因素是復合界面中大波狀結合區域所占的比重。

目前對爆炸焊結合面層的評價主要包括：首先觀察特征掃描成像圖顯示的結合層處波紋和試塊實際的波紋紋路方向是否一致，再通過結合層處波紋間相鄰波峰之間的寬度，波峰與波谷之間的高度來評判結合界面的波狀類型。

3.1實測結合層波紋的波峰間距離

為了使得到的數據更加精確，在圖像的九個區域中均勻提取數據進行分析，如圖3所示，利用IMAGEJ軟件和特征掃描成像，結合爆炸焊工件的機械尺寸,直接測得試塊結合層處波紋的相鄰波峰與波峰之間的寬度。分別對未經過信號處理的特征掃描圖像和經過頻譜分析處理后得到的圖像進行測量，并對測量得到的數據進行對比。

圖3　爆炸焊工件機械尺寸對應示意

對被測工件撕開的部分所對應的3個點(4，5，6)進行對比試驗，計算每個點上結合層波紋的波峰間的距離。在對工件拍攝圖像的同時，放置一把標尺，借助IMAGEJ分析處理軟件，將圖像中的像素點與工件實際尺寸進行對應。經計算，標尺中的10 mm在圖像中對應的像素點尺寸是258.5 pixel，故比例關系是：η=258.5 pixel/10 mm=25.85 pixel·mm-1。為了減小客觀因素帶來的誤差，在工件部位拉取5個單位寬度的間距進行測量。測量結果為：位置4處結合層波紋的波峰間距離為1.63 mm，位置5處結合層波紋的波峰間距離為1.56 mm，位置6處結合層波紋的波峰間距離為1.16 mm，如圖4 所示。

圖4　測量工件撕開部分結合層波紋的寬度

分析超聲特征掃描圖像中顯示的結合層波紋的相鄰波峰間的距離時，可以發現各區域數值都比較穩定，并且與被測工件撕開部分(撕開第一層后顯示的部分)實測的數據比較接近。

3.2在B掃圖像中計算結合層波紋高度

在被測工件上選取一小塊面積進行掃查，得到B掃圖像，見圖5。

圖5　被測工件B掃圖像

從圖5可清晰看到工件結合面的一個切面的紋路。為計算結合層紋路的波紋高度，在ICY軟件平臺下，分別選取兩個點標識在結合層波紋的相鄰兩波峰、波谷處，并記錄、分析采樣點的數值。通過如下公式可計算波紋高：

(4)

式中:H為結合層波紋的波峰波谷間的距離;v為鈦中的聲速6 200 m·s-1，探頭采樣點的時間間隔為8×10-9s,即8 ns;T為超聲波在結合層波紋的波峰波谷間傳播的時間：

(5)

式中:a為波紋的波谷處采樣點數值;b為波紋的波峰處采樣點數值;a、b的單位均為1，得到波紋的高度采樣數據，并作平均處理，結合層波紋的波紋高度的平均值為0.327 mm。

3.3通過C掃圖像計算結合層波紋高度

得到了結合層波紋的相鄰波峰間的距離后，對超聲A掃波形中的界面波進行拉直處理，并轉化成TIFF格式的B掃圖像，利用ICY軟件對各層進行深度方向成像，得到每層的C掃圖像,可確定結合層波紋的波峰波谷的位置，C掃示意圖如圖6所示，在圖中選定任一點后，可顯示該點的A掃波形，見圖7。通過爆炸焊結合面返回的超聲波的位置可計算出波紋的波峰波谷之間的距離(波紋的波高)。

圖6　C掃圖中波紋峰波谷回波示意

圖7　某探測點處的A掃波形

從圖6中可清晰看到結合層處波紋的紋路，為計算紋路中波紋高度，在ICY平臺下，選取兩個點分別標識在結合層波紋的相鄰兩波峰、波谷處，觀察

這兩個點的超聲回波情況。通過試驗測得，在爆炸焊結合層紋路的波峰處，焊層發射回來的超聲底波最大值位置處的采樣點數值m為29.4，結合面處波紋的波谷反射的超聲回波的最大值處的采樣點數值n為45.2，m、n的單位均為1，再通過式(4)可計算波紋高,得:

(6)

由此得到：H=0.394 mm,即爆炸焊結合面處波紋的高度為0.394 mm。

由于B掃圖像在拉直處理過程中存在一定的誤差，所以由B掃圖測得的波高和通過C掃描成像圖測得的波高不完全一致，但這個誤差在可允許范圍內。

4　結語

利用超聲特征掃描對鈦-鋼爆炸焊試件的結合面處掃查成像，并通過得到的特征掃描圖像對爆炸焊試件結合面處的質量進行評判。由于超聲波在鈦中衰減很大，而且受探頭頻率限制，只能利用結合面處反射回的超聲底波的幅值進行特征成像。通過頻譜分析后,特征成像測出的爆炸焊結合面處相鄰波紋的波峰間的距離，和波紋波峰與波谷間的高度差與被測工件撕開部分實測的數據基本一致，對評價爆炸焊接質量具有很好的指導意義。

[1]張文毓.爆炸焊接技術的應用現狀與展望[J].工程爆破,2009(4):86-89.

[2]馬志新.鈦-鋁復合板的制備工藝研究及界面組織和性能分析[D].北京:北京有色金屬研究總院,2004.

[3]范慧卿.FCB自動焊終端裂紋超聲波檢測方法的研究[D].大連:大連理工大學,2008.

[4]李建文,徐彥霖,王增勇,等.超聲底波成像方法研究[J].無損檢測,2005,27(9):457-459.

[5]鄭哲敏,談慶明.爆炸復合界面波的形成機理[J].力學學報,1989(2):129-139.

[6]王耀華.金屬板材爆炸焊接研究與實踐[M]．北京: 國防工業出版社，2007:23-25.

Ultrasonic Imaging Detection of the Composite Layer Due to Titanium Steel Explosive Welding

WAN Gang, WU Wei, WANG Ru, WU Guan-hua, WU Yu

(Key Laboratory of Nondestructive Testing, Ministry of Education, Nanchang Hongkong University, Nanchang 330063, China)

In order to improve the quality of explosive welding, a more comprehensive understanding of the explosive welding layer combination is needed. Previous studies on the quality of the explosive welding were almost fully undertaken by means of transmission electron microscopy (TEM), with the help of which the binding to the surface of the material at the tissue was observed to determine whether the combination was good or bad. Although this method is accurate, it however is a destructive test, so it does not apply to the actual work of the 100% detection. In this paper, titanium steel explosive welding specimen was used as the research object, and ultrasonic imaging was employed to study the quality of explosive welding. The height of the ripple and the distance of the ripples were used as the two parameters for the evaluation of the quality of explosive welding.

Titanium steel explosive welding; Ultrasonic imaging; Welding quality

2015-10-23

萬剛(1990-)，男，碩士研究生，主要從事無損檢測技術研究工作。

萬剛,E-mail: catsbee@163.com。

10.11973/wsjc201607009

TG115.28

A

1000-6656(2016)07-0036-04