鋁合金焊縫超聲檢測缺陷定位誤差原因

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(1.國網河南省電力公司電力科學研究院，鄭州 450052；2.山東瑞祥模具有限公司，濟寧 272400)

5083鋁合金屬于較常用的變形合金，主要元素為鎂，為鋁鎂合金。5083鋁合金具有高的抗蝕性、良好的可焊性，特點為密度低、抗拉強度高、延伸率高，被廣泛應用于電網GIS設備的殼體容器、飛機油管路，以及需要嚴格防火的壓力容器的制造中。鋁合金的加工工藝為連鑄連軋擠壓成型，是熱軋鋁，不能進行熱處理強化，無法通過相變來細化晶粒。各向異性的粗晶組織會導致焊縫檢測時超聲定位誤差大[1]，橫波探頭前沿長度的準確性直接影響缺陷的定位，筆者對產生前沿距離誤差的原因進行了試驗分析，解決了變形鋁合金檢測的定位難題。

1 試驗過程

1.1 超聲波多次反射法測試晶粒度

選取3種材料，共5塊鋁合金制作CSK-IA試塊，編號為1#，2#，6#，7#，8#。其中1#，2#為各向異性粗晶組織，6#為輕度粗晶組織，7#，8#為細晶組織。每組抽一個試塊進行檢測，抽取試樣編號為1#，6#，7#。在3塊試塊半徑為100 mm的圓心設置反射槽，采用規格為5P9×9 K3探頭觀察半徑為100 mm圓弧的多次反射波，檢測結果如圖1所示。

圖1 1#,6#,7#試塊的多次反射法檢測結果

由圖1可知，6#試塊L0=16 mm(L0為探頭的前沿距離)，可見第一次和第二次波能量飽和，第三次波能量約為38%；1#試塊L0=13 mm，第四次波能量為15%；7#試塊L0=9 mm，前三次反射波飽和，第四次波能量為42%，第五次波能量約為17%。

試驗結果表明，圖1(a)為嚴重的各向異性粗晶材料形成的散射衰減波形，圖1(b)為輕度粗晶組織材料形成的波形，圖1(c)為晶粒度正常的反射波形。從L0的變化可以看出，L0越小，晶粒度越細。

1.2 前沿距離誤差原因分析

研制的5083鋁合金材料的波束擴散范圍參考試塊尺寸示意如圖2所示，試塊厚度為25 mm，圓心對應的R100 mm圓弧上φ1 mm橫孔檢測探頭的左側布置為85°，71.5°(K3)，63.4°(K2)等，右側布置為80°，68.1°(K2.5),56.3°(K1.5),實測探頭均為標準折射角度。

圖2 5083鋁合金材料的波束擴散范圍參考試塊尺寸示意

探頭位于試塊的圓心，朝向左側采用折射角71.5°探頭接收到φ1 mm橫孔反射波時，其擴散波束也覆蓋了63.4°及85°的φ1 mm橫孔，此時僅出現一個波，波高為三次波聲壓的疊加。當探頭從試塊圓心向左側移動時，動態包絡線最高點發生變化，位置自然前移，形成L0測量誤差。右側掃查時與上述情況相同。

測試結果表明，當探頭主波束對準對應橫孔時，移動探頭尋找最高點，擴散波束范圍內類似φ1 mm橫孔的粗晶粒會疊加在主波束上，隨板材的各向異性晶粒均勻度的變化而變化，最高反射點是疊加波，而非單純的φ1 mm橫孔波，從而導致前沿距離從9～16 mm間變化。

1.3 鋁與鋼CSK-IA試塊的檢測

探頭規格為5P9×9 K3，實測K值采用試塊上φ1.5 mm橫孔，橫波聲速變化將導致折射角的變化，實測結果如表1所示。

表1 鋁與鋼CSK-IA試塊檢測結果

依據折射定律也可計算出實測K值均小于探頭標定的K值。在鋼CSK-IA試塊φ1.5 mm橫孔上測出探頭的折射角βS，檢測鋁合金時的折射角需按式(1)進行轉換，借以修正因鋁合金聲速變化而導致的折射角變化。

βLs=arcsinCA/CC·sinβCs

(1)

式中：βLs為鋁合金檢測的實際橫波折射角；βCs為鋼CSK-IA試塊測定的探頭折射角；CA為鋁合金橫波聲速；CC為鋼CSK-IA試塊的橫波聲速。

1.4 金相檢驗

在5塊試塊表面的相同部位進行金相檢測，試塊的金相檢驗結果如圖3所示。

從圖3可以看出：1#，2#，6#試塊的晶粒沿壓延方向具有明顯的方向性，晶粒沿著壓擠的主變形方向被拉長,變形程度大，且1#，2#試塊與6#試塊的壓延方向垂直；7#，8#試塊晶粒細小且較為均勻、呈等軸狀，依據標準GB/T 639—2002《金屬平均晶粒度測定方法》，晶粒度評為4.0級。

晶體結構的變化導致聲速及L0測量值的變化，細晶粒鋁CSK-IA 7#和8#試塊上L0測定結果與鋼CSK-IA試塊的測定結果相同。

2 結論

(1) 前沿是入射點至探頭殼外緣的距離，為一個固定值，不會因被檢介質的變化而變化。變形鋁合金粗大的帶狀組織造成了探頭前沿的測量誤差。

(2) 變形鋁合金的壓延方向與超聲波傳播方向平行或垂直，對探頭前沿誤差都有影響，垂直的影響更大。

(3) 鋁合金的超聲波檢測中，聲速的變化與前沿距離誤差無關，鋁中橫波聲速變慢將導致K值變小，這在缺陷定位中需要實測修正。

(4) 由于帶狀組織會造成探頭前沿誤差，因此在鋁CSK-IA試塊的制作時需要確定材料的晶粒度，宜采用無明顯帶狀、晶粒度較為細小的鋁合金材料進行制作。