鋁合金微觀組織對超聲檢測精確度的影響研究

付天孟　孫偉　李正利　楊東旭

摘要：鋁合金焊縫在超聲檢測中由于缺陷定位不準而難以消除質量缺陷，直接影響設備的安全運行。現對微觀組織均勻度不同的鋁合金材料進行了超聲參數測試及金相試驗，結果表明，結合材料聲學性能，合理選擇鋁合金試塊，能使超聲檢測精確度控制在2%以內。

關鍵詞：超聲檢測;鋁合金;晶粒度

1 概述

目前，5083鋁合金因為具有良好的抗腐蝕性、優良的焊接性能而在電網GIS設備中被廣泛應用，對GIS設備焊縫質量的檢測越來越受到人們的重視[1]。在GIS設備現場檢測中，主要運用射線及超聲波對焊縫質量進行檢測，但射線檢測只能確定缺陷的水平位置，很難確定缺陷深度，而超聲檢測可以很好地彌補上述缺陷，同時，超聲檢測還具有安全、操作方便、效率高等優點。

鋁合金材料與鋼的聲速不同，其各向異性對超聲波聲場的影響很大，在超聲檢測粗晶組織材料的焊縫質量時會導致缺陷定位不準，影響后續焊接工藝處理及焊接可靠性評判，為此筆者對鋁合金晶粒度進行了試驗分析，對超聲基本參數進行修正，在現場檢測中得到了比較準確的缺陷定位結果，能將超聲檢測精確度控制在2%以內。

2 試驗材料與方法

2.1? ? 試樣選擇

選用5塊鋁合金材料作為試驗材料，分別編號為#1、#2、#3、#4、#5，均制成CSK-IA試塊，在試塊100 mm圓心處設置反射溝槽，根據材料晶粒度進行分組，其中#1、#2試塊為一組，#3試塊為一組，#4、#5試塊為一組，共分3組。

2.2? ? ?試樣檢測

對鋁合金及鋼CSK-IA試塊進行檢測，考慮到鋁合金材料聲衰減小慢，橫波探頭頻率選用5 MHz，探頭規格為：5P9×9K3。探頭折射角在試塊？準1.5 mm的橫孔上進行調節，檢測結果如表1所示。

由表1可知，鋁合金微觀組織不同將改變橫波在材料中的傳播速度，進而導致折射角變化，聲速變慢其折射角將變小。在已知材料聲速的情況下，可以根據折射定律修正由于折射角不同造成的缺陷深度誤差。

sin βs1/Cs1=sin βs2/Cs2

式中，βs1為鋁合金橫波折射角;βs2為鋼CSK-IA實測橫波折射角;Cs1為鋁合金橫波聲速;Cs2為鋼CSK-IA橫波聲速。

根據表1，繪制聲速-前沿關系圖，如圖1所示，根據聲速-前沿關系圖可以修正不同聲速的前沿長度。

2.3? ? 試樣晶粒度超聲測試

在各鋁合金試塊100 mm半徑圓弧上采用5P9×9K3型橫波探頭測試多次反射波，結果如圖2所示。根據波幅顯示情況，#1、#2試塊多次反射波多于其他試塊，#5試塊波幅衰減更厲害，通過能量衰減情況可知，#1、#2試塊組織晶粒度均勻，#3、#4試塊組織存在較粗晶粒，#5試塊為嚴重的各向異性粗晶組織，晶粒度越均勻，其實測前沿長度越小[2]。

2.4? ? 實測前沿誤差分析

根據超聲波在材料傳播中的波速擴散情況，制作相應參考試塊，試塊厚25 mm，在R100 mm圓弧上左右兩側分別布置實測K值的？準1 mm橫孔，探頭K值折射角可通過試塊右側上R100 mm圓弧及？準1.5 mm人孔處進行校準，試塊尺寸如圖3所示。

橫波探頭選擇K3，在試塊圓心處調節時，探頭除了接收右側K3的？準1 mm橫孔反射波，由于波速擴散，同時也接收了K5與K2的？準1 mm橫孔反射波，但超聲儀器僅顯示它們聲壓疊加的一個波幅。將探頭向右側移動時，動態包絡線最高點發生改變，位置自然前移，出現了L0測量誤差，左側檢測時與右側情況相同。結果顯示，當探頭主聲速尋找最高點時，在波速擴散范圍內，類似參考試塊？準1 mm橫孔的粗晶粒反射波會疊加在主聲速上，造成最高聲壓發生變化，改變前沿長度。

2.5? ? 金相試驗

對5塊鋁合金CSK-IA試塊在相同位置進行金相試驗，結果如圖4所示。金相組織與超聲多次反射法測試的晶粒度結果吻合。

3 結論

（1）前沿為探頭的固有參數，不會因被檢工件變化而改變，超聲檢測中往往由于變形鋁合金有帶狀粗大的微觀組織造成實測前沿產生誤差。

（2）由于材料晶粒度會影響前沿測量誤差結果，因此在制作鋁CSK-IA試塊時，宜采用與所檢工件晶粒度相同或相近的鋁合金材料制作。

（3）鋁合金超聲聲速會改變探頭折射角，現場檢測時要對實測數值進行修正。

[參考文獻]

[1] 王金源.淺析GIS設備在電力系統中的應用[J].中國科技縱橫，2013（2）：71.

[2] 張武能，汪毅，馬建民，等.鋁合金焊縫超聲檢測缺陷定位誤差原因[J].無損檢測，2018，40（9）：35-37.

收稿日期：2020-04-01

作者簡介：付天孟（1987—），男，山東菏澤人，工程師，從事電網輸電、變電設備金屬材料及特種設備檢驗檢測工作。