截面厚度小于13mm的钛合金棒材超声波检测

　　1　前言

　　小规格棒材,特别是截面厚度小于13 mm的钛合金棒材和六棱方棒,采用常规的纵波检测方法很难满足航空材料对探伤的要求。对于 6 mm以下的棒材,研究涡流检测方法是行之有效的途径之一,而对截面厚度范围6 mm～13 mm的棒材和六棱方棒,要保证航空用材的质量,必须通过超声方法加以解决。此规格范围的棒材探伤,由于曲率大、声束入射情况复杂,如何选择合理的探伤工艺,建立起新的超声波检测方法,就成为急需解决的问题。

　　2　探伤原理

　　小直径棒材探伤,为了检出其内部缺陷,可采用水浸聚焦纵波法。同时,为使棒材表面、近表面缺陷不漏检,需要增加聚焦探头产生横波进行探伤。其原理如图1、图2所示。对截面尺寸为6 mm～13 mm的六棱方棒,由于棒径小,若采用平探头直接接触法检测,则探测面窄,盲区大,声能分散,检测灵敏度降低,不利于棒材中缺陷的检出,故对此采用水浸聚焦纵波法。其原理如图3所示。

　　纵波探伤,将棒材浸入水中,聚焦探头发射聚焦声束经水耦合进入棒材,使声束中心线与棒材表面垂直,确保入射声束折射后仍为纵波,通过棒材相对于探头的转动,实现棒材全截面扫查。横波探伤,采用聚焦声束相对于棒材轴线偏移一定距离,使入射声束经水耦合后在棒材内发生折射,通过波型转换,在棒材内产生横波进行棒材表面或近表面探伤。

　　3　探伤仪和探头的研制

　　钛合金小直径棒材和六棱方棒超声检测要求极高,常规仪器难以满足要求,为此,特与仪器生产厂家合作,研制了新型超声波探伤仪。该仪器具有以下特点:

　　(1)工作频率范围宽,可适配不同频率、特别是10 MHz的高频探头;

　　(2)发射脉冲上升时间短,低于20 ns;

　　(3)分辨力高,近区探伤能力强。

　　具备上述特点的仪器较好地满足了小规格钛合金材的超声检测要求。

　　探头是超声波探伤时的声能换能器,探头性能的好坏,直接影响到实验效果。为了有效发现棒材和六棱方棒中的各种缺陷,我们和探头生产厂家合作,经过多次反复试验,研制了10 MHz窄脉冲高分辨率水浸聚焦探头。该探头晶片直径为 6 mm,焦距F为18 mm。现场试验表明,该探头具有较高的灵敏度,可以有效发现棒材中 0.6 mm的平底孔缺陷。

　　4　对比试块的设计与制作

　　对比试块是调节探伤灵敏度、评定缺陷当量大小的依据。由于新牌号的钛合金材没有相应的国家和企业标准,为了准确评价材料质量,制定相关标准,对不同规格的棒材和六棱方棒制作了不同孔径、不同深度的平底孔和表面槽伤。并针对六棱方棒的特点,为使声束扫查到全部区域,在紧贴棱边处也分别制作了不同孔径的平底孔。对比试块示意图及尺寸见图4、图5和表1、表2所示。