钛合金-不锈钢爆炸焊的超声换能器制作及检测

　　1　检验可行性和技术要点

　　爆炸焊通常用于异种金属之间的焊接,可获得强度很高的焊接界面。本实验选用的是TA10钛合金(Ti-0.3Mo-0.8Ni)与18/8不锈钢(0Cr18Ni90Cr18Ni9Ti)复合材料,缺陷类型主要是分层、气孔、夹渣、疏松、疲劳裂纹、粘接不良等。目前,经常用到的方法是超声波检测,此方法可以根据爆炸焊工件结合层回波特征与基板回波特征作对比,从原理分析说明了超声检验异种材料爆炸复合检测的可行性。但是由于两种材料声速不同,声阻抗的差异等原因,普通探伤仪器对结合层界面的缺陷定量和定性误差较大,检测灵敏度不高。本文用自制的专用换能器和水浸F特征扫描装置对钛合金-钢爆炸焊接质量进行检测。

　　本实验须采用宽频超声技术。文中对制作的宽频带窄脉冲换能器制作工艺和超声F-特征扫描装置作了简要介绍。

　　2　检测方法原理和特点

　　钛合金-不锈钢复合板结合状态的超声波检测,通常选用2.5MHz~5.0MHz,20mm~30mm直径探头,采用底波反射法,调整工件无缺陷处底波高度为荧屏满刻度的80%来探伤。若第一次底波高度不大于荧屏满刻度的5%,且缺陷波大于荧屏满刻度的5%时为未复合区,向四周移动探头至底波升高为荧屏满刻度的40%时,以探头中心确定未复合区边界。

　　由于复合材料结构具有明显的各向异性,而且性能的离散性较大,产生缺陷的机理复杂且变化多样,而且复合材料构件的声衰较大,航空、航天构件的复合材料制件大都较薄,由此引起的噪声和缺陷发射信号的信噪比低,不易分辨,因此,对检测复合材料用的探头要求大大高于普通金属材料的检测要求。为了提高检测信号的信息容量,针对一些小构件、异形构件、薄壁金属复合材料,研制高灵敏度、高分辨力的宽带窄脉冲聚焦换能器,对于使用超声特征扫描成像系统检测双金属扩散连接结合层质量起着关键性的作用。

　　2.1　换能器的设计与制作

　　换能器设计的基本问题是在带宽(脉冲相应的宽度)和接收灵敏度之间进行权衡,而换能器的灵敏度和带宽取决于压电晶片。对于压电材料,压电常数d33值大,表示施加较小的电压就能产生较大的振动,即发射性能好。机电耦合系数Kt反映压电晶片作厚度振动时的机电耦合效应,Kt值越大,表示在厚度方向上的声电转换效率越高。这里选取发射性能好、压电常数大的压电陶瓷来保证检测灵敏度。对于厚度模振动的压电陶瓷材料,偏铌酸铅(PbNb2O6)、锆钛酸铅(PZT-5)、铌酸锂(LiBbO3)是厚度模振动性能较好的三种,性能比较见表1。经比较,选取了综合性能较好的晶片材料PZT-5,晶片直径为10mm,频率为5MHz。要提高影响换能器分辨率还需考虑背衬。背衬有两个主要用途:一是与晶片进行匹配,减少晶片震荡的次数,从而提高探头的频带宽度;二是吸收晶片背向发射的声波,减少探头固有杂波,提高探伤的可靠性。为了得到比较理想的宽带探头,一般要使背衬的声阻抗达到晶片声阻抗的2/3。常用的PZT或PT材料的晶片声阻抗为28×106~31×106kg·m-2s-1,PZT-5压电片的声阻抗Zp=p·c=33·7×105g·cm-2s-1。式中:声速c =4350m/s ,因此背衬的声阻抗应该达到22.4×105g·cm-2s-1左右。所以设计中采用环氧树脂与钨粉混合的方法制得高阻尼的背衬材料。