电子束焊缝超声波C扫描与工业CT检测方法测试结果比较

2014-01-10唐盛明齐子诚刘子瑜郭智敏王晓艳

无损检测 2014年10期

唐盛明，齐子诚，刘子瑜，郭智敏，王晓艳，郑颖

（中国兵器科学研究院宁波分院，宁波 315103）

电子束焊接是以高能密度电子束作为能量载体，对结构件实现焊接的新型焊接特种工艺方法。它的优点在于不需要任何焊接材料、能量密度越高其焊缝就越窄、深宽比大、热影响区小、组织性能好、焊接残余应力小等［1］。而且焊接工艺参数容易被精确控制、重复性和稳定性好，生产效率高。该焊接技术被广泛应用到兵器工业、航空航天工业、核工业以及精密加工业等［2］。

某车辆发动机中关键部件传动齿轮采用双齿轮搭接，再用电子束焊接形成，如图1所示。然而，在焊接过程中由于齿轮间未清理杂质或电子束受到电磁场的干扰，导致焊缝中出现气孔、夹杂、焊偏（未熔）、熔深不足等缺陷，使传动齿轮存在严重安全隐患，按企业规定，需要100%全覆盖检测。目前，焊缝的常用检测方法是X 射线照相和接触式超声波检测法，传动齿轮整体较厚，X 射线照相能量不足时难以穿透，并且无法测量熔深。接触式超声波检测检测效率低、可能漏检。

图1 传动齿轮剖面图和实物图

通过高能加速器工业CT 和超声波C扫描检测技术对传动齿轮中电子束焊缝进行检测对比试验，设计加工对比试块，调整两种检测方法的各项工艺参数。了解了两种检测技术在电子束焊缝检测中的优缺点，为下一步确定该产品的检测标准奠定了基础。

1 试验方法

1.1 对比试块结构设计

考虑到缺陷类型和结构强度的要求，需对CR齿轮电子束焊接质量和熔深深度进行检测，如图2所示，材料为合金钢，环形对比试块外直径φ600mm，内直径φ540mm，厚度为20mm。为了确定检测系统的灵敏度，在环形对比试块半圆周上等间隔加工5个平底孔，直径分别为1，2，3，4，5mm，孔深分别为10，8，6，4，2 mm。在试块的另一个半圆周制作用于模拟熔深的台阶，径向上由内向外加工深度分别为5，10，15，20，25mm 的五级台阶。

1.2 超声波C扫描检测试验方法

1.2.1 超声波C扫描检测系统工作原理

图2 环形对比试块结构

超声波C 扫描检测系统基本工作原理是将超声波垂直发射到齿轮电子束焊缝区，调整界面波闸门，使其覆盖焊缝区域。当闸门中没有反射回波信号时，说明该区域内不存在能使超声波反射回来的气孔、未溶合或焊偏等缺陷；当闸门中有反射回波信号时，表示该区域内存在缺陷［3］。在选择闸门位置过程中，应避开结构性回波信号。在扫描过程中，计算机自动将闸门内的最高反射回波信号的幅值经超声波信号采集卡转换成数字信号，并保存于内存中，计算机中的C 扫描软件根据用户自定义色表，将回波幅值映射为对应的颜色，将扫描区域的缺陷以等比例显示在图像上。从而在图像上可直观地看到焊缝的焊接质量，如图3所示。

图3 点聚焦水浸探头检测

1.2.2 超声波C扫描检测参数及工艺

试验设备采用自行研发的六轴超声波C 扫描检测系统，试验所用探头为超声波点聚焦水浸探头，频率为10 MHz，晶片直径5 mm，曲率半径25mm，耦合方式采用水和防锈剂。扫查方式为平面圆环扫描，扫描角速度为20rad／s，径向步进0.2mm。在对齿轮进行检测前，需用校准试块调节各项参数，确定设备检测灵敏度。首先通过理论计算，确定聚焦探头到工件表面距离，保证电子束焊缝处于声束有效焦柱内。接着调节探头与入射角度，保证声束垂直入射，该设备具有A／B轴机构，能够通过控制探头左右、前后摆动实现对探头的小角度微调。先调节探头从左至右摆动，摆动的同时观察表面回波高度，确定回波最高点时探头机械位置，再调节探头前后摆动，最终确定探头垂直点。将对比试块中φ1mm 平底孔置于探头下方，左右、前后平移探头，确定探头在平底孔正上方，并且平底孔对应回波最高。调节增益使φ1 mm 平底孔回波信号幅度至80%满屏高，并以此作为检测基准灵敏度。

由于齿轮属于关键部件，必须全覆盖检测。C扫描径向步距应小于探头焦点尺寸才能保证全覆盖扫查。在环形对比试块上多次试验，确定各项检测参数，得到人工缺陷尺寸的检测结果及C 扫描结果如表1、2和图4所示。

表1 模拟熔深C扫描检测结果 mm

表2 平底孔直径C扫描检测结果 mm

图4 环形对比试块C扫描

试验结果表明，设置合理的检测工艺参数可以清楚地检测出1～5mm 的平底孔和模拟熔焊深度，检测覆盖模拟熔焊所在宽度范围。在缺陷尺寸评定方面，利用6dB法（半波高法）确定图像上缺陷边界，尺寸检测值均大于缺陷实际尺寸且误差不超过0.2mm，原因在于，探头完全直射平底孔底面到离开该底面，引起的底波回波高度变化存在一个渐变的过程，简单地采用半波高度法不能精确的确定边界位置，比实际尺寸较大。

在超声C 扫描检测试验时，由于转台旋转及液体自身原因，容易产生水气泡，水气泡附着在聚焦探头内凹面或工件表面，如果不及时清除这些水气泡，会降低检测灵敏度，造成漏检和误检。

1.3 高能加速器工业CT检测试验方法

1.3.1 工业CT 技术原理

工业CT（Industrial Computed Tomography，ICT）即工业计算机层析成像技术，基本原理是由射线源（X 射线或γ射线）发出一束扇形（锥形）射线束穿透被检测工件，由于射线在经过物体时会产生能量衰减，衰减的强度与物体的材料组分、密度、尺寸及入射前的能量有关，利用探测器接收穿透物体后的射线并进行模数转换，输入计算机中，采用卷积反投影法对物体截面进行图像重建，最终获得一幅截面图像［4］。

1.3.2 试验设备

因环型对比试块采用的材料为合金钢，密度高，直径大，常规工业CT 射线能量不易穿透，所以试验采用IPT6110高能工业CT 检测系统。该装置由X 射线源分系统、探测器分系统、扫描装置分系统、扫描控制分系统、重建检测分系统及测量软件等部分组成。射线源采用6 MeV 高能电子直线加速器，探测器采用CdWO4线阵列晶体和宽动态范围低噪声的电子学系统探测器，可实现DR 数字成像、三代CT 扫描、大视野三代CT 扫描、二代CT 扫描、局部扫描以及自动校正扫描方式。最大检测范围直径达到1 000 mm，最大壁厚（等效钢厚度）160mm，转台承重1 000kg，空间分辨率三代CT（φ600mm 范围）达到2.4Lp／mm，密度分辨率大于0.3%，可检测出内部最小裂纹0.02mm×5mm×2.0mm，可检测出内部最小孔直径0.2mm。

1.3.3 高能工业CT 扫描工艺参数

扫描工艺由测试工件的材料、结构、尺寸、精度要求等因素来确定。首先采用数字射线（DR）技术对试块扫描，扫描范围应涵盖整个对比试块，试块放置于检测转台上，所处的高度范围为10～30mm，扫描起始高度应不大于5mm，终止高度应不小于35mm，保证试块成像后处于图像的中部。微动次数设置为2 次，准直器宽度为1 mm。微动检测就是在小范围内平移连续检测，进行图像数据融合，通过增加检测时间来突破硬件检测精度的限制，降低硬件成本。经过CT 扫查获得的对比试块DR 图像如图5所示，DR 扫描的作用是结构分析及切层定位。

图5 环形对比试块DR 图

通过观察DR 图像中不同模拟熔深和平底孔所在位置，在包含所有熔深和平底孔的高度进行CT切层，在距对比试块上表面2.0 mm 的位置做CT切层，得到对比试块断层图像，典型的CT 图像如图6所示。为了得到较高精度的CT 图像，扫描参数选用触发频率为167 Hz，转台速度为1.25r／min，准直器宽度为1mm，微动5次，CT 图像重建半径250mm，图像重建距阵4 096mm×4 096mm，切片厚度为1.0mm。

图6 环形对比试块CT 图像

1.3.4 数据测量

工业CT 图像质量有其特定的表征参数：密度分辨率、空间分辨率和伪像。利用系统自带的图像处理软件传统的图像处理算法能够减轻伪像对缺陷评定的干扰并分辨率。常规方法有调节对比度、调节窗宽窗位和调整灰度值等。采用等密度曲线测量尺寸，如图7所示，调整所要测量平底孔及模拟熔深台阶密度曲线特征的波峰或波谷，测量其两侧半高宽之间的距离则为平底孔或模拟熔深的尺寸，缺陷尺寸测量时取三次测量结果的平均值。测量结果如表3、4所示。

表3 模拟熔深CT检测结果 mm

表4 平底孔直径CT检测结果 mm

图7 典型半高宽测量方法

2 试验结果和分析

采用上述的两种检测方法，对同一CR 齿轮的电子束焊缝内部品质进行检测结果如图8，9所示，通过两幅图像比较可以看出，CT 图像能够直观地反映出缺陷分布位置、大小及特征，超声C 扫描图像受工件结构特征的影响较大，部分缺陷反射波无法被接收，导致缺陷漏检，缺陷尺寸小于实际尺寸，并且无法确定缺陷在焊缝深度方向的具体尺寸。

图8 CR 齿轮典型CT 结果

图9 CR 齿轮典型C扫描结果

两种检测方法都获得了直观的图像显示，电子束焊接焊缝品质检验无论采用C扫描还是CT 检测方法，在一定的条件下检测结果都能满足要求。C扫描测量平底孔的误差不超过0.2mm，测量的模拟熔深误差最大为0.3mm，CT检测测量平底孔的误差最大为0.12mm，模拟熔深测量的误差最大为0.11mm。工业CT检测体积型缺陷时优势较大，通过调整切片厚度可以得到一个完整的体积型缺陷的几何尺寸。C扫描检测结果受工件结构、缺陷形状、图像边界影响较大，但检测效率高且更为快捷，对电子束焊缝未熔及焊偏型缺陷检出效果好，两种检测方法可以互补。