铝合金焊缝超声检测缺陷定位误差原因

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(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州 450052；2.山东瑞祥模具有限公司，济宁 272400)

5083铝合金属于较常用的变形合金，主要元素为镁，为铝镁合金。5083铝合金具有高的抗蚀性、良好的可焊性，特点为密度低、抗拉强度高、延伸率高，被广泛应用于电网GIS设备的壳体容器、飞机油管路，以及需要严格防火的压力容器的制造中。铝合金的加工工艺为连铸连轧挤压成型，是热轧铝，不能进行热处理强化，无法通过相变来细化晶粒。各向异性的粗晶组织会导致焊缝检测时超声定位误差大[1]，横波探头前沿长度的准确性直接影响缺陷的定位，笔者对产生前沿距离误差的原因进行了试验分析，解决了变形铝合金检测的定位难题。

1 试验过程

1.1 超声波多次反射法测试晶粒度

选取3种材料，共5块铝合金制作CSK-IA试块，编号为1#，2#，6#，7#，8#。其中1#，2#为各向异性粗晶组织，6#为轻度粗晶组织，7#，8#为细晶组织。每组抽一个试块进行检测，抽取试样编号为1#，6#，7#。在3块试块半径为100 mm的圆心设置反射槽，采用规格为5P9×9 K3探头观察半径为100 mm圆弧的多次反射波，检测结果如图1所示。

图1 1#,6#,7#试块的多次反射法检测结果

由图1可知，6#试块L0=16 mm(L0为探头的前沿距离)，可见第一次和第二次波能量饱和，第三次波能量约为38%；1#试块L0=13 mm，第四次波能量为15%；7#试块L0=9 mm，前三次反射波饱和，第四次波能量为42%，第五次波能量约为17%。

试验结果表明，图1(a)为严重的各向异性粗晶材料形成的散射衰减波形，图1(b)为轻度粗晶组织材料形成的波形，图1(c)为晶粒度正常的反射波形。从L0的变化可以看出，L0越小，晶粒度越细。

1.2 前沿距离误差原因分析

研制的5083铝合金材料的波束扩散范围参考试块尺寸示意如图2所示，试块厚度为25 mm，圆心对应的R100 mm圆弧上φ1 mm横孔检测探头的左侧布置为85°，71.5°(K3)，63.4°(K2)等，右侧布置为80°，68.1°(K2.5),56.3°(K1.5),实测探头均为标准折射角度。

图2 5083铝合金材料的波束扩散范围参考试块尺寸示意

探头位于试块的圆心，朝向左侧采用折射角71.5°探头接收到φ1 mm横孔反射波时，其扩散波束也覆盖了63.4°及85°的φ1 mm横孔，此时仅出现一个波，波高为三次波声压的叠加。当探头从试块圆心向左侧移动时，动态包络线最高点发生变化，位置自然前移，形成L0测量误差。右侧扫查时与上述情况相同。

测试结果表明，当探头主波束对准对应横孔时，移动探头寻找最高点，扩散波束范围内类似φ1 mm横孔的粗晶粒会叠加在主波束上，随板材的各向异性晶粒均匀度的变化而变化，最高反射点是叠加波，而非单纯的φ1 mm横孔波，从而导致前沿距离从9～16 mm间变化。

1.3 铝与钢CSK-IA试块的检测

探头规格为5P9×9 K3，实测K值采用试块上φ1.5 mm横孔，横波声速变化将导致折射角的变化，实测结果如表1所示。

表1 铝与钢CSK-IA试块检测结果

依据折射定律也可计算出实测K值均小于探头标定的K值。在钢CSK-IA试块φ1.5 mm横孔上测出探头的折射角βS，检测铝合金时的折射角需按式(1)进行转换，借以修正因铝合金声速变化而导致的折射角变化。

βLs=arcsinCA/CC·sinβCs

(1)

式中：βLs为铝合金检测的实际横波折射角；βCs为钢CSK-IA试块测定的探头折射角；CA为铝合金横波声速；CC为钢CSK-IA试块的横波声速。

1.4 金相检验

在5块试块表面的相同部位进行金相检测，试块的金相检验结果如图3所示。

从图3可以看出：1#，2#，6#试块的晶粒沿压延方向具有明显的方向性，晶粒沿着压挤的主变形方向被拉长,变形程度大，且1#，2#试块与6#试块的压延方向垂直；7#，8#试块晶粒细小且较为均匀、呈等轴状，依据标准GB/T 639—2002《金属平均晶粒度测定方法》，晶粒度评为4.0级。

晶体结构的变化导致声速及L0测量值的变化，细晶粒铝CSK-IA 7#和8#试块上L0测定结果与钢CSK-IA试块的测定结果相同。

2 结论

(1) 前沿是入射点至探头壳外缘的距离，为一个固定值，不会因被检介质的变化而变化。变形铝合金粗大的带状组织造成了探头前沿的测量误差。

(2) 变形铝合金的压延方向与超声波传播方向平行或垂直，对探头前沿误差都有影响，垂直的影响更大。

(3) 铝合金的超声波检测中，声速的变化与前沿距离误差无关，铝中横波声速变慢将导致K值变小，这在缺陷定位中需要实测修正。

(4) 由于带状组织会造成探头前沿误差，因此在铝CSK-IA试块的制作时需要确定材料的晶粒度，宜采用无明显带状、晶粒度较为细小的铝合金材料进行制作。