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炮彈翼片超聲波水浸探傷
發(fā)布時(shí)間：2017-11-22
炮彈翼片在飛行中起導(dǎo)向作用,因此,對(duì)翼片質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。在1次數(shù)萬(wàn)件成品翼片的性能抽檢拉力試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有15%性能不合格。經(jīng)剖傷和金相分析,翼片中存在夾雜、分層等缺陷。而翼片內(nèi)部組織出現(xiàn)不連續(xù)性缺陷,肉眼無(wú)法檢查,斷口檢查是破壞性的。因此必須用無(wú)損檢測(cè)的方法進(jìn)行探傷挑選成品,減少損失,保證產(chǎn)品質(zhì)量。
翼片是由鋁合金3 mm厚薄板沖制的,幾何形狀見(jiàn)圖1,根據(jù)翼片存在的缺陷,采用多種無(wú)損檢測(cè)的方法進(jìn)行試驗(yàn),確定選用超聲水浸探傷,用點(diǎn)聚焦探頭,調(diào)節(jié)最佳探頭入射角及水層厚度,在試片中產(chǎn)生蘭姆波及利用縱波多次反射進(jìn)行探傷,達(dá)到了預(yù)期的探傷效果。
1探傷方法的研究
1.1探傷方法的選擇
超聲波探傷方法一般根據(jù)工件的幾何形狀、加工方法、材質(zhì)、缺陷分布部位及方向等進(jìn)行選擇。由于試片小、薄、幾何形狀不規(guī)范,給試驗(yàn)帶來(lái)很大困難。根據(jù)超聲波的產(chǎn)生及傳播特性,厚度小于4 mm的薄板,比較好的探傷方法為蘭姆波法、橫波反射法等。超聲波能量是通過(guò)耦合劑傳遞到工件中去的,耦合方式有兩種:接觸法和液浸法。由于接觸法試驗(yàn)條件要求不高,方法比較簡(jiǎn)單、靈活,操作方便,因此采用接觸法進(jìn)行試驗(yàn)。
試驗(yàn)儀器選用CTS-32A型超聲探傷儀,耦合介質(zhì)選用機(jī)油,橫波探頭進(jìn)行試驗(yàn),探頭參數(shù)見(jiàn)表1。
分別用3個(gè)探頭對(duì)180片翼片進(jìn)行探傷試驗(yàn),結(jié)果3號(hào)探頭檢測(cè)效果相對(duì)最好,在噪聲電平不大于5%,增益量為96dB的條件下,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)15片在板身部位有異常波形。取幾片具有代表性的試片進(jìn)行復(fù)探定位、編號(hào),做性能拉力試驗(yàn),結(jié)果示于表2。其中13號(hào)性能試驗(yàn)合格。對(duì)斷口用高倍顯微鏡觀察,為夾雜分層,見(jiàn)圖2。
在試驗(yàn)過(guò)程中,由于探頭與試片直接接觸摩擦,使已氧化的表面產(chǎn)生劃痕,不符合翼片質(zhì)量要求,對(duì)耳子部位無(wú)法檢測(cè),因此接觸法不可采納。但通過(guò)本實(shí)驗(yàn),為制作大小適當(dāng)?shù)膶?duì)比人工傷找到了參考數(shù)據(jù)。
1.2對(duì)比試片的制作
翼片檢查是非標(biāo)準(zhǔn)檢查,沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比試片,需要制訂合理的翼片驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)訂的過(guò)嚴(yán),會(huì)造成誤判,反之,會(huì)造成漏檢事故。因此,尋找合適的對(duì)比人工傷作為檢測(cè)依據(jù),確定探傷參數(shù)是非常必要的。分別在翼片不同部位上鉆制不同直徑的貫通孔、半通孔,用線切割在厚向1/2處不同方位進(jìn)行不同深度的切割,見(jiàn)圖3及表3。
1.3水浸探傷試驗(yàn)
試驗(yàn)設(shè)備及條件:水槽;能使翼片平穩(wěn)移動(dòng)的小車;水中無(wú)氣泡,清潔無(wú)雜質(zhì),水溫室溫;三維連續(xù)可調(diào)探頭架;水槽必須平穩(wěn)放置;由于聚焦探頭將超聲波聚焦成線束,在焦柱處聲能集中,可提高探傷靈敏度,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度探傷,因此采用聚焦探頭試驗(yàn)。儀器選用CTS―32A型超聲波探傷儀,探頭為2.5 MHz,晶片直徑 10 mm,曲率半徑18 mm,點(diǎn)聚焦直探頭,水層厚度由焦距決定。
聚焦公式:
R=F(1 -C1/C2) (1)
式中R―探頭曲率半徑(mm)
F―焦距(mm)
C1―水中聲速(m/s)
C2―環(huán)氧樹(shù)脂中聲速((m/s)
常溫下,水中聲速1480 m/s;環(huán)氧樹(shù)脂中聲速2750 m/s;鋁縱波聲速6260 m/s。根據(jù)公式(1):F=R/(1 -C1/C2)=18÷(1-1480÷2750)=39 (mm)
在水中聚焦聲速焦點(diǎn)落于薄板表面入射點(diǎn),探傷效果最好,示意圖見(jiàn)圖4,此時(shí)水層厚度H與焦距F的關(guān)系:H=F?cosα(2)
式中α―入射角
為找出最佳水層厚度及入射角,開(kāi)始將水層厚度定為39 mm,然后逐步下調(diào),對(duì)三維可調(diào)探頭架進(jìn)行調(diào)節(jié),在不同入射角下,分別對(duì)10號(hào)、12號(hào)試片M點(diǎn)及D點(diǎn)進(jìn)行掃查,調(diào)節(jié)儀器參數(shù),觀察兩種自然傷反射波高的反應(yīng)情況(波形應(yīng)清晰,無(wú)雜波),在最佳參數(shù)下D點(diǎn)缺陷波高100%,M點(diǎn)波高比D點(diǎn)大2dB。對(duì)另幾片對(duì)比試片進(jìn)行試驗(yàn),耳子部位除1號(hào)、2號(hào)試片A點(diǎn)能辯別,3號(hào)、4號(hào)A點(diǎn)孔傷無(wú)法辯認(rèn),B點(diǎn)不能檢測(cè)。其它部位探傷效果都非常好,其中4號(hào)E點(diǎn)反射回波高度40%。下面對(duì)此條件下所產(chǎn)生的波形進(jìn)行理論分析。
試驗(yàn)最佳探傷參數(shù):儀器增益82 dB;探測(cè)范圍50 mm;抑制120°;探頭選擇方式單2;入射角17°;水層厚度38 mm。在水層產(chǎn)生橫波的條件:α>αsαs=arcsin(CL1/CL2) (3)
式中αs―橫波臨界角
CL1―第一介質(zhì)縱波速度
CL2―第二介質(zhì)縱波速度
根據(jù)公式(3):αs=arcsin(1480÷6260)=13.7°
試驗(yàn)所得到的最佳角度為17°,大于13.7°,顯然產(chǎn)生的波為橫波,但是在超聲波檢測(cè)中,當(dāng)板厚與波長(zhǎng)相近時(shí),將產(chǎn)生蘭姆波,蘭姆波分對(duì)稱型和非對(duì)稱型,能同時(shí)檢測(cè)板材內(nèi)部和表面缺陷,靈敏度高。從圖5中查得2.5×3 MHz?mm產(chǎn)生蘭姆波模式有5種,見(jiàn)表4。
試驗(yàn)的最佳入射角17°與非對(duì)稱型蘭姆波模式A2的入射角相同,所以此次試驗(yàn)的波形為蘭姆波,根據(jù)試驗(yàn)得到的入射角代入公式(2),可求出水層厚度:H=F?cosα=39×cos17°=37.3 mm理論計(jì)算值與實(shí)際值基本相符,試驗(yàn)中,翼片耳子部位采用這種方法檢測(cè)不理想,尋求其它方法進(jìn)行試驗(yàn)。
2驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的制定
在最佳探傷參數(shù)下,取400片對(duì)大板部位進(jìn)行探傷試驗(yàn),其結(jié)果43片廢品。在成品里抽檢10片做拉力性能試驗(yàn),結(jié)果全部合格。在廢品里取10片做拉力性能試驗(yàn),8片不合格,2片合格,對(duì)相當(dāng)于4號(hào)片E點(diǎn)波高80%、60%的缺陷各取兩片做拉力性能試驗(yàn),4片全部合格。
當(dāng)D點(diǎn)波高100%時(shí),4號(hào)片E點(diǎn)波高40%。經(jīng)研究分析以E點(diǎn)波高60%作為參考標(biāo)準(zhǔn),對(duì)兩箱試片981片進(jìn)行探傷,檢測(cè)結(jié)果成品865片,廢品116片,抽檢10%進(jìn)行復(fù)探,正檢率100%。在成品里抽檢10片做拉力性能試驗(yàn)合格,經(jīng)反復(fù)多次試驗(yàn),以E點(diǎn) 0.25 mm×1.3 mm人工傷波高60%作為比較基準(zhǔn)是可靠的。
3翼片耳子部位檢測(cè)研究
耳子部位面積小,聲源面積應(yīng)小于耳子部位面積,才有可能避開(kāi)由邊緣反射而產(chǎn)生的雜波,采用2.5MHz,振子直徑4 mm,曲率半徑8 mm點(diǎn)聚焦直探頭,根據(jù)公式(1):焦距F=8÷(1-1480÷2750)=3.7 mm。
以3.7 mm為水層參考厚度,調(diào)節(jié)三維探頭架及儀器參數(shù),對(duì)3號(hào)試片耳子部位進(jìn)行掃查,經(jīng)反復(fù)試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在二次回波與三次回波中間位置出現(xiàn)異常波,波高提到100%,經(jīng)定位取出試片,確定為A點(diǎn) 0.4 mm×1.8 mm孔。此時(shí)水層厚度在1 mm左右,探頭入射角為0°,并同時(shí)對(duì)B點(diǎn)、E點(diǎn)進(jìn)行掃查,孔傷波形反應(yīng)清晰。在此參數(shù)基礎(chǔ)上,對(duì)4號(hào)試片耳子部位進(jìn)行掃查提高儀器增益,A點(diǎn)、B點(diǎn)人工傷均能發(fā)現(xiàn),波高60%,但探B點(diǎn)時(shí)有雜波,這就要靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行判斷。同時(shí)對(duì)M點(diǎn)、D點(diǎn)進(jìn)行掃查,波幅飽和。取100片試片(探傷參數(shù)不變),用此方法對(duì)耳子部位進(jìn)行掃查,其中3片有缺陷,2片在耳子邊部用4倍放大鏡已看到分層狀缺陷,另一片進(jìn)行定位、剖傷,經(jīng)分析為夾雜分層。
4檢測(cè)方法的確定
根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果,翼片板身部位采用蘭姆波法,水層厚度38 mm,入射角17°,以孔徑 0.25mm、孔深1.3 mm、波高60%為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。耳子部位采用縱波多次反射法,水層厚度1 mm,入射角0°,以孔徑 0.25 mm、孔深1.3 mm、波高60%為檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)儀器起始靈敏度進(jìn)行探傷。板身部位也可用此方法進(jìn)行檢測(cè),但是由于小車運(yùn)動(dòng)是手工操作,速度略快則水層產(chǎn)生波動(dòng),探傷效果不理想,所以板身檢測(cè)沒(méi)有采用這種方法。
5檢測(cè)結(jié)果
用這兩種方法對(duì)數(shù)萬(wàn)件翼片進(jìn)行檢測(cè),成品率81.5%,20%進(jìn)行復(fù)探,正檢率100%。在兩箱成品里抽20片做拉力性能試驗(yàn),結(jié)果全部合格。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
