巴氏合金／鋼復(fù)合層的超聲成像檢測(cè)

陸銘慧，劉述煌，2

（1.南昌航空大學(xué) 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330063；2.中國(guó)人民解放軍海軍91362部隊(duì)，寧波 315020）

巴氏合金是大型機(jī)械主軸的軸瓦、軸承等使用的材料。巴氏合金耐磨性好但耐熱性較差，通常是澆注在鋼基體上來(lái)使用。因此要求合金與鋼質(zhì)基體緊密結(jié)合，一旦出現(xiàn)復(fù)合層界面局部脫落或熔化，將導(dǎo)致連續(xù)油膜被破壞，輕則造成軸振動(dòng)過(guò)大，重則導(dǎo)致軸瓦燒毀。因此，對(duì)巴氏合金澆注層進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)，是一項(xiàng)非常重要的環(huán)節(jié)［1－3］。目前，對(duì)巴氏合金／鋼復(fù)合層界面的檢測(cè)主要利用工件底面的脈沖回波和結(jié)合界面回波的相對(duì)變化、接收回波的異常來(lái)判斷，國(guó)內(nèi)外也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)［4－6］。筆者提出用特征掃描成像系統(tǒng)對(duì)巴氏合金／鋼復(fù)合層界面進(jìn)行檢測(cè)，使用高性能水浸聚焦探頭，依據(jù)界面回波的幅值變化判斷缺陷的存在及大小，以圖像方式顯示檢測(cè)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)巴氏合金／鋼復(fù)合層性能評(píng)價(jià)。

1 復(fù)合層界面質(zhì)量超聲檢測(cè)方法

1.1 巴氏合金／鋼復(fù)合層的聲傳播特性

分析巴氏合金／鋼復(fù)合層的聲傳播特性前，先了解這兩種金屬材料的聲特性阻抗情況。當(dāng)超聲波從垂直方向入射到兩種不同介質(zhì)的界面時(shí)，將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相反的反射波，在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個(gè)與入射波方向相同的透射波。

復(fù)合層回波聲壓計(jì)算：

設(shè)入射波聲壓為P0，界面回波聲壓為Pr，則超聲波入射到兩種不同介質(zhì)的界面時(shí)回波聲壓為：Pr＝P0·r。

式中：ρ為介質(zhì)密度；C為該介質(zhì)聲速；r為聲壓反射率；t為聲壓透射率；Z1為介質(zhì)1特性阻抗；Z2為介質(zhì)2特性阻抗。

此處主要討論錫基巴氏合金，在錫基巴氏合金中，錫含量極高，所以把錫基巴氏合金看成錫，作為第一介質(zhì)。錫、鋼、空氣的縱波聲速分別為3 320，5 900，344m／s；根據(jù)z＝ρC各介質(zhì)的特性阻抗特性阻抗分別為24.223，46.31，0.004×106Pa·s／m。

根據(jù)上述參數(shù)，可以計(jì)算：

在錫基合金與基體鋼結(jié)合良好的情況下，Z1為錫基合金特性阻抗，Z2為鋼特性阻抗，則：

在錫基合金未完全結(jié)合的情況下，Z1為錫基合金聲阻抗，Z2為空氣聲阻抗，則回波聲壓：

復(fù)合層界面脫接和完全結(jié)合時(shí)的回波分貝差Δ為：

在合金復(fù)合層結(jié)合良好的情況下，底波B 與界面波I的分貝差為：

因此，依據(jù)界面回波和底面回波的變化可以判斷合金結(jié)合層的結(jié)合質(zhì)量。

1.2 巴氏合金／鋼復(fù)合層的超聲檢測(cè)方法

1.2.1 手工檢測(cè)方法

巴氏合金／鋼復(fù)合層的手工檢測(cè)選取直探頭或雙晶探頭，采用底面回波法和無(wú)底面回波法［7］進(jìn)行，上一節(jié)的計(jì)算結(jié)果表明，利用底面回波法和無(wú)底面基準(zhǔn)波高檢測(cè)的方法是可行的。

對(duì)巴氏合金／鋼復(fù)合層進(jìn)行手工檢測(cè)時(shí)，探頭形式的選擇主要依據(jù)合金的厚度。合金層較厚時(shí)采用直探頭，當(dāng)合金層較薄時(shí)，用直探頭存在始波占寬大、盲區(qū)大、難以識(shí)別近距離缺陷等問(wèn)題。針對(duì)此問(wèn)題，可以采取兩種方法：①選擇在單直探頭上裝有延遲塊，以減少盲區(qū)。②根據(jù)合金厚度選擇雜波少靈敏度高的雙晶探頭。

目前采用的手工檢測(cè)方法存在準(zhǔn)確性不高、受工件形狀、衰減影響較大，缺陷評(píng)定未考慮缺陷性質(zhì)，特別是弱結(jié)合問(wèn)題。

1.2.2 超聲成像檢測(cè)方法

采用先進(jìn)的成像檢測(cè)技術(shù)可提高檢測(cè)準(zhǔn)確性和可靠性。在各種成像檢測(cè)技術(shù)中，特征掃描（Feature－Scan）是一項(xiàng)新技術(shù)，其由傳統(tǒng)的C 掃描成像發(fā)展而來(lái)，利用計(jì)算機(jī)全波列采集檢測(cè)信號(hào)，提取和存儲(chǔ)缺陷及工件的多種特征，經(jīng)信號(hào)處理后，按多種特征進(jìn)行成像顯示；通過(guò)對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析和數(shù)字濾波，提高缺陷判斷的準(zhǔn)確性。

超聲特征掃描系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括：機(jī)械掃描裝置，超聲波發(fā)射和接收裝置，信號(hào)采集、處理單元，專(zhuān)用換能器等。軟件系統(tǒng)提供多種特征掃描成像，包括：B、C掃描成像、相位特征成像、當(dāng)量特征成像、超聲CT 成像、頻譜分析等等。

針對(duì)巴氏／鋼合金復(fù)合層的檢測(cè)需求，可以形成幅值特征等圖像。比如，以結(jié)合良好處的界面回波波幅作為基準(zhǔn)，掃描得到的回波幅值按高于基準(zhǔn)的百分比賦予不同的顏色，形成幅值特征的彩色圖像，直觀地顯示出復(fù)合層缺陷的大小和幅值特征。

2 超聲檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)樣品

檢測(cè)對(duì)象為厚度不同的巴氏合金／鋼復(fù)合層樣品，如圖1所示，樣品可分為六個(gè)區(qū)域，其中合金厚度為：1，4，6區(qū)10mm，2，5區(qū)15mm，3區(qū)5mm，其中1區(qū)和5區(qū)結(jié)合較好。

圖1 巴氏合金／鋼復(fù)合層試塊尺寸示意

2.2 手工直探頭檢測(cè)

為了研究結(jié)合層回波的幅值變化，試驗(yàn)采用5077UA 超聲發(fā)射接收儀激勵(lì)和接收超聲，示波器顯示超聲波時(shí)域波形，探頭選擇5 MHz直探頭。

底面回波法檢測(cè)：將探頭放在巴氏合金面上，尋找一處結(jié)合好的區(qū)域，將第一次底面回波調(diào)至滿刻度的80%，以此作為檢測(cè)的起始靈敏度。在檢測(cè)中如發(fā)現(xiàn)底波降低超過(guò)6dB，可以認(rèn)為結(jié)合層存在結(jié)合不良。圖2為5mm 厚合金底面回波顯示，在圖2（a）中可以看到有兩次以上底面回波，而圖2（b）中顯示的是各次回波幅值降低明顯，如果底波消失，則表示出現(xiàn)完全脫接缺陷。同理，對(duì)巴氏合金厚度為10mm 的檢測(cè)結(jié)果如圖3所示，底波幅值降低超過(guò)6dB，說(shuō)明存在結(jié)合缺陷。試驗(yàn)證明，利用底面回波降低6dB法可以確定結(jié)合不良區(qū)域。

無(wú)底面回波法檢測(cè)：將探頭置于標(biāo)準(zhǔn)試樣（相同厚度、相同合金成分和背襯材料）的合金面上，將結(jié)合層第一次回波調(diào)至滿刻度的40%，以此作為檢測(cè)的起始靈敏度。如果發(fā)現(xiàn)待檢巴氏合金／鋼復(fù)合層界面回波升高6dB 及以上的可以認(rèn)為界面存在結(jié)合不良。圖4顯示的是5mm 厚度標(biāo)準(zhǔn)試樣界面回波波形圖和試驗(yàn)樣品3區(qū)部分的結(jié)合不良處的界面回波波形圖，結(jié)合不良時(shí)界面回波的幅值和次數(shù)有明顯的增加，利用界面回波增加6dB法同樣可以確定結(jié)合不良區(qū)域。

2.3 巴氏合金／鋼復(fù)合層特征掃描成像

超聲掃描成像系統(tǒng)對(duì)巴氏合金工件進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，重要的是選擇合適的參數(shù)進(jìn)行成像顯示。由于出現(xiàn)結(jié)合不良會(huì)引起復(fù)合層界面回波和底面回波的變化，而界面回波的變化更為明顯，受工件形狀影響小，因此成像檢測(cè)中以復(fù)合層界面回波為特征，進(jìn)行成像顯示。圖5顯示的是厚10 mm 合金層的檢測(cè)結(jié)果，把正常的結(jié)合層界面回波調(diào)至滿刻度的40%，每增加滿刻度的20%進(jìn)行測(cè)量，用不同顏色進(jìn)行顯示，結(jié)果形成一幅界面回波高度變化圖，根據(jù)圖像判斷結(jié)合不良區(qū)域，如圖中深色為結(jié)合不良缺陷，深色區(qū)域表示結(jié)合層回波幅值超過(guò)80%。試驗(yàn)表明，用特征掃描成像方法，結(jié)合層回波分辨容易，結(jié)果直觀，并且由于F特征掃描成像由C 掃描發(fā)展而來(lái)，同樣具備水浸C 掃描的優(yōu)勢(shì)，在檢測(cè)時(shí)，數(shù)據(jù)的獲取、處理包括探頭的移動(dòng)都是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制和完成，減少了人為因素的影響，檢測(cè)效率高。為了有效檢測(cè)近表面的結(jié)合不良，采用聚焦探頭，改善了近表面缺陷的分辨能力，對(duì)薄層探傷有利，分辨率高。圖6為5mm 結(jié)合層特征掃描成像檢測(cè)結(jié)果，工件上界面回波和結(jié)合層回波能明顯分開(kāi)，保證了可采用結(jié)合層回波成像。

3 結(jié)論

介紹了兩種針對(duì)巴氏合金／鋼復(fù)合層界面質(zhì)量的超聲檢測(cè)方法，討論了利用特征掃描成像對(duì)巴氏合金／鋼復(fù)合層質(zhì)量檢驗(yàn)的可行性，兩種方法原理都是利用復(fù)合層回波或者是底波幅值的變化來(lái)判斷合金復(fù)合層的結(jié)合狀況，但特征掃描成像有兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：①利用計(jì)算機(jī)全波列采集檢測(cè)信號(hào)，提取和存儲(chǔ)缺陷及工件的多種特征，故結(jié)果更加直觀，效率更高，更能準(zhǔn)確反映復(fù)合層質(zhì)量狀況。②采用高性能聚焦探頭，改善了近表面缺陷的檢測(cè)能力。

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