鈦鍛件在航空產(chǎn)品中占有重要地位，航空飛行器的主要承力構件大部分是鍛件。鈦合金以其比強度高、耐蝕性好等特點，在航空航天領域得到了廣泛的應用。 在飛機發(fā)動機中，鈦合金鍛件主要應用在風扇、高壓壓氣機盤件和葉片等轉動部件；在飛機機身上，鈦合金鍛件主要應用在骨架、蒙皮、機身隔板和起落架等部位。 隨著鈦合金鍛件用量的與日俱增，使用條件的日益苛刻以及其結構的日趨復雜，鈦合金及其零部件的損傷與失效在所難免，由鈦合金零部件的失效與斷裂導致的災難性事故已發(fā)生多起，因此需要進行無損檢測來保證產(chǎn)品質(zhì)量。

超聲波檢測是常用的鈦合金鍛件質(zhì)量控制方法。對于鈦合金材料中可能存在的冶金缺陷（如夾雜）、工藝缺陷（如過熱、變形不足、裂紋等）和組織缺陷，生產(chǎn)廠和航空廠都用超聲波檢測進行質(zhì)量控制。

但是復雜形狀航空鍛件為形狀不規(guī)則的變厚度工件，在用反射法進行超聲波自動檢測時，各掃描點的界面波和底波位置隨工件形狀變化而變化，因此當各掃描點厚度未知時，缺陷判斷區(qū)間難以確定，這給缺陷識別造成困難。

本文針對某復雜形狀的鈦合金鍛件試樣，使用北京航智晟機電設備有限公司生產(chǎn)的五軸自動化超聲波檢測設備對此試樣進行檢測試驗，驗證設備的超聲波檢測能力和效率。

1、試驗設置

（1）試驗試樣 某復雜形狀的鈦合金鍛件試樣，預埋有直徑1.2mm和0.8mm的平底孔缺陷共8個，用于驗證設備對于上表面盲區(qū)、邊緣盲區(qū)等的檢測能力。按照缺陷的分布，大致分為4個區(qū)域，如圖1所示，其中區(qū)域2和其他腹板所在區(qū)域位于試樣中部，區(qū)域1、3、4位于試樣的一側。

缺陷的具體信息如下：區(qū)域1（厚20.0mm）：缺陷1為 φ 1.2mm×17.0mm，缺陷2為φ 0.8mm×17.0mm，兩缺陷均距試樣上表面3mm，距邊緣3mm。區(qū)域2（厚11.5mm）：缺陷3和缺陷4為 φ 0.8mm×3.0mm（2個），缺陷4距試樣邊緣3mm。區(qū)域3（厚37.5mm）：缺陷5為 φ 1.2mm×5.0mm，缺陷6為φ 0.8mm×5.0mm，兩缺陷均距試樣邊緣3mm。區(qū)域4（厚54.0mm）：缺陷7為 φ 1.2mm×5.0mm，缺陷8為φ 0.8mm×5.0mm，兩缺陷均距試樣邊緣3mm。

檢測要求：對該試塊進行全面掃描，并檢出所有缺陷。

（2）試驗設備 北京航智晟機電設備有限公司生產(chǎn)的五軸自動化超聲波檢測設備，主要用于鍛件的4通道脈沖反射超聲波檢測。設備具有鍛件型面外形參數(shù)測量功能、鍛件型面跟蹤檢測功能、超聲波檢測數(shù)據(jù)采集與分析功能和A、B、C或3D掃描圖像顯示功能。

2、檢測方案分析

觀察試塊的被檢測面，可以看出區(qū)域1、區(qū)域3和區(qū)域4的上表面位于同一平面，但厚度不一致；區(qū)域2所在的中間腹板部分的高度、厚度與其相鄰的兩個腹板相近。

基于五軸自動化超聲波檢測設備中的閘門追蹤功能，可通過將底波閘門寬度設置成能夠覆蓋區(qū)域1、區(qū)域3和區(qū)域4三個區(qū)域，實現(xiàn)三個區(qū)域的一次性掃描。區(qū)域2所在的腹板部分的高度、厚度與其他腹板相近，也可以對所有腹板實現(xiàn)一次掃描。

但是，區(qū)域2所在的腹板部分厚度約為11.5mm，區(qū)域4的厚度54.0mm大于區(qū)域2厚度的2倍，因此無法在一個A掃圖中顯示。

因此，使用五軸自動化超聲波檢測設備來檢測該試塊的方案是：創(chuàng)建一個掃描任務，其中包含兩個平面軌跡面，一個軌跡面用來檢測區(qū)域1、3、4，另一個軌跡面用來檢測區(qū)域2。一鍵啟動，兩個軌跡面按順序掃描，結果保存在這個掃描任務名稱下的兩個文件夾中，方便存儲、查找和調(diào)用。

根據(jù)材料和缺陷信息，試驗選用5MHz，焦距3inch聚焦探頭進行檢測。

3、檢測參數(shù)設置

（1）水程距離設置 根據(jù)所用探頭的焦距，為避免在腹板檢測過程中探頭與立筋發(fā)生碰撞，因此選取水程距離為76mm。

（2）檢測靈敏度設置 區(qū)域1、3、4部分最厚為54.0mm，要求能檢出 φ 0.8mm的缺陷，用試塊校準后，選用的檢測靈敏度為81dB。

區(qū)域2和其他腹板部分厚度 約 為 1 2 m m ， 要 求 能 檢 出φ 0.8mm的缺陷，用試塊校準后，選用的檢測靈敏度為77dB。

（3）閘門設置 區(qū)域1、3、4部分：由于超聲波入射面相同，3個部分高低有差異，除設定界面波閘門和底波閘門外，設定1個缺陷檢測閘門，為追蹤閘門，起始點追蹤界面波，終止點追蹤底波。

區(qū)域2部分：由于超聲波入射面高度會有差異，因此將界面波閘門和底波閘門都設置得寬一些，以適應不同腹板區(qū)域。設定1個缺陷檢測閘門，為追蹤閘門，起始點追蹤界面波，終止點追蹤底波。

（4）掃描軌跡設置 創(chuàng)建一個掃描任務，包含2個軌跡面：軌跡面1和軌跡面2，根據(jù)試塊位置分別選定兩者的掃描范圍，為保證直徑 φ 0.8mm的缺陷被準確地檢出，掃描間距選定為1mm×1mm，掃描方向為X軸，掃描速度為100mm/s，并分別選擇其對應的檢測靈敏度和閘門等超聲波設置。

4、檢測結果分析

分區(qū)域來進行結果分析如下。

（1）區(qū)域1、3、4 打開軌跡面1的掃描結果，選擇閘門1的數(shù)據(jù)結果，從C掃描圖像中能夠看出，區(qū)域1中的缺陷1、2，區(qū)域3中的缺陷5、6，以及區(qū)域4中的缺陷7、8均被準確檢出，如圖2所示。

從圖中可以看出，在一張C掃描圖像中，缺陷1、2、5、6、7、8能同時看到，既提高了檢測效率，又增強了數(shù)據(jù)分析的便利性。

圖3~圖8是每個缺陷對應的A掃描圖形和C掃描圖像結果。

（2）區(qū)域2 打開軌跡面2的掃描結果，選擇閘門1的數(shù)據(jù)結果如圖9所示，能夠看出，區(qū)域2中的缺陷3、4均被準確檢出。缺陷3、4的A掃描圖形和C掃描圖像結果如圖10、圖11所示。

5、結語

（1）上述結果表明，試塊中預埋的8個缺陷均能夠準確地檢出，說明北京航智晟機電設備有限公司生產(chǎn)的自動化超聲波檢測設備的檢測能力能夠達到：①鈦合金鍛件中，近表面盲區(qū)能達到可以檢出距上表面3mm的直徑0.8mm的平底孔。②鈦合金鍛件中，邊緣盲區(qū)能夠達到3mm，即能夠檢出距離邊緣3mm的直徑0.8mm的平底孔的平底孔。

（2）對于形狀復雜的不等厚件，若沒有數(shù)模，可以應用閘門的界面追蹤功能來進行閘門設置，將多個被掃描面放在一個軌跡面中，以盡可能地減少掃描次數(shù)，提高檢測效率。同時，一個掃描任務可以包含多個軌跡面，每個軌跡面的超聲波設置和軌跡設置相互獨立。這樣既節(jié)省了掃描時間，又能將結果自動保存在一起，方便以后分析和調(diào)用。

（3）對于相同類型的被檢零件，設置參數(shù)均可以再調(diào)用，適用于批量生產(chǎn)零件的超聲檢測之中。

參考文獻：

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[3] 王桂生，田榮璋.鈦的應用技術[M].長沙：中南大學出版社，2007：176.

作者簡介：李征，北京航智晟機電設備有限公司。

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