用于檢測雙金屬轉(zhuǎn)子復(fù)合層擴散焊連接質(zhì)量的超聲換能器

用于檢測雙金屬轉(zhuǎn)子復(fù)合層擴散焊連接質(zhì)量的超聲換能器

雙金屬旋轉(zhuǎn)復(fù)合層由銅和鋼通過擴散和焊接連接。在測定復(fù)合層的連接質(zhì)量時，現(xiàn)在最常用的方法是超聲檢測。由于銅和鋼的抗逆性阻力接近，銅和鋼界面的聲反射率很低。為了提高超聲信號的信噪比，提高超聲成像的分辨率，需要采用高頻聚焦換能器，抑制表面波的反射范圍，提高界面波的反射范圍，并客觀地評估混合焊接的連接質(zhì)量。此外，由于旋轉(zhuǎn)內(nèi)孔的小孔徑和銅的薄厚，應(yīng)滿足這些特定要求。因此,本文針對雙金屬復(fù)合層內(nèi)孔的檢測,研制了水浸式既發(fā)又收的高頻聚焦超聲換能器,其主頻為8～10MHz,用于對擴散焊連接質(zhì)量進行評價的全自動超聲成像檢測系統(tǒng)中.1參數(shù)設(shè)計1.1pzt-5帶襯背襯的帶襯設(shè)計壓電材料選用綜合性能較好的鋯鈦酸鉛(PZT-5).為了得到較高的效率,須使壓電片在共振狀態(tài)下工作,此時壓電片厚度為1/2波長:t=λ2=c2f(1)t=λ2=c2f(1)其中,t是壓電片的厚度,f是探頭的設(shè)計主頻率,c=4350m/s為壓電片(PZT-5)中的縱波速度.根據(jù)公式(1),設(shè)計主頻率為10MHz時,厚度值為0.218mm.背襯有兩個主要用途:一是與晶片進行匹配,減少晶片震蕩的次數(shù),從而提高探頭的頻帶寬度;二是吸收晶片背向發(fā)射的聲波,減少探頭固有雜波,提高探傷的可靠性.為了得到比較理想的寬帶探頭,一般要使背襯的聲阻抗達到晶片聲阻抗的2/3.PZT-5壓電片的聲特性阻抗ZP為:式(2)中,ρ=7.75g/cm3,c=4350m/s.因此要求背襯的聲特性阻抗應(yīng)達到22.5×106kg·m-2·s-1左右.背襯材料采用環(huán)氧鎢粉,即用鎢粉作為填料摻入環(huán)氧樹脂,經(jīng)過固化后形成的一種材料.在環(huán)氧鎢粉中,固化的環(huán)氧作為框架,提供材料的楊氏模量,也決定了材料的聲速,鎢粉顆粒作為填料,提供了材料的高密度,同時也對聲波進行散射和吸收.1.2動態(tài)數(shù)字光彈儀模擬實驗圖1所示為超聲波聚焦到銅和鋼界面的示意圖.在內(nèi)孔的檢測中,由于水和銅聲速的不同,使得銅層相當(dāng)于平面換能器的聚焦聲透鏡.由于聲波波長的有限性,導(dǎo)致了聲波的衍射,使得會聚鏡面的曲率中心和在聲軸上的波動焦點的不同.即焦點的位置并不能按照光學(xué)折射定律來計算,而是應(yīng)該按照聲程相等的概念進行計算.聲程相等,即將換能器表面看成一系列半徑不等的圓環(huán)聲波帶,由于兩種介質(zhì)聲速不同,所以經(jīng)不同路徑傳播的各波帶的聲波能夠同相到達焦點處,或者相差1/4個周期相位之內(nèi)達到焦點,產(chǎn)生衍射極大,達到聚焦的目的,形成聚區(qū)附近的聚焦聲場分布.為驗證設(shè)計的可行性,利用動態(tài)數(shù)字光彈儀做了模擬實驗.動態(tài)數(shù)字光彈儀是利用動態(tài)光彈法研究固體中超聲波傳播和散射聲場等,并且能對數(shù)字化圖像進行處理.模擬實驗的樣品示意圖如圖2所示,其中壓電陶瓷晶片的中心頻率為4MHz,尺度為25mm×25mm;環(huán)氧樹脂的聲速是c1=2700m/s,光學(xué)玻璃的聲速是c2=6000m/s.按照聲程相等的概念,列出式(3):d1c1+xc2=d2c1+dc2(3)d1c1+xc2=d2c1+dc2(3)其中,等式左邊的聲程按照晶片中心發(fā)出的聲波計算,等式右邊的聲程按照晶片中點處發(fā)出的聲波計算.由式(3)可解出焦距的位置在9.56mm處.將模擬試驗的樣品放到動態(tài)數(shù)字光彈儀上做實驗,得到圖3聚焦時的聲場圖片.從圖3中可以看出,超聲波的聲場存在明顯的聚焦現(xiàn)象,焦區(qū)在8-10mm處,和理論計算的結(jié)果相吻合,確實起到了超聲聚焦的效果.在實際工件中,水聲速1500m/s,銅聲速4400m/s,超聲換能器的中心頻率是10MHz,晶片的直徑是6mm.按照聲程相等的概念,按照式(3)計算出焦距在距水和銅界面2.36mm處,即超聲波聚焦的焦柱位置剛好在銅和鋼的結(jié)合層處,能覆蓋到銅和鋼的界面,使換能器對結(jié)合層處的信號最為敏感.如果結(jié)合處存在分層缺陷,那么這個缺陷信號就會被放大,大大提高了結(jié)合層缺陷的信噪比,滿足了對換能器高靈敏度的要求.1.3橫向分辨率的計算縱向分辨率指在聲束傳播方向上,超聲系統(tǒng)剛好能分開相鄰兩個目標的距離,即沿聲束傳播方向的最小分辨尺寸.換能器中心頻率f0,輸出信號幅度大于信號最大幅度10%的脈沖持續(xù)時間τ,所含振蕩周期數(shù)N,則系統(tǒng)的縱向分辨率d1可表示為:d1=12cτ=cN2f0(4)d1=12cτ=cΝ2f0(4)式(4)中,c=4400m/s,N=2,f0=10MHz,得出縱向分辨率d1=0.22mm.橫向分辨率是由換能器的聲束寬度來決定的,近似用距換能器表面的距離z處的聲束寬度dL來表示dL=λz2a=cz2af0(5)dL=λz2a=cz2af0(5)式(5)中,c=4400m/s,z=6mm,a=3mm為換能器的半徑,f0=10MHz,得出橫向分辨率dL=0.44mm.2生產(chǎn)工藝2.1膠的粘結(jié)與固化換能器采用直接將壓電晶片粘接在延遲塊的設(shè)計,因此要求粘接層厚度盡可能的薄、均勻,且中間不能混有氣泡.這就要求用于粘接的膠性能優(yōu)良,其次要保證在膠的固化過程中壓電晶片和延遲塊之間有合適的壓力.我們選用了中科院化學(xué)所研制的一種配比為1:10的環(huán)氧樹脂作為粘接劑.粘結(jié)好后使用專門設(shè)計的夾持器來保證環(huán)氧固化過程中壓電片和延遲塊所需的夾緊力.最后將整個夾持器放入烘箱,在100℃的溫度下固化四個小時后取出.2.2延遲塊的焊接換能器焊點的位置、大小與焊接質(zhì)量直接影響著換能器的性能.晶片上表面焊上電極引線做正極,而延遲塊與金屬外殼直接相連接做了接地的負極.引線用1.0mm的航空導(dǎo)線.焊接時需注意要焊在壓電晶片中心,焊接時間不能過長,溫度不也能過高,否則焊錫會把銀電極熔解掉.焊點要求盡可能的小,以減小對超聲波聲場的影響.引線的長度取5～6cm為宜,以方便以后的操作.2.3環(huán)中樣品厚度的確定背襯采用環(huán)氧樹脂和高密度鎢粉的混合物,按質(zhì)量比為環(huán)氧:鎢粉=1∶6的比例配置環(huán)氧鎢粉,調(diào)好后用熱風(fēng)機加熱去除氣泡.采用這種鎢粉,背襯的厚度在10個波長以上就能達到滿意的衰減效果.環(huán)氧鎢粉材料的聲速約為1700m/s,對于10MHz的聲波,波長為0.17mm,因此背襯的厚度應(yīng)該超過1.7mm.在實際制作中,一般做到2mm以上.3超聲成像檢測圖4所示為超聲換能器的實物照片.首先在標準延遲塊上進行試驗,底面一次回波波形如圖5所示.從波形圖上看,一次回波的最高頻率可達10MHz,并且波列非常窄,只有兩個周期,且一次底波峰-峰值高,性能優(yōu)良,達到了高頻窄脈沖的設(shè)計要求,能有效的用于超聲成像對微小缺陷的檢測.其次在實際工件中查看超聲波的波形和頻譜,如圖6所示.從圖6中可以看出,在實際工件中缺陷回波的實測中心頻率在9MHz左右,界面波寬度小于四個周期,分辨率高,防止了前后界面波與缺陷波混疊在一起的情況,保證了檢測信息的提取.用研制的換能器進行柱塞孔檢測,能夠明顯檢測到結(jié)合層的缺陷波,通過軟件對采集回來的信號的處理,就能夠非常清晰的看到銅和鋼復(fù)合層的界面反射波.4超聲回波的測試雙金屬轉(zhuǎn)子示意圖見圖7,其中孔壁銅層厚d=2.5mm,探測孔徑φ=11mm.9個柱塞孔均勻分布.檢測結(jié)果如圖8所示,是對內(nèi)孔的一個矩形展開圖,橫坐標表示圓周,縱坐標表示深度.波高超過閥門高度的波,都會以它最高點的幅度所對應(yīng)的圖8右方色塊的顏色標出來.十字線所標定的那一點的A顯示波形圖如圖9所示.從圖8和圖9中可以看出,白色的區(qū)域表示擴散焊接結(jié)合良好,深藍色區(qū)域結(jié)合稍差,黃色和紅色區(qū)域可能出現(xiàn)分層現(xiàn)象.從波形圖中也可以清晰的看到銅和鋼界面的超聲回波.5z高頻窄脈沖聚焦超聲換能器在雙金屬轉(zhuǎn)子復(fù)合層全自動超聲特征成像檢測系統(tǒng)中,因柱塞孔孔徑小,孔壁薄,針對此類擴散焊