3D打印鈦合金構(gòu)件孔隙率的超聲多次散射無損評價方法結(jié)題摘要

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3D打印鈦合金構(gòu)件具備諸多獨特優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于航天、軍工等高端領(lǐng)域，而孔隙是影響其機械性能與服役壽命的重要因素，難以有效便捷地測量孔隙率是該技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。本項目擬研究一種基于多次散射的3D打印鈦合金孔隙率超聲評價方法：首先3D打印出不同孔隙率的鈦合金試塊，運用結(jié)構(gòu)拓撲理論分析3D打印材料中孔隙的空間拓撲模型，構(gòu)建孔隙在基體中的空間相關(guān)函數(shù)，探求孔隙率對超聲單次散射的作用機理；研究孔隙作用下的多次散射路徑及波形轉(zhuǎn)換，通過散射強度算子的高階分量表征超聲波在材料中的多次散射，研究各階散射權(quán)重分布及截斷散射階數(shù)的選取策略，并通過各微元的空間方差曲線辨識多次散射修正后的孔隙率參數(shù)；利用多元高斯聲束模型分析復(fù)雜型面對超聲多次散射的影響，研究基于衍射衰減補償?shù)谋成⑸湎禂?shù)修正方法，最終建立孔隙率的超聲多次散射評價模型。預(yù)期成果對提高3D打印構(gòu)件的產(chǎn)品質(zhì)量、保證其使用安全具有重要理論意義及應(yīng)用價值。

超聲波無損傷檢測技術(shù)定義

通過超聲波與試件相互作用，就反射、透射和散射的波進行研究，對試件進行宏觀缺陷檢測、幾何特性測量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的檢測和表征，并進而對其特定應(yīng)用性進行評價的技術(shù)。

超聲波無損傷檢測技術(shù)原理

主要是基于超聲波在試件中的傳播特性。

a.聲源產(chǎn)生超聲波，采用一定的方式使超聲波進入試件；

b.超聲波在試件中傳播并與試件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變；

c.改變后的超聲波通過檢測設(shè)備被接收，并可對其進行處理和分析；

d.根據(jù)接收的超聲波的特征，評估試件本身及其內(nèi)部是否存在缺陷及缺陷的特性。

超聲波無損傷檢測技術(shù)優(yōu)點

a.適用于金屬、非金屬和復(fù)合材料等多種制件的無損檢測；

b.穿透能力強，可對較大厚度范圍內(nèi)的試件內(nèi)部缺陷進行檢測。如對金屬材料，可檢測厚度為1～2mm的薄壁管材和板材，也可檢測幾米長的鋼鍛件；

c.缺陷定位較準確；

d.對面積型缺陷的檢出率較高；

e.靈敏度高，可檢測試件內(nèi)部尺寸很小的缺陷；f.檢測成本低、速度快，設(shè)備輕便，對人體及環(huán)境無害，現(xiàn)場使用較方便。

超聲波無損傷檢測技術(shù)局限性

a.對試件中的缺陷進行精確的定性、定量仍須作深入研究；

b.對具有復(fù)雜形狀或不規(guī)則外形的試件進行超聲檢測有困難；

c.缺陷的位置、取向和形狀對檢測結(jié)果有一定影響；

d.材質(zhì)、晶粒度等對檢測有較大影響；

e.以常用的手工A型脈沖反射法檢測時結(jié)果顯示不直觀，且檢測結(jié)果無直接見證記錄。

超聲波無損傷檢測技術(shù)適用范圍

a.從檢測對象的材料來說，可用于金屬、非金屬和復(fù)合材料；

b.從檢測對象的制造工藝來說，可用于鍛件、鑄件、焊接件、膠結(jié)件等；

c.從檢測對象的形狀來說，可用于板材、棒材、管材等；

d.從檢測對象的尺寸來說，厚度可小至1mm，也可大至幾米；

e.從缺陷部位來說，既可以是表面缺陷，也可以是內(nèi)部缺陷。

超聲波無損傷檢測技術(shù)應(yīng)用

接到探傷任務(wù)后，首先要了解圖紙對焊接質(zhì)量的技術(shù)要求。鋼結(jié)構(gòu)的驗收標準是依據(jù)GB50205-95《鋼結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》來執(zhí)行的。標準規(guī)定：對于圖紙要求焊縫焊接質(zhì)量等級為一級時評定等級為Ⅱ級時規(guī)范規(guī)定要求做100%超聲波探傷；對于圖紙要求焊縫焊接質(zhì)量等級為二級時評定等級為Ⅲ級時規(guī)范規(guī)定要求做20%超聲波探傷；對于圖紙要求焊縫焊接質(zhì)量等級為三級時不做超聲波內(nèi)部缺陷檢查。

在此值得注意的是超聲波探傷用于全熔透焊縫，其探傷比例按每條焊縫長度的百分數(shù)計算，并且不小于200mm。對于局部探傷的焊縫如果發(fā)現(xiàn)有不允許的缺陷時，應(yīng)在該缺陷兩端的延伸部位增加探傷長度，增加長度不應(yīng)小于該焊縫長度的10%且不應(yīng)小于200mm，當仍有不允許的缺陷時，應(yīng)對該焊縫進行100%的探傷檢查，其次應(yīng)該清楚探傷時機，碳素結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)在焊縫冷卻到環(huán)境溫度后、低合金結(jié)構(gòu)鋼在焊接完成24小時以后方可進行焊縫探傷檢驗。另外還應(yīng)該知道待測工件母材厚度、接頭型式及坡口型式。截止到目前為止我在實際工作中接觸到的要求探傷的絕大多數(shù)焊縫都是中板對接焊縫的接頭型式，所以我下面主要就對焊縫探傷的操作做針對性的總結(jié)。一般地母材厚度在8-16mm之間，坡口型式有I型、單V型、X型等幾種形式。在弄清楚以上這此東西后才可以進行探傷前的準備工作。

超聲波無損傷檢測技術(shù)準備要求

在每次探傷操作前都必須利用標準試塊（CSK-IA、CSK-ⅢA）校準儀器的綜合性能，校準面板曲線，以保證探傷結(jié)果的準確性。

1、探測面的修整：應(yīng)清除焊接工作表面飛濺物、氧化皮、凹坑及銹蝕等，光潔度一般低于▽4。焊縫兩側(cè)探傷面的修整寬度一般為大于等于2KT 50mm，（K:探頭K值，T：工件厚度）。一般的根據(jù)焊件母材選擇K值為2.5探頭。例如：待測工件母材厚度為10mm,那么就應(yīng)在焊縫兩側(cè)各修磨100mm。

2、耦合劑的選擇應(yīng)考慮到粘度、流動性、附著力、對工件表面無腐蝕、易清洗，而且經(jīng)濟，綜合以上因素選擇漿糊作為耦合劑。

3、由于母材厚度較薄因此探測方向采用單面雙側(cè)進行。

4、由于板厚小于20mm所以采用水平定位法來調(diào)節(jié)儀器的掃描速度。

5、在探傷操作過程中采用粗探傷和精探傷。為了大概了解缺陷的有無和分布狀態(tài)、定量、定位就是精探傷。使用鋸齒形掃查、左右掃查、前后掃查、轉(zhuǎn)角掃查、環(huán)繞掃查等幾種掃查方式以便于發(fā)現(xiàn)各種不同的缺陷并且判斷缺陷性質(zhì)。

6、對探測結(jié)果進行記錄，如發(fā)現(xiàn)內(nèi)部缺陷對其進行評定分析。焊接對頭內(nèi)部缺陷分級應(yīng)符合現(xiàn)行國家標準GB11345-89《鋼焊縫手工超聲波探傷方法和探傷結(jié)果分級》的規(guī)定，來評判該焊否合格。如果發(fā)現(xiàn)有超標缺陷，向車間下達整改通知書，令其整改后進行復(fù)驗直至合格。

一般的焊縫中常見的缺陷有：氣孔、夾渣、未焊透、未熔合和裂紋等。到目前為止還沒有一個成熟的方法對缺陷的性質(zhì)進行準確的評判，只是根據(jù)熒光屏上得到的缺陷波的形狀和反射波高度的變化結(jié)合缺陷的位置和焊接工藝對缺陷進行綜合估判。