Page 69 - 无损检测2024年第七期
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马朝阳，等：
特种设备用激光熔化沉积钛合金构件的超声检测
等缺陷 。由于激光熔化沉积技术制备的钛合金部 定义为1号~6号缺陷。基于试件缺陷分布，在任何
[5]
件具有明显的各向异性、多晶体高散射等特点，且 检测面上进行超声检测时，有2个恒定深度的平底孔
一般用于特种设备领域的钛合金结构尺寸和厚度较 缺陷和4个不同深度的横孔缺陷需要检测。激光熔
大 [6-7] ，故声波在钛合金中传播时会产生严重的畸变 化沉积TC11钛合金试件实物及缺陷分布示意如图1
和衰减，超声检测信噪比较差，缺陷识别能力明显下 所示。
[8]
降 。由于其复杂的声学特性，采用传统的距离振幅
校正方法来补偿不同深度的回波信号难以获得理想
[9]
的效果 。激光熔化沉积制造钛合金中存在粗大的
柱状晶体结构，虽然在不同位置和深度的超声波入
射方向上，缺陷回波的振幅不具有一致的规律 [10-11] ，
但是缺陷回波的波形之间却有一定的相似性，而归
一化互相关方法适用于测量信号与指定信号的相似
性 [12] 。鉴于传统超声检测方法在激光熔化沉积钛合
金制造中应用的不足，在不改变超声检测系统硬件 图 1 激光熔化沉积 TC11 钛合金试件
的情况下，使用归一化互相关方法对采集的测试回
采用自主研发的全自动超声检测试验系统来采
波数据进行处理和重建，并结合阵列超声检测方法，
集钛合金试件的数据，其结构框图如图2所示。该
增强声束能量，提高聚焦能力，可以提高激光熔化沉 试验系统的高频超声装置由一个超声波脉冲接收器
积制造钛合金的测试精度和效率 [13-15] 。基于归一化 （JSR PRC-50）和一个输入A/D板（OKOS AL12250）
互相关方法，可以将指定参考信号波形的相似性作 组成。机械臂系统（史陶比尔RX-160）被用作运动执
为测量尺度来模拟常规钛合金的超声检测数据，并 行器，用来夹紧和触发超声波传感器。该系统的超声
提取显著衰减位置的弱缺陷信号 [16-17] 。此外，归一 波测试和全自动运动控制软件均为自主开发。
化互相关方法可抑制非相干噪声，如接口噪声等 [18] 。
基于激光熔化沉积技术制造了有预埋缺陷的
TC11钛合金试件，通过自主研发的超声水浸C扫检
测系统，采集回波信号数据，经过计算机模拟，来验
证归一化互相关方法对超声检测信噪比的改善。对
试件各测试面采集到的回波信号数据进行了归一化
互相关信号处理，重建了预埋缺陷和底部回波信号
的归一化互相关系数图像，并与传统的振幅成像进 图 2 全自动超声检测系统结构框图
行了比较。试验结果表明，在不改变系统硬件的情
考虑到缺陷的大小和钛合金试件的复杂声学特
况下，归一化互相关信号处理方法可以提高传统超
性，使用了中心频率为15 MHz、晶片直径为6. 35 mm、
声检测对激光熔化沉积钛合金缺陷的弱回波信号的 焦距为50. 3 mm的聚焦超声波换能器，试件的3个
测试能力。 无预埋缺陷的表面被作为超声垂直入射面，分别对
1 试验制备与试验方法 试件进行了3组超声水浸C扫描检测试验 （脉冲回波
法）。超声水浸C扫描试验的主要参数如表1所示。
基于激光熔化沉积技术制备了尺寸（边长）为 为了便于后续的超声回波信号处理和成像，所有的
60 mm的正方体TC11钛合金试件。根据激光熔化 测试数据均以全波的方式存储。传统超声水浸检测
沉积技术的工艺特点，试件的测试面被定义为打印 时聚焦的物理焦点是单一的，对于较大厚度钛合金
面（试件成型过程中激光扫描和步进的表面）、沉积 试件，无法实现其焦点对检测区域的覆盖，检测回波
面x和沉积面y（包括另外两个非打印面）。为了分 信号较弱，通常采用直接提高信号增益或实施距离
析超声波在钛合金试件不同入射面的缺陷检测能 振幅校正方法来提高较大厚度回波信号的信噪比。
力，在试件的打印面和两个相邻的沉积面加工了直 但由于钛合金具有高衰减、高背景噪声、各向异性等
径为0. 8 mm、深度为5 mm的平底孔缺陷，将其分别 声学特性，上述方法无法获得理想的效果，文章采用
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2024 年 第 46 卷 第 7 期
无损检测
