一种适用于中厚钛合金激光焊缝超声检测的5 MHz横波斜探头设计与验证

《Sensors》：Low-Temperature One-Pot Fabrication of a Dual-Ion Conductive Hydrogel for Biological Monitoring Xinyu Guan, Xudong Ma, Ruixi Gao, Qiuju Zheng, Changlong Sun, Yahui Chen and Jincheng Mu

为解决中厚钛合金激光焊缝内部缺陷检测的技术瓶颈——高结构噪声、低信噪比和缺陷定位/定量困难，研究人员开展了一项超声检测技术研究。他们通过仿真与实验相结合的方法，评估了专用5 MHz单晶横波斜探头在此类焊缝检测中的有效性。结果表明，该方法可有效检测最小当量为1 mm的内部缺陷，平均信噪比达17.6 dB，定位平均绝对误差为0.438 mm。这项研究为中厚钛合金激光焊接质量的超声无损评估提供了具体技术方案和实验依据，对完善相关检验标准具有重要参考价值。

　　

在高端装备制造领域，钛合金因其高比强度和优异的耐腐蚀性，已成为造船、航空航天、石油化工等领域的关键结构材料。然而，高昂的材料成本和焊接难度，使得焊接接头的质量直接决定了高端装备的使用可靠性。激光焊接作为一种高能量密度、变形小、热影响区窄且能实现较大单道熔深的先进技术，在中厚钛合金板材连接中展现出巨大潜力。尽管如此，针对厚度通常大于或等于10毫米的中厚钛合金板材的激光焊接质量评估体系，特别是无损检测方法的适应性，目前仍不完善。当前，焊缝质量评估主要依赖于焊接过程的参数监测和焊后破坏性检测，前者信息有限，后者效率低下、成本高昂。因此，发展高效可靠的无损检测技术具有重要的工程价值。

在众多无损检测方法中，超声波检测因其穿透能力强、灵敏度高、对人体无害等优点，被广泛应用于金属焊缝检测。但与常见的碳钢相比，钛合金密度低、声阻抗差异显著，且焊缝组织具有晶粒粗大和各向异性的特点，给超声检测带来了特殊挑战。这些挑战主要包括：结构噪声水平高，导致缺陷回波信噪比显著低于碳钢焊缝；粗晶导致的声散射和衰减增强，引起声速变化，增大了缺陷定位和定量的误差；焊缝余高和表面不规则进一步加剧了近表面盲区问题。目前，针对钛合金的超声检测标准多面向原材料验收，专门针对钛合金焊缝，特别是中厚板的检测工艺规程仍显不足，其工程适用性远不如细晶铁素体钢等成熟检测体系。

为应对上述技术瓶颈，一项发表在《Sensors》上的研究，聚焦于中厚钛合金激光焊缝的专用超声检测规程开发。研究人员通过分析超声波在钛合金焊缝中的传播特性，设计了专用的小晶片横波斜探头，旨在抑制结构噪声、提高缺陷回波信噪比并扩大焊缝检测区域的覆盖范围。他们制备了适用于中厚钛合金焊缝检测的校准试块、对比试块以及激光焊接试样（厚度10毫米），并系统研究了超声检测参数对缺陷检出能力的影响，最终形成了一套针对中厚钛合金板材激光焊缝的超声检测工艺。

为开展研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：

1. 1.
   有限元仿真建模：建立了基于5 MHz横波斜探头的钛合金焊缝超声检测有限元模型，用于模拟超声波传播、声场特性及缺陷响应，对比分析了1.5 MHz和5 MHz频率下探头性能的差异。
2. 2.
   专用检测系统构建与校准：搭建了由DPR300脉冲发射/接收器和MSO5204示波器组成的超声检测系统，并使用标准试块对系统进行校准，确保检测精度。
3. 3.
   实验验证与性能评估：在制备的含有不同深度预制内部缺陷的激光焊接试块上进行实际检测，通过分析缺陷回波信号，评估系统的检测灵敏度、信噪比和缺陷定位精度。

研究结果

1. 仿真揭示频率选择的权衡关系

通过剪切波检测方法的仿真对比发现，对于中厚钛合金激光焊缝，1.5 MHz和5 MHz频率的探头均能有效检测模型中的缺陷，但存在性能权衡：1.5 MHz探头能获得更高的缺陷回波幅值，但其背景噪声水平也相应升高；而5 MHz探头的缺陷回波幅值较低，但其背景噪声水平显著降低。这为在实际检测中根据穿透深度和背景噪声抑制的需求选择探头频率提供了定量依据。

2. 5 MHz探头实际检测能力验证

实验验证了5 MHz探头的实际检测能力。结果表明，在保证对10毫米厚度具有足够穿透能力的前提下，5 MHz探头能够有效检测最小当量尺寸为1毫米的内部缺陷，且缺陷定位精度优于0.5毫米。对四个不同深度预制内部缺陷的检测结果显示，所有缺陷均被有效检出，测量得到的平均信噪比为17.6 dB，验证了所提出系统的高灵敏度。缺陷定位的平均绝对误差为0.438 mm。

3. 方法有效性与技术贡献

集成仿真与实验的方法验证了所建立有限元模型在研究超声波传播方面的有效性。该研究为优化检测参数、理解频率、缺陷信号与结构噪声之间的相互作用提供了有价值的工具，减少了对大量物理试验的依赖。本工作的具体新颖性和贡献在于，针对“钛合金-激光焊接-中厚度”这一特定组合的超声检测需求，明确了不同频率下穿透能力与背景响应抑制之间的权衡关系，为此特定情境下探头频率的选择提供了初步的定量基础。此外，验证了专用单晶横波斜探头在此应用中的实际效用。

结论与讨论

本研究通过仿真与实验相结合的方式，成功开发并验证了一套针对中厚钛合金激光焊缝内部缺陷的超声检测方法。研究表明，采用专门设计的5 MHz单晶横波斜探头，能够在中厚钛合金激光焊缝检测中有效抑制结构噪声，实现对小至1 mm当量尺寸内部缺陷的高灵敏度检出和优于0.5 mm的高精度定位。平均17.6 dB的信噪比和0.438 mm的平均定位误差，充分证明了该检测系统的高性能。

这项研究的重要意义在于，它直接回应了中厚钛合金激光焊接质量无损评估领域的迫切技术需求。所提出的方法不仅为激光焊接工艺的质量控制提供了可靠的技术手段，也为相关无损检测标准的细化和工程实践提供了重要的技术参考和实验证据。通过阐明频率选择对检测性能的影响，该研究有助于推动超声检测技术在先进材料焊接领域的更精准、更高效应用，对于保障采用此类焊接结构的高端装备（如潜艇耐压壳体、深潜器载人舱、海水管路系统等）的安全性与可靠性具有重要的工程价值。