鈦鍛件在航空產品中占有重要地位，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生多起，因此需要進行無損檢測來保證產品質量。

超聲波檢測是常用的鈦鍛件質量控制方法。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，生產廠和航空廠都用超聲波檢測進行質量控制。

但是復雜形狀航空鍛件為形狀不規則的變厚度工件，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、邊緣盲區等的檢測能力。按照缺陷的分布，大致分為4個區域，如圖1所示，其中區域2和其他腹板所在區域位于試樣中部，區域1、3、4位于試樣的一側。

缺陷的具體信息如下：區域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的五軸自動化超聲波檢測設備，主要用于鈦鍛件的4通道脈沖反射超聲波檢測。設備具有鍛件型面外形參數測量功能、鍛件型面跟蹤檢測功能、超聲波檢測數據采集與分析功能和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，可以看出區域1、區域3和區域4的上表面位于同一平面，但厚度不一致；區域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域1、區域3和區域4三個區域，實現三個區域的一次性掃描。區域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一次掃描。

但是，區域2所在的腹板部分厚度約為11.5mm，區域4的厚度54.0mm大于區域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域1、3、4，另一個軌跡面用來檢測區域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、查找和調用。

根據材料和缺陷信息，試驗選用5MHz，焦距3inch聚焦探頭進行檢測。

3、檢測參數設置

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

（2）檢測靈敏度設置 區域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

分區域來進行結果分析如下。

（1）區域1、3、4 打開軌跡面1的掃描結果，選擇閘門1的數據結果，從C掃描圖像中能夠看出，區域1中的缺陷1、2，區域3中的缺陷5、6，以及區域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，又增強了數據分析的便利性。

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）區域2 打開軌跡面2的掃描結果，選擇閘門1的數據結果如圖9所示，能夠看出，區域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，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，方便以后分析和調用。

（3）對于相同類型的被檢零件，設置參數均可以再調用，適用于批量生產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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