李 博，胡偉葉，沈以赴

(1.南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.中國航天科工集團(tuán) 南京晨光廠工藝所，江蘇 南京 212000)

攪拌摩擦焊縫微細(xì)尺寸缺陷的無損檢測技術(shù)

李 博1，2，胡偉葉2，沈以赴1

(1.南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.中國航天科工集團(tuán) 南京晨光廠工藝所，江蘇 南京 212000)

針對25 mm厚板2219鋁合金攪拌摩擦焊縫中存在的微孔、疏松、“S”曲線弱連接、根部類裂紋等微細(xì)尺寸的缺陷，分別采用相控陣超聲波扇形掃查、熒光粉滲透檢測等技術(shù)進(jìn)行無損檢測，并與傳統(tǒng)的X射線探傷結(jié)果進(jìn)行對比，探討不同的無損檢測技術(shù)針對攪拌摩擦焊縫微細(xì)尺寸缺陷的工程適用性。經(jīng)過對焊縫解剖，利用立體顯微鏡、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡等檢視儀器，對于各類型微細(xì)尺寸的焊縫缺陷進(jìn)行宏觀和微觀的可視化觀察，分析典型微細(xì)尺寸缺陷的材料特征及形成機(jī)制，并與相應(yīng)的無損檢測結(jié)果進(jìn)行對比。對比試驗結(jié)果有助于建立和完善FSW焊縫產(chǎn)品的無損檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

攪拌摩擦焊；無損檢測；缺陷；相控陣超聲波

0 前言

攪拌摩擦焊(FSW)作為一種鋁合金焊接的新型固相連接技術(shù)，能夠避免傳統(tǒng)熔化焊造成的冶金缺陷[1-5]。由于FSW在制造成本和焊接質(zhì)量等方面具有許多優(yōu)越性，因此在國內(nèi)外諸多工業(yè)領(lǐng)域中均有成功的應(yīng)用[1-2]。然而在FSW過程中，由于工藝參數(shù)(如焊接時攪拌頭移動的速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度及壓力等)偏離預(yù)定值，或出現(xiàn)意外因素的干擾，可能會影響焊縫區(qū)的連接質(zhì)量，嚴(yán)重時會產(chǎn)生工藝和結(jié)構(gòu)上不允許出現(xiàn)的缺陷。不適當(dāng)?shù)暮附訁?shù)及不合理的工藝操作會導(dǎo)致FSW焊縫表面及內(nèi)部出現(xiàn)飛邊、犁溝、隧道、孔洞、吻接等非冶金缺陷[3-6]。

與常規(guī)熔焊相比，F(xiàn)SW焊縫區(qū)域內(nèi)部具有與母材一致的冶金組織，焊接過程中焊縫區(qū)的晶粒還會得到細(xì)化，在焊縫處產(chǎn)生的缺陷具有明顯的緊貼、細(xì)微和難檢測的特點[7-8]。FSW工藝研究需要掌握焊縫區(qū)物理特征、可能產(chǎn)生的缺陷及其成因，而FSW的工程機(jī)械制造應(yīng)用則需要評估焊縫的質(zhì)量和完整性，特別需要得知焊縫區(qū)內(nèi)是否存在超過設(shè)計允許的缺陷。因此，無損檢測技術(shù)已成為近年來國外在重要工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用過程中推廣FSW的重點研究課題[7-10]，然而，目前國內(nèi)FSW的無損檢測技術(shù)仍處于缺陷表征與檢測方法的探索和技術(shù)積累階段[11-15]。為了完善無損檢測技術(shù)在FSW實際生產(chǎn)中的應(yīng)用，深入開展多種無損檢測技術(shù)對于FSW的適用性研究，進(jìn)而制定不同行業(yè)內(nèi)FSW無損檢測的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

目前，對于FSW焊縫內(nèi)部出現(xiàn)的常規(guī)體積類缺陷，往往選用傳統(tǒng)的X射線探傷以及常規(guī)超聲波掃描等無損檢測方法，但這些方法并不都適用于攪拌摩擦焊接頭特有的非致密性小面積、小體積類缺陷[3]。針對25 mm厚板2219-T6鋁合金攪拌摩擦焊縫中出現(xiàn)的微孔、“S”曲線、根部弱連接等微細(xì)尺寸缺陷，選用相控陣超聲波掃查、熒光粉滲透檢視等方法進(jìn)行無損檢測試驗，并與X射線探傷結(jié)果進(jìn)行對比，分析其適用性與優(yōu)越性。

1 實驗方法

焊縫母材為2219鋁合金軋制板材，板厚25mm，熱處理狀態(tài)為T6，即固溶處理后人工時效。FSW設(shè)備選用大型臥式攪拌摩擦焊機(jī)，采用錐型帶螺紋攪拌頭，為增加攪拌針周圍塑性金屬的變形程度和流動范圍，攪拌針錐面設(shè)計三個平剖面，如圖1所示，軸肩直徑32 mm，攪拌針長23.8 mm。

圖1 焊接試驗用攪拌頭形貌

首先對多組對接試板進(jìn)行焊接工藝試驗，以制備供無損檢測試驗使用的缺陷焊縫。FSW的參數(shù)設(shè)定范圍：攪拌頭轉(zhuǎn)速n＝350～600 r／min，行走焊速v＝80～150mm／min，軸肩下壓量d＝0.6～1.0mm。在焊接試驗中，攪拌頭前傾角統(tǒng)一設(shè)定為2°，攪拌針扎入位置相對焊縫中心線的偏移量為0，試板由設(shè)備床臺和專用夾具緊固。利用X射線探傷、相控陣超聲波掃查、熒光粉滲透檢視等無損檢測的方法來搜集、分析缺陷信號，確定焊縫中缺陷的位置，并對該位置焊縫橫向解剖、研磨、拋光、腐蝕(Dix-Keller試劑)后，利用立體顯微鏡(SM)、光學(xué)顯微鏡(OM)觀察焊縫缺陷的特征形貌，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察焊縫根部未焊透缺陷在拉伸斷口上的痕跡。

2 無損檢測設(shè)備

實驗用X射線探傷機(jī)為XY3010／3型號射線機(jī)，使用環(huán)境溫度為+2℃～40℃，相對濕度不大于85%，并采用柯達(dá)AA400型工業(yè)膠片來獲取圖片信息。根據(jù)GJB1187A-2001《射線檢測》的技術(shù)要求，X射線探傷機(jī)的具體參數(shù)設(shè)置為：管電流8 mA，管電壓85 kV，曝光時間2 min，焦距900 mm。

相控陣超聲波檢測設(shè)備為便攜式OmniScan相控陣檢測儀。本實驗中采用扇形掃查方式，即在設(shè)定的角度范圍內(nèi)，實現(xiàn)聲束在該角度內(nèi)的連續(xù)掃查。扇形掃查適用于缺陷位置未知或缺陷取向不確定的情況，目的在于對FSW對接焊縫中的多種類、小尺寸、不同位置的未知缺陷進(jìn)行統(tǒng)一檢測。相控陣檢測儀生成的超聲波束參數(shù)主要包括發(fā)射角度、聚焦范圍和焦點尺寸等，均可以根據(jù)實際情況和需要，通過設(shè)備匹配的軟件進(jìn)行人工控制。

實驗針對FSW對接焊縫的根部弱連接缺陷采用熒光粉滲透技術(shù)進(jìn)行檢測。熒光粉滲透檢測工藝主要操作程序為：待檢測焊縫的超聲波清洗、多功能清洗、干燥、滲透、預(yù)清洗、乳化(主要針對后乳化熒光粉)、終清洗、干燥、顯像、觀察等。由于本實驗采用自乳化熒光粉，而自乳化熒光粉的乳化在熒光粉滲透過程中完成，因此不需要單獨加熱乳化時間和操作程序，工藝過程較為簡便。

3 微細(xì)尺寸缺陷形貌和無損檢測結(jié)果3.1 焊縫微孔與疏松缺陷

FSW過程中的缺陷產(chǎn)生與塑性金屬的變形程度、流動情況以及焊接熱輸入量密切相關(guān)。而上述因素體現(xiàn)在FSW工藝參數(shù)上可用經(jīng)驗公式(1)表示和計算出沿焊縫方向的單位長度熱輸入量q

式中 η為熱效率；μ為摩擦系數(shù)；R為攪拌頭軸肩半徑；n為轉(zhuǎn)速；v為焊速；P為軸肩壓力(可幾何表現(xiàn)為軸肩下壓量d)。

若其他工藝條件一定，當(dāng)攪拌頭下壓量不足，旋轉(zhuǎn)速度過快，焊接行走速度過慢時，因熱輸入量不足、焊縫金屬塑性變形程度不夠、塑性金屬流動遷移能力差等內(nèi)在原因，焊縫容易產(chǎn)生非冶金性孔洞、隧道、密集型多孔疏松等缺陷。而這一類孔洞型缺陷往往具備幾何尺寸小、分布位置不確定等特點，因此難以通過常規(guī)的X射線探傷方法進(jìn)行檢測。

圖2為立體顯微鏡下觀察到的有聚集型微孔缺陷存在的焊縫宏觀形貌以及其選區(qū)的光學(xué)顯微形貌。這一類微孔缺陷的幾何尺寸多在幾個微米至幾十個微米，由圖3可以看出，采用X射線探傷的方法無法檢測出來。而使用相控陣超聲波的設(shè)備和方法卻能夠準(zhǔn)確地檢測出大部分微細(xì)孔洞缺陷的大致尺寸和分布位置，其典型的缺陷信號如圖4所示，微孔分布的密集程度可通過反映在檢測設(shè)備屏幕上的波峰信號來判斷。

圖3 有微孔缺陷的FSW焊縫X射線檢測結(jié)果

圖4 FSW焊縫微孔缺陷的相控陣超聲波檢測結(jié)果

圖5給出了焊縫疏松缺陷的宏觀形貌及其選區(qū)的微觀形貌，可清晰地發(fā)現(xiàn)該類缺陷組織缺乏致密性，多產(chǎn)生在靠近攪拌頭軸肩下部的區(qū)域，不僅具有連續(xù)的多孔性特征，而且會出現(xiàn)類裂紋狀的線性幾何特征。與微孔缺陷類似，由于疏松缺陷的幾何尺寸較小，也很難用X射線探傷的方法檢出，如圖6所示。相控陣超聲波掃查的方法既能夠檢出疏松區(qū)域的多孔缺陷，也能夠通過特征信號來反映出類裂紋疏松缺陷的線性幾何特征，如圖7所示。

圖5 FSW焊縫疏松缺陷宏觀及微觀形貌(侵蝕后)

圖6 有類裂紋狀疏松缺陷的FSW焊縫X射線檢測結(jié)果

圖7 FSW焊縫疏松缺陷的相控陣超聲波檢測結(jié)果

3.2 焊縫“S”曲線弱連接缺陷

鋁板焊前對接界面存在致密的氧化膜，若不能在FSW過程中充分打碎，高密度且細(xì)小的Al2O3顆粒陣列就會在焊核區(qū)形成典型的“S”曲線弱連接缺陷[17-18]?！癝”曲線在腐蝕后呈曲折的細(xì)黑線，也稱作“之”字線。因脆性的Al2O3顆粒陣列會造成其兩側(cè)存在一定的“阻隔”，使“S”曲線兩側(cè)的金屬無法通過混合和擴(kuò)散實現(xiàn)充分連接，形成一種焊縫“吻接”缺陷。“S”曲線的微觀形貌如圖8所示，不僅能夠觀察到Al2O3陣列被侵蝕而形成的黑線，而且能夠發(fā)現(xiàn)微細(xì)尺寸的裂紋。如圖9所示，X射線探傷底片上無法檢測出具有微細(xì)尺寸的“S”曲線，相控陣超聲波掃查卻能夠容易地輸出該“吻接”的缺陷信號，如圖10所示。

3.3 焊縫根部弱連接缺陷

圖8 FSW焊縫“S”曲線弱連接缺陷微觀形貌

圖9 有“S”曲線缺陷的FSW焊縫X射線檢測結(jié)果

由于焊接過程中，F(xiàn)SW攪拌針的端點與焊縫背部有一定的微小距離，以防止其扎透或焊穿試板，因此在焊縫根部往往會留下微細(xì)的類裂紋狀未焊透缺陷，而在靠近焊核區(qū)的末端，其走向又會隨著焊縫熱機(jī)械影響區(qū)內(nèi)被拉長變形的晶粒所形成的流線方向發(fā)生偏折，如圖11所示。與“S”曲線的成因類似，根部的未焊透曲線也是由試板對接界面留下的致密Al2O3顆粒陣列(氧化膜)所組成的。此外，根部缺陷連通焊縫背部的外表面，實際上就形成了微細(xì)裂紋，往往會成為焊縫受力斷裂過程中的斷裂裂紋源。圖12中用箭頭標(biāo)明了在焊縫拉伸斷口邊緣暴露出來的根部缺陷SEM宏觀形貌及其分布。

圖10 FSW焊縫“S”曲線缺陷的相控陣超聲波檢測結(jié)果

圖11 FSW焊縫根部弱連接缺陷微觀形貌

圖12 FSW焊縫拉伸斷口上暴露的根部缺陷SEM圖

如圖13所示，采用相控陣超聲波無損檢測的方法能夠輕易地檢測出根部缺陷及其在板厚方向上的大致尺寸。另外，由于根部缺陷暴露于焊縫背部表面，雖不能輕易用肉眼觀察到，但可利用熒光粉滲透檢測的方法，根據(jù)毛細(xì)作用的原理，通過自乳化熒光粉沿著根部缺陷進(jìn)行滲透，就可在紫外線燈光的照射下將根部弱連接缺陷明顯地暴露出來，從而達(dá)到無損檢測的目的。熒光粉滲透檢測對于焊縫根部缺陷的檢測效果可見圖14中箭頭標(biāo)注的位置，即有線狀熒光的位置。

圖13 FSW焊縫根部缺陷的相控陣超聲波檢測結(jié)果

圖14 FSW焊縫根部缺陷的熒光粉滲透檢測結(jié)果

4 結(jié)論

相控陣超聲波檢測技術(shù)是在傳統(tǒng)超聲檢測的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，但傳統(tǒng)的單晶探頭超聲波檢測的聲場沿著聲束軸線進(jìn)行傳播，折射角是固定的，因而對于不同方位上的缺陷容易產(chǎn)生漏檢現(xiàn)象。相控陣超聲波檢測技術(shù)采用的探頭是一個多陣元探頭，每個小陣元都可作為一個線性波源，產(chǎn)生的新的波陣面發(fā)生相互干涉后形成一個整體波陣面。這種多陣元探頭可在多角度方向上聚焦，大多數(shù)方向上的缺陷可被檢出，大大降低了漏檢率。此外，相控陣超聲波檢測設(shè)備的操作非常人性化，同一組探頭可以適應(yīng)不同板厚的焊縫檢測的需要，探頭可發(fā)射多種角度的超聲波，當(dāng)遇到傾斜類缺陷時，探頭會接受到超聲回波，并在計算機(jī)顯示屏上以波形和圖形方式顯示。因此，該無損檢測技術(shù)完全適用于FSW焊縫中多位置的微細(xì)尺寸缺陷的檢測。

對于FSW焊縫中微細(xì)尺寸缺陷無損檢測技術(shù)的適用性而言，采用相控陣超聲波扇形掃查的方法對于微細(xì)尺寸缺陷探測的靈敏度要明顯高于傳統(tǒng)的X射線探傷技術(shù)。對于FSW焊縫的根部未焊透缺陷，除采用相控陣超聲波檢測以外，還可通過熒光粉滲透檢測技術(shù)，將焊縫根部類裂紋狀缺陷直觀地暴露出來?；跈z測FSW焊縫中不可視的微細(xì)尺寸缺陷無損檢測對比試驗及其結(jié)果，對于制定相關(guān)制造領(lǐng)域中FSW產(chǎn)品的無損檢測技術(shù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，具有一定的借鑒意義。

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Applications of non-destructive testing for micro-sized weld-defects in friction stir welding

LI Bo1，2，HU Wei-ye2，SHEN Yi-fu2
(1.College of Materials Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 211100，China；2.Technology Research Institute of Nanjing Chenguang Corporation，CASTC，Nanjing 210012，China)

Several types of micro-sized weld-defects，including micro voids，porosities，S-curves，crack-like root flaws，existed in the friction stir welds of 25 mm thick 2219 aluminum alloy.The non-destructive testing methods of phased array ultrasonic detection with sector scanning and fluorescent penetrate testing were used for inspecting the micro-sized weld-defects.The results were compared to those by conventional X-ray detection.The applications of the above testing methods were discussed.Moreover，macro and micro observations for the weld-defects were carried out though stereo microscope，optical microscope and scanning electron microscopy.The material characters of the micro-scaled weld-defects were analyzed according to the results of NDT tests.The results from the present paper are significant for establishing and improving the related standards of non-destructive testing for friction stir welds.

friction stir welding；non-destructive testing；weld-defect；phased array ultrasonic detection

TG115.21

A

1001-2303(2011)11-0020-06

2011-06-28

李 博(1986—)，男，河南鄭州人，在讀博士，主要從事攪拌摩擦焊及其加工工藝的基礎(chǔ)理論研究。