王 飛，涂 俊，危 荃，周建平

(上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

某薄壁構(gòu)件攪拌摩擦焊鎖底焊縫的超聲相控陣檢測(cè)

王 飛，涂 俊，危 荃，周建平

(上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201600)

針對(duì)某薄壁結(jié)構(gòu)件3 mm厚的鋁合金攪拌摩擦焊鎖底焊縫開展了超聲相控陣檢測(cè)工藝研究，采用內(nèi)置30°楔塊的相控陣探頭解決了該結(jié)構(gòu)件裝機(jī)狀態(tài)下檢測(cè)空間狹小、焊縫厚度薄且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的檢測(cè)難題，同時(shí)結(jié)合攪拌摩擦焊接工藝對(duì)檢出的缺陷類型及成因進(jìn)行了分析，以為類似結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的檢測(cè)及攪拌摩擦焊接質(zhì)量的控制與改進(jìn)提供參考。

攪拌摩擦焊；鎖底焊縫；超聲相控陣

攪拌摩擦焊技術(shù)作為一種新型的高質(zhì)量、低成本的綠色焊接技術(shù)，已在國內(nèi)航空、航天、船舶、兵器、鐵路等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了工程化應(yīng)用。與傳統(tǒng)的熔焊工藝有所不同，攪拌摩擦焊技術(shù)在焊接過程中不需要對(duì)焊接部位進(jìn)行熔化以及施加填充材料或保護(hù)氣體，而是利用攪拌工具的熱-力擠壓鍛造作用形成材料的固相連接。因此，攪拌摩擦焊焊縫不會(huì)產(chǎn)生傳統(tǒng)的氣孔、熱裂紋等焊接缺陷，但是當(dāng)工藝參數(shù)控制不當(dāng)時(shí)，焊縫容易產(chǎn)生孔洞、未焊透、疏松、弱結(jié)合等類型的缺陷[1-2]。

目前針對(duì)攪拌摩擦焊焊縫內(nèi)部缺陷檢測(cè)的方法主要有X射線和超聲相控陣檢測(cè)法。其中X射線對(duì)于一些微小或形狀、走向特殊的孔洞類缺陷以及弱結(jié)合缺陷不敏感，超聲相控陣與常規(guī)超聲相比具有更好的橫向和縱向分辨力，對(duì)于發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊焊縫中的微小孔洞或弱結(jié)合缺陷更為有效，因此在攪拌摩擦焊焊縫的檢測(cè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用[3-4]。

筆者針對(duì)某3 mm厚薄壁結(jié)構(gòu)件的鋁合金攪拌摩擦焊鎖底焊縫開展了超聲相控陣檢測(cè)工藝研究，采用內(nèi)置30°楔塊的相控陣探頭解決了該結(jié)構(gòu)件裝機(jī)狀態(tài)下檢測(cè)空間狹小、焊縫厚度薄且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的檢測(cè)難題，同時(shí)結(jié)合攪拌摩擦焊接工藝對(duì)檢出的缺陷類型及成因進(jìn)行了分析。

1 檢測(cè)對(duì)象

檢測(cè)對(duì)象為一鎖底結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊對(duì)搭接接頭(見圖1)，在產(chǎn)品制造過程中需要對(duì)圖1中本體結(jié)構(gòu)的多處空腔流道部位采用蓋板進(jìn)行焊接密封。蓋板和本體材料均采用7055高強(qiáng)鋁合金，密封部位的蓋板及空腔結(jié)構(gòu)主要有“L”型、“弧”形、“弓”字型等幾種形式(見圖2)，其焊縫的結(jié)構(gòu)特征為：① 毛坯階段蓋板厚度為5 mm，焊接結(jié)束后需對(duì)蓋板及焊縫表面整體機(jī)加工去除2 mm厚度；② 流道空腔寬度為6 mm，蓋板與本體單側(cè)搭接寬度為4 mm，焊后相鄰平行焊縫的邊緣間距約為8～10 mm；③ 部分蓋板周圍存在凸臺(tái)、下方及側(cè)面本體位置存在較多的裝配螺紋孔等空間結(jié)構(gòu)。

圖1 檢測(cè)對(duì)象結(jié)構(gòu)示意

圖2 蓋板及空腔結(jié)構(gòu)形式

圖3 產(chǎn)品某條焊縫位置

2 檢測(cè)方法及工藝

2.1 檢測(cè)方法 檢測(cè)委托客戶在產(chǎn)品焊接結(jié)束后對(duì)焊縫處進(jìn)行液壓強(qiáng)度、氦質(zhì)譜檢漏及表面檢查合格后將焊縫表面2 mm加工去除，在后續(xù)產(chǎn)品裝機(jī)試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)一處焊縫存在氣體泄漏現(xiàn)象。為防止類似情況再次發(fā)生，提出對(duì)所有焊縫部位重新進(jìn)行無損檢測(cè)的要求。由于產(chǎn)品此時(shí)已處于最終裝機(jī)狀態(tài)，主體結(jié)構(gòu)無法拆卸且受焊縫結(jié)構(gòu)限制，無法采用X射線對(duì)其進(jìn)行透照檢測(cè)，產(chǎn)品某條焊縫位置如圖3所示，因此只能考慮將焊縫周圍部分管路拆卸后再采用超聲相控陣方法對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。2.2 檢測(cè)工藝

2.2.1 檢測(cè)設(shè)備及探頭

圖4 不同角度聲束傳播路徑示意

檢測(cè)系統(tǒng)采用Doppler PHASCAN型超聲相控陣檢測(cè)儀。由于傳統(tǒng)相控陣探頭大都采用外置楔塊加探頭的方式，其楔塊與工件接觸面尺寸較大，而被檢焊縫表面空間可移動(dòng)區(qū)域較小，采用傳統(tǒng)探頭無法滿足焊縫區(qū)域的全覆蓋檢測(cè)。為此定制了內(nèi)置30°楔塊的線陣列相控陣探頭，探頭晶片數(shù)16，頻率5 MHz，單個(gè)晶片尺寸(長×寬)0.3 mm×5 mm，探頭端部與工件接觸部位(長×寬)只有16 mm×12 mm，對(duì)比試塊采用同材料φ1 mm橫孔試塊。2.2.2 檢測(cè)參數(shù)及掃查路徑選擇

不同角度聲束傳播路徑示意如圖4所示，由于焊縫較薄，檢測(cè)時(shí)為減少蓋板底部與空腔接觸部位的端角結(jié)構(gòu)反射而影響超聲檢測(cè)結(jié)果的判定(如圖4中A所示)，檢測(cè)蓋板兩側(cè)焊縫時(shí)均選擇從空腔一側(cè)作為檢測(cè)聲束入射側(cè)。由于相鄰焊縫間的間距較小(其中焊縫截面上端寬度約8～10 mm，下端寬度約5～7 mm)，為避免入射聲束受相鄰焊縫檢測(cè)影響，同時(shí)確保足夠的探頭移動(dòng)空間，選擇探頭激發(fā)晶片序列為9～16(圖4中第一晶片距探頭端部5.7 mm)，聚焦法則選用橫波扇形掃查，聲束偏轉(zhuǎn)角度35°～70°，偏轉(zhuǎn)聚焦深度3 mm。由圖4可以看出，當(dāng)探頭前端位于焊縫邊緣時(shí)，入射聲束的偏轉(zhuǎn)角度大約在50°時(shí)直射波到達(dá)蓋板端角部位；在小于50°偏轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)，聲束經(jīng)蓋板底部的一次反射波覆蓋靠近空腔側(cè)的焊縫約四分之一區(qū)域；在大于50°的偏轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)，聲束以直射波方式進(jìn)入焊縫內(nèi)部。當(dāng)探頭繼續(xù)向焊縫中心移動(dòng)時(shí)，一次反射波覆蓋區(qū)域逐漸減小，直射波覆蓋區(qū)域逐步增大。因此，在檢測(cè)過程中主要以直射波掃查為主，并適當(dāng)增大焊縫兩側(cè)的移動(dòng)區(qū)域以盡可能覆蓋焊縫熱影響區(qū)域。探頭掃查時(shí)橫跨于焊縫上方，沿焊縫走向呈鋸齒形掃查檢測(cè)。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)2.2節(jié)中確定的檢測(cè)工藝,對(duì)6件裝機(jī)產(chǎn)品共計(jì)108條焊縫進(jìn)行了超聲相控陣檢測(cè)，典型的缺陷信號(hào)主要有3種類型，如圖5和圖6中的信號(hào)A、B、C所示。其中：信號(hào)A在95%左右的焊縫中均存在，主要出現(xiàn)在圖4中探頭移動(dòng)初始位置，其相控陣扇形掃描圖像中心顯示深度約2.8 mm，對(duì)應(yīng)的A掃描信號(hào)聲束偏轉(zhuǎn)角度集中在60°左右，且A掃波形峰值較低；根據(jù)信號(hào)A處超聲傳播的聲程距離及圖4可判斷，該信號(hào)位于蓋板側(cè)焊縫下端部的直射波聲束覆蓋范圍內(nèi)，其大致位置如圖7中A所示，圖7為與圖5中信號(hào)A、B對(duì)應(yīng)的聲束傳播路徑。

圖5 超聲相控陣檢測(cè)典型信號(hào)A、B

圖6 超聲相控陣檢測(cè)典型信號(hào)C

圖7 與圖5中信號(hào)A、B對(duì)應(yīng)的聲束傳播路徑示意

信號(hào)B出現(xiàn)在其中7條焊縫中，其相控陣扇掃圖像輪廓邊緣清晰，圖像中心深度位置從1～1.9 mm不等，聲束偏轉(zhuǎn)角度主要集中在44°～48°之間，對(duì)應(yīng)的A掃波形呈現(xiàn)單一尖銳波峰且峰值較高，根據(jù)信號(hào)B處超聲傳播的聲程距離并結(jié)合圖5,可以判斷該信號(hào)主要位于靠近蓋板側(cè)焊縫的上端部的一次反射波覆蓋區(qū)域(圖5虛線對(duì)應(yīng)3 mm厚度，即蓋板底部)，其大致位置如圖7中B所示。與此同時(shí)，檢測(cè)過程中發(fā)現(xiàn)這7條焊縫所顯示的信號(hào)B在沿焊縫長度方向均有一定的延伸，中心深度位置大致相同，具體尺寸如表1中1～7號(hào)所示。

信號(hào)C只出現(xiàn)在其中1條焊縫中，其相控陣扇掃圖像中呈現(xiàn)0～3 mm不同深度位置的多個(gè)圖像輪廓，圖像輪廓邊緣不清晰，部分輪廓之間存在重合部位，其對(duì)應(yīng)的超聲A掃描信號(hào)基本分布于整個(gè)35°～70°的聲束偏轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)，與之對(duì)應(yīng)的A掃波形呈現(xiàn)多個(gè)時(shí)域位置及峰值不等的波形。結(jié)合信號(hào)C處超聲傳播的聲程距離及圖4探頭位置與聲束偏轉(zhuǎn)角的關(guān)系，可判斷該處信號(hào)位于蓋板側(cè)焊縫整個(gè)直射波聲束覆蓋范圍內(nèi)，與之對(duì)應(yīng)的焊縫內(nèi)部缺陷分布的大致位置如圖8所示。與此同時(shí)該信號(hào)沿焊縫長度方向有31 mm的延伸，見表1中編號(hào)8。經(jīng)工藝確認(rèn)該信號(hào)C位置與2.1節(jié)中所提到的試驗(yàn)過程中氣體泄漏位置吻合，圖9為信號(hào)C對(duì)應(yīng)焊縫泄漏位置的局部放大圖，焊縫靠近蓋板側(cè)表面存在肉眼可見的細(xì)小裂縫。

圖8 與信號(hào)C對(duì)應(yīng)的聲束傳播路徑示意

圖9 與信號(hào)C對(duì)應(yīng)的焊縫泄漏位置局部放大圖

編號(hào)缺陷深度/mm缺陷長度/mm焊縫結(jié)構(gòu)著色滲透123456781．71．61．81．01．41．71．90～3．0401530811404031圖2(b)圖2(a)圖2(a)圖2(c)圖2(c)圖2(a)圖2(a)圖2(b)顯像--顯像顯像--顯像

為進(jìn)一步判定缺陷的類型，對(duì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)B、C的8條焊縫表面均進(jìn)行了著色滲透檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)其中1，4，5，8號(hào)焊縫有明顯的缺陷顯像，其缺陷位置均靠近蓋板側(cè)，表面清洗后采用放大鏡觀察局部，發(fā)現(xiàn)存在細(xì)小且不規(guī)則的空隙。

3.2 缺陷類型及成因分析討論

鑒于產(chǎn)品的特殊性，無法對(duì)焊縫缺陷部位進(jìn)行解剖并驗(yàn)證其缺陷類型，因此主要從攪拌摩擦焊接工藝角度，綜合3.1節(jié)中缺陷信號(hào)的大小、分布位置及相控陣扇掃描圖像特征，再結(jié)合以往鋁合金攪拌摩擦焊超聲相控陣檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)其缺陷類型及成因進(jìn)一步分析討論。

(1) 由于信號(hào)A主要出現(xiàn)在蓋板與本體搭接處的焊縫邊緣部位，在大多數(shù)焊縫中均存在，且深度方向略小于蓋板厚度，該缺陷類型應(yīng)屬于攪拌摩擦焊搭接接頭中的焊縫熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)特有的“Hook”型缺陷，通常稱之為鉤狀缺陷。吳志明等學(xué)者對(duì)于該類型的缺陷做過相關(guān)研究[5-7]，認(rèn)為其產(chǎn)生的主要原因是焊接過程中，焊核區(qū)材料升溫塑化，并在攪拌針的攪拌作用下，焊核區(qū)的材料升溫塑化并發(fā)生垂直方向的流動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)熱機(jī)影響區(qū)材料發(fā)生垂直流動(dòng)，使得搭接界面在熱機(jī)影響區(qū)發(fā)生彎曲，與此同時(shí)熱機(jī)影響區(qū)材料受到的熱作用和攪拌作用相對(duì)有限，搭接界面的包鋁層及氧化膜未被破碎，故形成未冶金結(jié)合的間隙。文中所涉及的蓋板與本體對(duì)搭接焊縫結(jié)構(gòu)符合上述缺陷產(chǎn)生結(jié)構(gòu)及機(jī)理?xiàng)l件，同時(shí)由于7055材料流動(dòng)性較差，從而導(dǎo)致“Hook”型缺陷在蓋板厚度方向形成的尺寸較小。

(2) 信號(hào)B和C主要分布于蓋板側(cè)焊縫內(nèi)部，從超聲相控陣檢測(cè)的缺陷扇掃描圖像特征、深度、長度及表面著色結(jié)果看，信號(hào)B和C的缺陷類型應(yīng)屬于攪拌摩擦焊中的沿焊縫長度方向分布的隧道狀的孔洞缺陷。與此同時(shí)，結(jié)合信號(hào)C的扇掃描圖像可以發(fā)現(xiàn)在其焊縫厚度方向還存在多個(gè)細(xì)小孔洞的疏松組織，其缺陷產(chǎn)生的可能原因大致有以下幾個(gè)方面。

① 從焊接工藝看，蓋板初始焊接過程中所使用的攪拌工具長5 mm，壓入量0.1～0.2 mm，攪拌后焊縫深度不少于5.1 mm，可以保證鎖底結(jié)構(gòu)背部焊透;但由于蓋板背面與本體搭接寬度較小，圖1所示單邊搭接寬度只有4 mm，在實(shí)際攪拌摩擦焊接過程中，焊縫根部的部分塑性金屬有可能溢出至蓋板底部的空腔區(qū)，從而導(dǎo)致焊縫區(qū)域的攪拌封閉型腔發(fā)生破裂，并造成焊縫內(nèi)部出現(xiàn)孔洞型缺陷或疏松狀的組織。

② 從缺陷形成機(jī)理角度看，考慮到攪拌摩擦焊是固相連接過程，其焊接過程溫度較低(一般為熔點(diǎn)的0.7～0.8倍)，若材料在焊接溫度區(qū)間內(nèi)的流動(dòng)性較差，攪拌頭向前移動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)移流動(dòng)的母材局部區(qū)域未能完全致密填充攪拌頭留下的瞬時(shí)空腔，則容易在焊縫內(nèi)部形成孔洞缺陷，情況嚴(yán)重時(shí)呈現(xiàn)蟲狀、隧道狀孔洞缺陷，情況較輕時(shí)會(huì)以多個(gè)微小聚集的孔洞(疏松)缺陷呈現(xiàn)[8]。檢測(cè)的產(chǎn)品的焊縫材料所采用的7055鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，相比于常用的2XXX、5XXX、6XXX系列鋁合金材料，其合金元素多、強(qiáng)度高，符合上述材料流動(dòng)性差的特征。同時(shí)，由于焊接區(qū)域較窄、焊縫密集，焊接時(shí)蓋板厚度5 mm，剛度相對(duì)較大，使得焊接過程的裝配及攪拌過程中焊縫區(qū)溫度分布較為復(fù)雜，從而進(jìn)一步加劇了上述孔洞或疏松缺陷的產(chǎn)生。

此外，由于該類缺陷均位于焊縫內(nèi)部，在初始焊接結(jié)束后僅通過表面及強(qiáng)度氣密等方法無法檢出，在后續(xù)產(chǎn)品加工過程中去除表面2 mm厚度后，部分缺陷暴露出來(如1，4，5，8號(hào)缺陷)。鑒于其中1～7號(hào)缺陷深度方向均小于2 mm，故在產(chǎn)品后續(xù)氣密試驗(yàn)過程中未發(fā)生泄漏，而8號(hào)缺陷是除隧道狀孔洞缺陷外在深度方向，還存在密集的疏松狀組織，從而導(dǎo)致了該處焊縫的氣體貫穿泄漏。

4 結(jié)語

(1) 通過采用內(nèi)置楔塊的相控陣探頭及檢測(cè)工藝，實(shí)現(xiàn)了3 mm厚鋁合金攪拌摩擦焊鎖底結(jié)構(gòu)焊縫內(nèi)部缺陷的檢測(cè)，解決了產(chǎn)品裝機(jī)狀態(tài)下檢測(cè)空間狹小及相鄰焊縫間的結(jié)構(gòu)干擾影響因素較多的檢測(cè)難題。

(2) 結(jié)合超聲相控陣檢測(cè)缺陷圖像特征及攪拌摩擦焊工藝特點(diǎn)，對(duì)所檢出的隧道狀孔洞及疏松缺陷成因進(jìn)行了分析，從而為產(chǎn)品缺陷的進(jìn)一步處理及后續(xù)質(zhì)量控制提供了一定參考依據(jù)。

(3) 鑒于焊縫結(jié)構(gòu)形式的特殊性及產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性要求，建議客戶在產(chǎn)品焊接完成后即開展超聲相控陣檢測(cè)，確保無損檢測(cè)時(shí)機(jī)選擇的合理性及缺陷處理的可操作性。

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Ultrasonic Phased Array Testing of Friction Stir Welded Thin-Walled Lock Welds

WANG Fei, TU Jun, WEI Quan, ZHOU Jianping

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Research Institute, Shanghai 201600, China)

Studies on phased array ultrasonic testing technology for a thin-walled structure of 3 mm thick aluminum alloy friction stir welded lock welds were carried out, and the probe with 30° built-in wedge was used to solved the problems of narrow operation space and a variety of structure of the thin weld. The causes and types of defects were discussed combined with the friction stir welding process which provides a frame of reference for the similar structure weld testing and quality control.

friction stir welding; lock weld; ultrasonic phased array

2016-07-11

王 飛(1986-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事無損檢測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用工作

王 飛, wf0420@163.com

10.11973/wsjc201705004

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0017-04