劉 昆 崔建盟 鐘國江 劉延平 薛 泉 王照禹 張利紅

(1.天津航天長征火箭制造有限公司，天津300462；2.首都航天機械有限公司，北京100076)

鋁合金具有密度小、重量輕、比強度高、電導(dǎo)與熱導(dǎo)性好且具有較好的耐蝕性等特點[1]，廣泛應(yīng)用于航天貯箱產(chǎn)品的生產(chǎn)中。貯箱產(chǎn)品作為火箭動力源泉的關(guān)鍵部件，其裝載承壓能力直接決定了火箭推力大小和火箭箭體的有效載荷。目前火箭貯箱主要連接技術(shù)為焊接技術(shù)，由于攪拌摩擦焊焊縫綜合性能優(yōu)于熔焊焊縫，攪拌摩擦焊技術(shù)代替熔焊技術(shù)已經(jīng)成為未來航天焊接的發(fā)展趨勢。

目前，鋁合金攪拌摩擦焊焊縫主要的無損檢測方式為射線檢測和超聲相控陣檢測兩種。射線檢測由于其檢測結(jié)果顯示缺陷形貌直觀，對缺陷尺寸和性質(zhì)判斷比較容易，成為了判定焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵手段[2]。本文針對在鋁合金攪拌摩擦焊焊縫射線檢測過程中發(fā)現(xiàn)的四種典型白色影像開展分析研究，并確定了該白色影像的評定方法，為后續(xù)檢測工作提供參考借鑒。

1 理論分析

1.1 射線檢測工藝布置

由于鋁合金攪拌摩擦焊焊縫弧度較大，可近似為平板焊縫處理，因此射線檢測時選取射線源位于焊縫一側(cè)，膠片緊貼在焊縫另一側(cè)，根據(jù)不同焊縫厚度調(diào)節(jié)射線機管電壓，保證射線能穿透焊縫，通過調(diào)節(jié)曝光量確保底片黑度和檢測靈敏度滿足標準要求，具體檢測方式如圖1所示。

1.2 白色影像分析

底片上出現(xiàn)白色線性影像，在確定缺陷性質(zhì)時，流程一般第一步排除偽缺陷的影響；第二步，根據(jù)影像出現(xiàn)的部位及焊接工藝過程，初步確定影像的可能性質(zhì)；第三步，根據(jù)影像的特征，同時參考其他驗證方式，最終定性。

2 白色影像評定方法

射線檢測中產(chǎn)生白色影像的材料密度一般高于母材基體密度，因此對射線吸收率高，反應(yīng)到底片上即呈現(xiàn)白色影像，本文分別選取了以下四種常見典型白色影像開展分析。

2.1 攪拌針脫落物影像

在某次檢測過程中發(fā)現(xiàn)如圖2的白色影像，該影像亮度與母材反差大、形貌輪廓較清晰，并呈現(xiàn)上側(cè)影像邊界銳利，邊界線條整齊，存在類似機加工邊緣；下側(cè)影像邊界不規(guī)則，呈起伏狀；左右兩端影像邊界類似于撕裂物邊界，斷口平滑。

攪拌摩擦焊焊接過程是用一個圓柱體或其他形狀的攪拌針伸入工件的接縫處，通過攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時對材料進行攪拌摩擦來完成焊接過程[3]。核查焊接設(shè)備和工藝后發(fā)現(xiàn)，焊接該產(chǎn)品所使用的攪拌針出現(xiàn)斷裂，其針頭在攪拌過程中無法承受母材的剪切力，針頭一側(cè)外皮脫落，殘留在攪拌摩擦焊焊縫中。

圖3 多余物影像
Figure 3 Residue image

圖4 試片X射線檢測結(jié)果
Figure 4 X-ray test results of test piece

圖5 焊縫根部熱影響區(qū)附著物
Figure 5 Attachments to heat affected zone of weld root

(a)(b)

圖6 析出相影像
Figure 6 Precipitation phase image

此類影像一般出現(xiàn)在使用攪拌針超過服役期，攪拌針設(shè)計存在缺陷，攪拌針材料不滿足要求，攪拌針選擇不當(dāng)?shù)惹闆r下。該類影像比較容易判別，但補焊處理時需要先將缺陷排除干凈，再進行補焊，處理過程較復(fù)雜。

2.2 多余物影像

檢測過程中發(fā)現(xiàn)圖3所示影像，該影像成不同大小分散狀分布，且長度不同，但寬度基本相同，形貌輪廓邊界稍模糊，影像分散情況無規(guī)律。

核查焊接工藝后發(fā)現(xiàn)，焊接前的一道清理工序中，需要使用鋼絲刷對焊接區(qū)域表面進行清理，而鋼絲刷所用鋼絲直徑與影像中寬度相近。檢查所用鋼絲刷發(fā)現(xiàn)鋼絲均存在不同程度的銹蝕，測試實驗時發(fā)現(xiàn)鋼絲銹蝕后韌性下降，在清潔實驗試片時可見脫落鋼絲。將鋼絲刷中的鋼絲放置在潮濕環(huán)境中加速銹蝕生長，輕輕按壓鋼絲，鋼絲即發(fā)生斷裂，斷裂后情況與底片中形貌基本一致。對其他已完成鋼絲刷清理工序的產(chǎn)品進行檢查，多次發(fā)現(xiàn)板材縫隙中存在脫落的鋼絲，形成焊接多余物。因此判定此影像由鋼絲脫落后夾在焊接縫隙中形成的多余物造成，焊接時被攪拌針打碎，呈無規(guī)律地分布在焊縫內(nèi)。

此類缺陷一般出現(xiàn)在焊縫清理不徹底，且清理焊縫所用鋼絲刷出現(xiàn)銹蝕的情況之下。該類影像與脫落鋼絲長短關(guān)系較大，判別有一定困難，補焊前也需要先將打斷的鋼絲排除，補焊工序復(fù)雜。

2.3 焊縫根部熱影響區(qū)附著物影像

在檢測過程中發(fā)現(xiàn)如圖4影像，該影像形貌不規(guī)則，亮度變化明顯且呈現(xiàn)層疊狀，所在位置接近焊縫邊緣處于熱影響區(qū)范圍內(nèi)。

攪拌摩擦焊焊接過程中，工件要剛性固定在背墊上，焊透邊高速旋轉(zhuǎn)，邊沿工件的接縫與工件相對運動。檢查產(chǎn)品表面時，發(fā)現(xiàn)焊縫根部存在如圖5的附著物，該附著物形貌與底片影像完全一致，因此可以判斷此影像由根部附著物造成。核查附著物來源時發(fā)現(xiàn)背墊上附著多余物，產(chǎn)品背面也存在雜物，因此可以推斷此類附著物來源有二：其一，背墊上出現(xiàn)銹蝕起皮情況，在焊接過程中被壓入產(chǎn)品焊縫根部熱影響區(qū)，因此未被攪拌針打斷，或攪拌進焊縫內(nèi)；其二，母材轉(zhuǎn)運過程中，異物粘貼或壓入母材，在攪拌摩擦焊接過程中又被背墊擠壓，被壓縮進入焊縫根部熱影響區(qū)中。

此類缺陷一般出現(xiàn)在背墊不干凈或者焊接前清理不徹底的情況之下。此類影像一般對根部進行打磨處理即可排除，但要注意焊縫減薄量應(yīng)控制在合理范圍以內(nèi)。

2.4 析出相影像

檢測過程中發(fā)現(xiàn)圖6所示影像，該影像成團聚狀分布，亮度與母材差別明顯，且形狀不規(guī)則。

(a)(b)

圖7 焊縫剖面圖Figure 7 Weld section

核查焊接工藝后未發(fā)現(xiàn)問題。對以上兩處焊縫進行剖切和成分檢查。圖7中可以看到焊縫剖面上存在局部灰黑區(qū)域較正常區(qū)域顏色更深。能譜成分分析見表1，可以看出局部顏色較深處銅元素較正常區(qū)域多，基本為二倍關(guān)系，因此推測此為Al2Cu相富集，拉伸試驗證明Al2Cu相對攪拌摩擦焊焊縫強度無影響，因此該白色影像可不做缺陷判定。

此類影像由于鋁和銅元素熔化溫度不同導(dǎo)致，在某些區(qū)域形成銅元素富集，并無明顯規(guī)律。該類影像一般成團聚狀，形貌較自然，判別較容易，無需補焊。

3 結(jié)論

本文針對鋁合金攪拌摩擦焊焊縫中出現(xiàn)的四種典型白色影像進行深入分析研究，得出了各種影像的評定方法：

(1)攪拌針脫落物影像，影像亮度與母材反差大、形貌輪廓較清晰，需要排除后補焊處理；

(2)多余物影像，影像成大小不同無規(guī)律分散狀，需要排除后補焊處理；

(3)焊縫根部熱影響區(qū)附著物影像，影像形貌不規(guī)則，亮度變化明顯且呈現(xiàn)層疊狀，所在位置接近焊縫邊緣處于熱影響區(qū)范圍內(nèi)，需要排除處理；

(4)析出相影像，影像成團聚狀分布，亮度與母材差別明顯，且形狀不規(guī)則，此影像不屬于焊接缺陷，可不做處理。