張香然 翟 烜 蔡彥強 白立江

(中車唐山機車車輛有限公司 河北 唐山 063035)

隨著對高速動車安全性、舒適性、美觀性要求的提高，新型的加工工藝也逐漸應用到了動車的設計制造中。攪拌摩擦焊作為新型的鋁合金焊接技術，具有對被焊材料損傷小、焊接變形低、焊接強度高和綠色制造等優(yōu)點，在高速動車組鋁合金車體焊接中逐步得到應用，它是利用高速旋轉的攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑性化，當攪拌頭沿著焊接界面向前移動時，被塑性化的材料在攪拌頭的轉動摩擦力作用下由前部流向后部，并在攪拌頭的擠壓下形成致密的固相焊縫。作為一種新型的固相連接技術，能夠避免傳統(tǒng)熔化焊造成的冶金缺陷，但由于焊接時攪拌頭移動速度、旋轉速度及壓力等工藝參數(shù)影響，也會出現(xiàn)內(nèi)部焊接缺陷。

攪拌摩擦焊的板厚度在3～80 mm區(qū)間，為了車體的輕量化，部分采用薄板焊接；但為了增加強度，薄板大多數(shù)采用型材(見圖1)。結合受力分析，部分攪拌摩擦焊焊縫需要進行內(nèi)部檢測。厚板可以用常規(guī)超聲進行檢測，但對于薄板型材的攪拌摩擦焊焊縫，不能進行常規(guī)超聲和射線檢測。本文針對這種薄板型材焊縫，制定出可行的檢測方法，實現(xiàn)對其內(nèi)部檢測。

圖1 薄板型材攪拌摩擦焊焊縫

1 薄板型材的焊縫缺陷

攪拌摩擦焊的內(nèi)部缺陷與熔化焊的常見缺陷不同，主要內(nèi)部缺陷有4種。在焊接過程中，焊縫金屬經(jīng)攪拌后雖發(fā)生緊密接觸，但未形成有效連接的缺陷為弱結合缺陷；由焊縫中一個個空洞連接而成，外形像蟲子的一種缺陷為隧道缺陷，也叫蟲形空洞缺陷；沿攪拌頭旋轉方向，在對接面附近形成的一條若隱若現(xiàn)的雜質沉積帶為結合面氧化物缺陷；攪拌摩擦焊過程中，焊縫根部未形成有效連接而發(fā)生的缺陷，稱為未焊透。任一缺陷的存在都將影響焊縫強度，所以標準中對每種缺陷的存在都有限制?？梢姡瑪嚢枘Σ梁竷?nèi)部缺陷除未焊透外，其他3種和傳統(tǒng)熔化焊常見的裂紋、未熔合、氣孔、夾渣有很大區(qū)別。

圖1為動車組車體用薄板型材的主要形式，圖1(a)中兩條紅線之間為攪拌摩擦焊焊縫，兩面對稱，焊接薄板的厚度為3 mm，焊縫將近20 mm，兩邊分布加強筋，加強筋的距離大約為28 mm。

2 確定檢測方法

2.1 射線檢測

從結構上分析，型材狀態(tài)下攪拌摩擦焊焊縫上下對稱分布，如果射線檢測垂直透照雙臂雙影時兩條焊縫完全重合，不能辨別缺陷具體位于哪條焊縫，所以行不通；由于加強筋距離焊縫較近，傾斜透照雙臂單影也不可行。

2.2 常規(guī)超聲檢測

如果使用常規(guī)超聲的橫波檢測，要檢測全部焊縫及熱影響區(qū)，通常需要2KT+探頭后沿(大概20 mm)的探頭掃查范圍，因為板厚較薄，導致探頭K值較大，這就導致需要更大的掃查空間，共算下來焊縫邊緣向兩側延伸至少35 mm才有可能檢測全部的焊縫，從圖1可以看出檢測焊縫下面兩側加強筋的存在，掃查空間顯然不夠；雖然焊縫表面是磨平的，但如果在焊縫上面掃查，不管斜探頭還是直探頭，都存在近表面盲區(qū)(一般認為盲區(qū)為6 mm)，整條焊縫全在盲區(qū)之內(nèi)，可見超聲檢測也行不通。

2.3 相控陣超聲檢測

相控陣超聲檢測技術是利用延遲電路的電子技術來控制相控陣探頭合成，以實現(xiàn)超聲波發(fā)射、接收的方法。相控陣探頭有多個小晶片，其每一個晶片被獨立激發(fā)，根據(jù)各晶片相對于被檢目標的不同聲程施加不同的延遲時間，以實現(xiàn)聲束的角度和聚焦點的變化。這不僅可以提高檢測靈敏度，又可以提高檢測信噪比，使缺陷信號識別更加容易。

相控陣聲束掃描模式主要有電子線性掃描(E掃描)、扇形掃描(S掃描)、電子動態(tài)聚焦3種，電子線性掃描通過多路技術以相同的聚焦法則，沿陣列探頭長度方向進行平移掃描；扇形掃描(S掃描)通過探頭的波束偏轉來控制，晶片激發(fā)的時間不同，從而產(chǎn)生不同角度的波束偏轉；電子動態(tài)聚焦通過電子焦距長度調(diào)整，可以使同一個探頭在聲束軸線上的不同深度實現(xiàn)波束聚焦[1]。相控陣檢測還有很多優(yōu)點，如：能夠分別控制并形成幾個不同的虛擬探頭(VPA)，而且一個虛擬探頭可以設定一定的角度范圍，從而發(fā)現(xiàn)不同方向的缺陷；探頭在安裝楔塊之后對表面檢測幾乎不存在盲區(qū)等等。基于相控陣這些優(yōu)點，決定采用相控陣超聲檢測系統(tǒng)薄板型材焊縫進行檢測。

3 檢測方案的制定

3.1 掃查類型

由于線性掃描以相同的時間延遲規(guī)律施加在相控陣探頭中的不同晶片組使聲束在同一軸線上，每組激發(fā)晶片產(chǎn)生某一特定的聲束角度，通過改變起始激發(fā)晶片的位置，使該聲束沿晶片陣列方向前后移動，以實現(xiàn)類似常規(guī)手動超聲波檢測探頭前后移動的檢測效果(見圖2)。圖1所示上下同樣寬度且比較薄的焊縫結構，選擇線性掃描方式比較適合。只需把探頭放在固定位置，聲束即可全部覆蓋攪拌摩擦焊焊縫及熱影響區(qū)，無須前后移動探頭掃查。掃查工具使用公司現(xiàn)有的奧林巴斯OmniScan MX2型相控陣探傷儀。

3.2 確定參數(shù)

從圖2可以看出，使用線性掃查，需要確定的參數(shù)有：探頭型號、探頭角度、起始陣元及陣元數(shù)、步進偏置、楔塊型號等。由于板厚僅為3 mm，允許存在的最大缺陷為0.6 mm，需要選擇頻率較高的5 MHz的探頭；大多數(shù)相控陣探頭的晶片數(shù)在16～128之間，晶片數(shù)量多，聚焦及聲束偏轉能力強，同時聲束覆蓋面積大。但是晶片數(shù)多的相控陣探頭價格昂貴，通過對比、工藝試驗研究，模擬覆蓋范圍，選定了64晶片的探頭，檢測時使用全部晶片，16晶片為1組，共19組。最后確定了和探傷儀匹配的探頭型號為：5L64A12；楔塊型號：SA12N55S；掃查角度：45°；步進偏移：31 mm，如圖3所示。

圖2 相控陣線性掃查

圖3 檢測參數(shù)

3.3 調(diào)整靈敏度

由于鐵路行業(yè)沒有專門的靈敏度調(diào)整標準，所以參考QJ 20045《鋁合金攪拌摩擦焊超聲相控陣檢測方法》并結合實際情況，采用不同深度且直徑為1 mm的橫孔做TCG曲線，Φ1-3 dB作為基準靈敏度，Φ1-9 dB為掃查靈敏度。TCG曲線是在探傷儀上DAC曲線的不同顯示，DAC是一條距離幅度曲線，同一當量的缺陷隨著深度的增大，受信號衰減、聲束擴散以及其他因素的影響，其回波幅度呈指數(shù)下降趨勢，因此把不同深度、同一當量的人工缺陷的反射回波幅度連成的曲線即是DAC曲線；而用這條DAC曲線沿深度方向的下降趨勢對不同深度的反射回波幅度進行補償，這時探傷儀在TCG模式下工作，將所有的深度補償值連成一條曲線，即TCG曲線。

4 驗證方案

用以上方案對編號為7645的試件進行相控陣檢測，箭頭部位的掃查圖中分別出現(xiàn)了如圖4(b)白框中的點狀顯示,后對試件進行切割，用射線對有顯示的部位進行檢測，雖然射線檢測顯示不是特別突出，但在同樣位置也出現(xiàn)了如圖4(c)的顯示，白圈內(nèi)某一點的黑度大于其他地方的黑度，表明存在孔類的缺陷。將點狀顯示位置進行取樣，經(jīng)打磨拋光后在顯微鏡下觀察，可以發(fā)現(xiàn)如圖4(d)的缺陷形貌?？梢宰C明，相控陣發(fā)現(xiàn)缺陷的位置存在系列的空洞焊接缺陷。

圖4 7645試件的系列顯示

隨后，在對編號為7646的試件進行相控陣掃查時，也發(fā)現(xiàn)了線狀的缺陷顯示，如圖5(b)所示，對此試件切割后進行射線檢測，底片顯示如圖5(c)所示，在圖中的白圈中隱約可以看到缺陷顯示；同樣，對顯示部位切割取樣，打磨拋光后在顯微鏡下觀察，可以看到較長的缺陷形貌。

圖5 7646試件的系列顯示

通過相控陣掃查、射線檢測及顯微鏡下觀察的方法驗證，可以證明用相控陣超聲檢測的方案可行，后續(xù)開展攪拌摩擦焊焊縫實物件的檢測，在初期檢測的258條焊縫中，不合格焊縫13條，不合格率高達5%，后經(jīng)過對焊接工藝的改善，不合格率有所降低。

5 結束語

因為攪拌摩擦焊焊縫長而且數(shù)量也將日益增多，手工相控陣檢測的效率已經(jīng)難以滿足生產(chǎn)的需要，后期將研究高效的檢測工裝，或將實現(xiàn)自動化檢測，提高攪拌摩擦焊焊縫的檢測效率。