陸雷俊, 吉莉紅, 閔少松, 滑 林

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.海軍工程大學 艦船與海洋學院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

超聲波檢測(Ultrasonic Testing，UT)技術作為四大常規(guī)無損檢測技術之一，在工業(yè)和國防等質量監(jiān)控領域發(fā)揮著重要作用。近年來，隨著相控陣超聲波和時差衍射法超聲波等超聲波新技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的超聲波方法開始向可視化、可記錄、數(shù)字化和智能化逐步發(fā)展，結合計算機技術和人工智能等技術的智能UT技術預計將會到來。傳統(tǒng)的UT廣泛用于碳鋼和低合金鋼等聲速均勻的材料及其焊縫檢測，鋁合金與常規(guī)鋼材的聲學特性存在差異，其焊縫的缺陷特征與常規(guī)鋼材焊縫的缺陷特征存在不同。開展鋁合金焊縫相控陣超聲波檢測(Phased Array Ultrasonic Testing，PAUT)技術應用討論，有利于提高PAUT技術檢測鋁合金焊縫的質量可靠性，推動相關標準體系建立，并結合超聲波新技術發(fā)展，促進PAUT技術在更多的工業(yè)領域開展應用。

1 PAUT工作原理

UT主要采用頻率高于20 kHz的機械波在介質中傳播，利用其發(fā)射、衍射和透射等聲學特征，檢測介質中的缺陷存在情況。PAUT技術在計算機技術和先進超聲波技術優(yōu)勢結合下發(fā)展成熟，與傳統(tǒng)UT相比，PAUT在換能器和數(shù)字化圖形處理與顯示方面具有明顯的技術進步。

PAUT的換能器由若干獨立收發(fā)的晶片按一定順序排列組成，每個晶片稱為陣元，PAUT技術核心在于每個陣元的發(fā)射與接收相位調節(jié)。在相控陣陣元發(fā)射時，各陣元被同一頻率的脈沖信號激發(fā)，在電子系統(tǒng)控制下按一定的延時法則發(fā)射超聲波，不同陣元發(fā)射的超聲波具有不同的相位，在介質空間中疊加和干涉，形成不同的波陣面(合成聲束)，實現(xiàn)聲束偏轉和聚焦；在接收時，在各陣元接收超聲波回波后，依據(jù)回波時間差，儀器對回波信號進行補償計算，合成相關信號，最終按一定的顯示方式進行呈現(xiàn)，實現(xiàn)PAUT的數(shù)字化和可視化。

傳統(tǒng)UT的顯示方式為振幅掃描(Amplitude Scan，A掃)視圖顯示，一般橫坐標為傳播時間，縱坐標為波幅高度的平面顯示。除A掃外，PAUT可實現(xiàn)扇形掃描(Sector Scan，S掃)、亮度掃描(Brightness Scan，B掃)、動態(tài)深度掃描(Dynamic Depth Scan，D掃)和恒定深度掃描(Constant Depth Scan，C掃)等視圖顯示。PAUT視圖顯示如圖1所示。

圖1 PAUT視圖顯示示例

2 鋁合金材料和鋁合金焊接

工業(yè)用鋁合金材料主要分變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類[1]。變形鋁合金牌號是以1～8為開頭的4位編碼，1開頭牌號為純鋁材料。鑄造鋁合金牌號以ZL為開頭，分別以元素含量(質量分數(shù))不同和工藝不同進行分類。

鋁和鋁合金焊接方法分為攪拌摩擦焊、氬弧焊、手工電弧焊、電阻焊、激光焊、激光-電弧復合焊和電子束焊等。鋁和鋁合金對各種焊接方法的適應性不同，各種焊接方法具有各自的應用場合。

鋁合金具有質量輕、比強度高、耐腐蝕性能好、無磁性、成型性好和低溫性能好等特點，廣泛用于各種焊接結構產品，采用鋁合金代替鋼板材料焊接，結構質量可減輕50%以上。但鋁和鋁合金焊縫容易出現(xiàn)氣孔、難熔氧化膜、熱裂紋和接頭軟化等缺陷，同種鋁合金接頭檢測截面的聲速和衰減變化較大[2]，加上不同牌號鋁合金材料金相組織差別較大，會形成UT的聲速和衰減等變化，導致在鋁合金焊縫UT實際應用中，對缺陷的有效發(fā)現(xiàn)并合理顯示一直是難點。PAUT利用超聲波聲束聚焦和多角度等技術優(yōu)勢，結合多視圖顯示，在鋁合金焊縫PAUT中可部分識別聲速誤差和衰減影響，提高缺陷檢測率，提升鋁合金焊縫質量無損檢測的可靠性。

3 鋁合金焊縫PAUT研究

3.1 鋁合金攪拌摩擦焊焊縫和鋁合金氣體保護焊焊縫

鋁合金材料硬度小，打磨平整困難；鋁合金焊縫在成型過程中熔池流動性大，形成的焊縫寬度較大。針對UT可達性而言，鋁合金焊縫分為兩類：無余高焊縫(攪拌摩擦焊等)和帶余高焊縫(氣體保護焊等)。

攪拌摩擦焊焊縫典型結構為無余高。在進行PAUT時，焊縫與母材齊平，可采用平行與非平行方式在焊縫和母材區(qū)域自由掃查，輕松實現(xiàn)檢測區(qū)域100%覆蓋下的多角度掃查，并可采用水浸和接觸等方式進行檢測，如圖2所示。

圖2 攪拌摩擦焊焊縫PAUT掃查示例

氣體保護焊焊縫典型結構為帶余高。由于焊縫余高存在，因此一般僅可在焊縫兩側開展斜入射平行掃查或斜平行掃查，如圖3所示。

圖3 氣體保護焊焊縫PAUT掃查示例

3.2 鋁合金攪拌摩擦焊焊縫PAUT

隨著國內工業(yè)的飛速發(fā)展，鋁合金結構應用越來廣泛，鋁合金攪拌摩擦焊焊縫具有可適應較薄構件、質量控制穩(wěn)定和表面平整一次成型等特點，其高可靠和高精度的內部質量檢測要求推動PAUT技術的研究和應用。

3.2.1 缺陷顯示特征

鋁合金攪拌摩擦焊焊縫PAUT缺陷顯示特征試驗和研究是提高檢測率、降低誤檢率的有效手段，國內相關大學、行業(yè)研究和累積較多，大多針對隧道狀孔洞缺陷、未焊透和疏松等常規(guī)缺陷開展，建立相關的規(guī)律總結和技術基礎，為現(xiàn)場應用提供強力的支撐。

余亮等[3]針對不同厚度的鋁合金攪拌摩擦焊焊縫，采用5L64探頭，開展檢測靈敏度和缺陷回波信號特征等研究。結果表明：對于深度小于25.0 mm、直徑為1.0 mm的橫通孔，測量誤差較小，測量深度和實際深度誤差小于3%，可對橫通孔缺陷進行精準定位；實物孔洞缺陷回波顯示為單一尖銳波峰，峰值較高；包鋁和疏松缺陷呈現(xiàn)多束聚焦的波峰，波峰高度隨缺陷分布有所差異。

胡博文等[4]針對8.0 mm厚的2A14鋁合金攪拌摩擦焊焊縫的不同形態(tài)未焊透和隧道狀孔洞缺陷，制備缺陷試塊開展鋁合金攪拌摩擦焊缺陷PAUT及其圖像特征識別研究。觀察缺陷界面形態(tài)對檢測的影響，結合S掃模式的檢測圖像、信號和檢測圖像的紋理分析，對不同界面形態(tài)的缺陷進行辨別。結果表明：取向雜亂的隧道狀孔洞界面A掃為一個主峰和多個次峰；穩(wěn)定型隧道狀孔洞界面容易產生衍射，S掃為同一水平位置的3個色帶，通過色帶的位置可區(qū)分隧道狀孔洞和未焊透；平直未焊透界面信號強度與聲束和界面垂直程度呈反比；彎曲未焊透界面信號強度與曲率呈反比，在下部平直位置急劇升高，上部取向角由銳角向鈍角轉變部位的聲束分為兩個方向反射，信號急劇降低。

戴忠晨等[5]采用10L32探頭，以直接接觸方式開展6005A鋁合金搭接焊縫PAUT，提出一套適用于PAUT圖像處理和特征識別的方法，采用濾波二值化和Canny算子圖像邊緣檢測技術，測量缺陷的等效長度、寬度和面積，并對焊接缺陷進行定量分析。

翟烜等[6]針對復興號動車組小于5.0 mm厚的鋁合金攪拌摩擦焊，采用改變聚焦等設置方法，對隧道狀孔洞缺陷和弱結合缺陷的PAUT成像特點進行分析研究。結果表明：采用3.0 mm聚焦深度的線掃方式，以一次波為主評定，可檢測隧道狀孔洞等體積型缺陷；觀察缺陷信號位置，采用橫波線掃描弱結合二次波信號的綜合評定方法，開展弱結合缺陷檢測識別效果較好；精準控制焊縫中心矩，對焊縫飛邊等外觀結構固定位置信號進行有效識別。

3.2.2 檢測工藝

為提升鋁合金攪拌摩擦焊PAUT在實際應用中的檢測可靠性，國內多行業(yè)開展相關檢測工藝迭代試驗研究，主要針對具體應用對象開展檢測工藝參數(shù)優(yōu)化，解決大部分的現(xiàn)場實際問題，為檢測標準的建立、規(guī)范和優(yōu)化提供較多的技術基礎。

王飛等[7]針對某薄壁結構件3.0 mm厚的7055鋁合金攪拌摩擦焊鎖底焊縫，開展PAUT工藝試驗，采用內置30°楔塊相控陣探頭，迭代相關檢測工藝參數(shù)，解決該結構件裝機條件下的空間狹小和厚度薄等復雜架構檢測難點，結合缺陷圖像特征和焊接工藝對隧道狀孔洞和疏松缺陷成因進行分析，為質量控制和改進提供參考。

張亞榮等[8]針對1.8～5.0 mm厚的薄規(guī)格鋁合金板材對接攪拌摩擦焊焊縫裂紋和隧道狀孔洞缺陷，采用設計試塊和優(yōu)化PAUT工藝方式，在焊縫平整的條件下開展PAUT信噪比和檢測效果等技術研究，并與X射線的檢測結果進行對比，得到檢測頻率和偏轉角度等工藝參數(shù)，并證明PAUT與射線檢測(Radiography Testing，RT)的等效性。

楊書勤等[9]針對小于6.0 mm厚的7050-T7451攪拌摩擦焊焊縫，采用5L64探頭，設計自動掃查裝置和1.8～5.0 mm厚的斜臺板試塊，試驗確定PAUT探頭參數(shù)、楔塊、掃描角度、掃描方式和顯示方式，對6.0 mm以下斜臺板攪拌摩擦焊焊縫開展PAUT，取得良好檢測效果。

3.3 鋁合金氣體保護焊焊縫PAUT

與攪拌摩擦焊相比，鋁合金氣體保護焊焊縫具有不規(guī)則表面，導致PAUT探頭只能在焊縫兩側開展斜入射掃查，而不能直接在焊縫上開展平行掃查，檢測難度相對較高。該類焊縫的內部質量高可靠性檢測的需求明顯存在和迫切。國內相關行業(yè)針對該類焊縫的應用研究處在試驗和對比階段，取得一些進展，但基于無檢測標準和客戶無強制要求等現(xiàn)實情況，大規(guī)模應用沒有開展。

李來平等[10]針對6.0 mm厚的2219鋁合金氬弧焊焊縫，采用5L64探頭，以焊縫兩側掃查方式試驗設計聚焦深度等工藝參數(shù)，對氣孔和裂紋等實物缺陷開展鋁合金焊縫缺陷深度定位開展PAUT試驗研究，并與缺陷微觀測量和宏觀測量結果進行對比，證實相關的有效性和精度。

李小欣等[11]針對10.0 mm厚和16.0 mm厚的5052殼體鋁合金氣體保護焊焊縫，設計相關自然缺陷試塊，迭代研究PAUT探頭參數(shù)選擇和楔塊等工藝參數(shù)，以焊縫兩側掃查方式開展缺陷檢測和定位誤差等試驗研究。結果表明：10.0 mm厚的焊縫缺陷采用自聚焦探頭，16.0 mm厚的焊縫缺陷采用常規(guī)5L32探頭，分別具有較好的檢測效果和定位精度，可用于氣體絕緣金屬封閉式組合電器(Gas-Insulated Metal-Enclosed Switchgear，GIS)和氣體絕緣金屬封閉式輸電線路(Gas-Insulated Metal-Enclosed Transmission Line，GIL)等設備焊接外殼的PAUT，以提高檢測效率、降低射線帶來的輻射危害。

黃軍等[12]針對鋁合金天然氣儲罐氣體保護焊焊縫，采用5L32探頭，設計制作對比試塊和焊縫試塊，以焊縫兩側掃查方式開展PAUT，并與RT、常規(guī)UT和現(xiàn)場實物分解結果進行對比，得出PAUT與RT和UT結果一致的結論。

戰(zhàn)麗麗[13]針對某項目GIL螺旋管焊縫，采用5L64探頭，以充水耦合方式設計專用工裝，對18 m標長制作管段10.0 mm厚的焊縫開展PAUT，達到安全、準確和高效的檢測效果，為組織制定PAUT缺陷判定標準提供相關技術基礎。

羅宏建等[14]針對GIS角焊縫檢測需求提出一種PAUT方法，采用CIVA仿真軟件，開展全覆蓋和典型缺陷等仿真研究，并在8.0 mm壁厚的焊縫中設計人工缺陷，迭代優(yōu)化相關PAUT工藝，開展實物試驗驗證，確定GIS角焊縫質量的有效管控。

4 鋁合金焊縫PAUT標準制定

國內建立的鋁合金焊縫PAUT技術標準主要針對攪拌摩擦焊，基于焊縫平整的實際情況，一般采用在焊縫上平行檢測，采用接觸法和水浸耦合方式，相關應用規(guī)模較大，技術成熟度較高。氣體保護焊鋁合金焊縫PAUT技術的大規(guī)模應用鮮見于相關報道，該類鋁合金焊縫PAUT技術標準在國內未見發(fā)布使用。

國內鋁合金母材、鑄件和鍛件常規(guī)UT標準主要為《變形鋁、鎂合金產品超聲波檢驗方法》(GB/T 6519—2013)和《變形鋁合金鑄錠超聲檢測方法》(YS/T 1188—2017)等，國內鋁合金焊縫UT技術標準主要為《鋁和鋁合金制及鈦承壓設備對接接頭超聲檢測方法和質量分級》(NB/T 47013.3—2015)附錄H等，適用于大于或等于8.0～80.0 mm厚的焊接接頭UT。

鋁合金攪拌摩擦焊最初被航天領域規(guī)模成熟應用。為提高攪拌摩擦焊焊縫質量控制可靠性，國家國防科技工業(yè)局[15]于2011年發(fā)布《鋁合金攪拌摩擦焊超聲相控陣檢測方法》(QJ 20045—2011)，該標準規(guī)定采用PAUT技術檢測鋁合金攪拌摩擦焊的檢測要求和檢測結果分級，適用于3.0～15.0 mm厚的鋁合金攪拌摩擦焊對接接頭的檢測與評定，并規(guī)定其他結構形式和其他厚度的接頭檢測與評定可參照執(zhí)行。該標準主要針對國防航天領域逐漸大規(guī)模使用的鋁合金攪拌摩擦焊焊縫質量高精度和高可靠性檢測，提出PAUT具體人員、設備、試塊和方法等要求，采用直徑為1.0 mm的橫通孔作為標準反射體，并推薦相關PAUT工藝參數(shù)，并在附錄中推薦基于箭體貯箱結構對接接頭的分級。該標準在國內開始對鋁合金焊縫PAUT方法的規(guī)范使用提出要求，在國防領域被廣泛使用，并在高鐵和材料工業(yè)等領域借鑒使用。

近年來，隨著國內有色金屬工業(yè)的發(fā)展，鋁合金使用場合越來越廣泛，攪拌摩擦焊焊縫質量的PAUT技術應用越來越被重視。

中車集團于2019年發(fā)布《攪拌摩擦焊焊縫相控陣超聲檢測》(Q/CRRCJ 47.8—2019)[6]，檢測厚度下限定為3.0 mm。

中國焊接協(xié)會[16]于2021年發(fā)布《鋁合金攪拌摩擦焊體積型缺陷相控陣超聲檢測規(guī)范》(T/CWAN 0033—2021)，規(guī)定采用PAUT技術檢測鋁合金攪拌摩擦焊接頭體積型缺陷的檢測要求和檢測結果分級，適用于1.5～10.0 mm厚的鋁合金攪拌摩擦焊接頭的PAUT與評定，并規(guī)定其他接頭形式和其他厚度的接頭檢測與評定可參照執(zhí)行。該標準提出的PAUT方法和分級可用于工業(yè)領域眾多行業(yè)，具體提出人員、設備、試塊和方法等要求，采用直徑為0.5 mm的橫通孔作為標準反射體，并推薦相關PAUT工藝參數(shù)。該標準正在被工業(yè)領域眾多行業(yè)參照使用。

5 結 語

鋁合金焊縫PAUT技術在國內得到越來越廣泛的應用。相關文獻表明，國內鋁合金攪拌摩擦焊一般采用單線陣探頭檢測技術，雙線陣、雙面陣、動態(tài)聚焦和全聚焦等技術未能開展研究和使用，有待進一步拓展。

攪拌摩擦焊焊縫表面平整，可采用焊縫表面平行與非平行掃查方式開展的接觸式和充水式PAUT技術，技術成熟度較高，可進行全體積和多角度檢測，在最大程度上發(fā)揮PAUT技術的優(yōu)勢，結合各行業(yè)的缺陷特征與工藝優(yōu)化研究，在國內各行業(yè)形成大規(guī)模應用趨勢。相關行業(yè)和企業(yè)標準的建立與使用，對鋁合金攪拌摩擦焊PAUT工藝參數(shù)和驗收分級起到規(guī)范和引領作用，滿足鋁合金攪拌摩擦焊焊縫和熱影響區(qū)的質量可靠性檢測需求，應用成熟度較高。

對于鋁合金氣體保護焊焊縫而言，由于存在表面不平整不能進行表面平行掃查和壁厚較薄、焊縫較寬、相控陣專用探頭設計等實際問題，因此其PAUT技術的研究和應用在國內進展較為緩慢，行業(yè)和集團(公司)的PAUT標準未見發(fā)布，且在鋁合金氣體保護焊焊縫PAUT技術研究和應用實例中未見大規(guī)模應用報道。但該類焊縫PAUT技術應用需求在壓力設備和電器設備等行業(yè)中陸續(xù)顯現(xiàn)。隨著數(shù)字化和智能化檢測需求的提升，作為先進數(shù)字化檢測技術手段之一的鋁合金氣體保護焊焊縫PAUT技術，會越來越得到重視，相關的技術和工藝迭代優(yōu)化研究會明顯增加，最終將形成相關的PAUT技術基礎，滿足各行業(yè)多類別鋁合金焊縫質量監(jiān)控提升需求。