攪拌摩擦焊焊縫缺陷的超聲檢測靜態(tài)波形研究

孟永樂，柯黎明，楊成剛

(無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室(南昌航空大學)，南昌 330063)

0 引言

攪拌摩擦焊技術(shù)是由英國焊接研究所(TWI)于1991年發(fā)明的一種新型的固相焊接技術(shù)［1］，其接頭的疲勞性能、拉伸和彎曲性能良好;焊接時不需要消耗焊條、焊絲、焊劑及保護氣體等材料［2］。雖然該技術(shù)避免了氣孔、夾雜和凝固裂紋等多種缺陷的產(chǎn)生;但是當工藝參數(shù)選擇不當時，攪拌摩擦焊技術(shù)(FSW)焊縫中依然會有缺陷產(chǎn)生。徐蔣明等［3］采用超聲法可以檢測出深度大于2mm的未焊透缺陷和當量尺寸大于2mm包鋁層陷入和隧道型孔洞缺陷。劉松平等［4］采用射線法可以檢測出缺陷直徑大于2mm的孔洞。Kinchen等［5］采用滲透法檢測FSW未焊透時，在檢測前將表面未開口的未焊透試樣進行腐蝕，來提高未焊透缺陷的檢出率，且該方法只能檢測深度大于1.27mm以上的未焊透;采用射線法檢測FSW未焊透缺陷，結(jié)果表明射線法只能檢測出深度大于板厚30%以上的未焊透缺陷。Bird等［6］認為未焊透周圍金屬的晶粒較大，增加了超聲波的散射噪聲，當探頭的信噪比較小時，檢測時噪聲會引起雜波出現(xiàn)，所以未焊透反射的回波會淹沒在雜波中致使無法識別該類未焊透缺陷。

目前，超聲定性檢測缺陷的常用方法是波形判別法、回波相位法、頻譜分析法、超聲C掃描法和缺陷回波小波分析法等［7］。波形判別法是根據(jù)缺陷的靜態(tài)波形特征對缺陷進行判定的一種方法。其中缺陷的靜態(tài)波形是將缺陷的超聲信號的峰值與傳播時間的關(guān)系以直角坐標的形式顯示出來。通過探頭掃查到缺陷回波高度最大時所獲得。缺陷的靜態(tài)波形判別法是超聲檢測中應(yīng)用的最多的一種方法。目前，特種設(shè)備行業(yè)常用的JB/4730.3—2005標準中規(guī)定的就是超聲脈沖反射法的缺陷靜態(tài)波形判別法檢測［8］。

綜上所述可知，單晶斜探頭的2K入射聲波和一次反射聲波能夠覆蓋焊縫整個區(qū)域，不存在漏檢。它還可以避免超聲波在近場區(qū)對檢測造成的不良影響，并且2K的聲波對孔洞型缺陷和面型缺陷的檢出率較高。雙晶斜探頭具有盲區(qū)小、分辨率高以及信噪比大等優(yōu)點，對于微小缺陷的檢出效果較好。超聲法能夠檢測出FSW焊縫的內(nèi)部和外部缺陷;因此，本研究采用單晶斜探頭和雙晶斜探頭檢測FSW焊縫的包鋁、隧道型孔洞、疏松、未焊透缺陷并獲取缺陷的靜態(tài)波形，研究缺陷形態(tài)對靜態(tài)波形的影響，比較兩種探頭檢測時獲得的缺陷靜態(tài)波形的特點，并擬采用雙晶斜探頭檢測深度小于2mm的未焊透缺陷，以探索雙晶斜探頭的檢測靈敏度。

1 試驗材料及方法

試驗材料為LC9鋁合金，焊接設(shè)備為自制的攪拌摩擦焊設(shè)備，對尺寸為300mm×100mm×6mm的LC9進行焊接以制備未焊透缺陷;對尺寸為300mm×100mm×10mm的LC9進行焊接以制備包鋁層陷入、隧道型孔洞和疏松缺陷。缺陷的檢測設(shè)備為CTS－22型超聲波A型探傷儀、2.5P13×13K3單晶斜探頭和5P5×5×2K2雙晶斜探頭。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 FSW焊縫典型缺陷

圖1是FSW焊縫典型缺陷形貌?？梢姲X由兩條純鋁組成，均陷入基體中，與基體形成了宏觀結(jié)合;隧道型孔洞為單個孔洞狀，形狀復(fù)雜，體積較大;疏松為多個微小孔洞聚集狀，形狀復(fù)雜，體積較小;未焊透為裂紋狀，近似地垂直于試樣下底面。

圖1 FSW焊縫缺陷橫截面形貌Fig.1 Macro-appearance of weld cross-section with defects in FSW joints

2.2 單晶斜探頭檢測時的靜態(tài)波形研究

圖2為單晶斜探頭檢測FSW焊縫典型缺陷的靜態(tài)波形，可見包鋁層陷入的缺陷波由兩束獨立的波峰組成，兩束波峰的距離相近，波峰高度相差很大。隧道型孔洞的缺陷波由多束波峰組成，呈鋸齒狀，波寬范圍內(nèi)含有一個主峰，其他波峰的峰值相對較低。疏松的缺陷波也由多束波峰組成，但其波峰高度相近，無明顯的主峰。未焊透的缺陷波為單束波峰狀、波峰尖銳、周圍無其他波峰存在。

圖2 單晶斜探頭檢測FSW焊縫缺陷的靜態(tài)波形Fig.2 Static waveform from defects in FSW weld joint by the single-crystal angle probe detection

包鋁是覆蓋板材表面的純鋁在攪拌針的攪拌作用下，由表面向板材內(nèi)部移動，使得在焊縫內(nèi)部形成純鋁/鋁合金界面并與基體形成宏觀結(jié)合。包鋁層聲阻抗與基體相近且兩條包鋁層都會引起聲波反射，聲波在包鋁層上的反射率較低，透射率較高;因此，缺陷波由兩束波峰構(gòu)成，峰值較低，為滿屏的22%。隧道型孔洞形狀復(fù)雜，引起了聲波漫反射現(xiàn)象較強，而且隧道型孔洞的聲阻抗近似空氣，與基體相差很大，使聲波在該缺陷上反射率很大，故缺陷波為鋸齒狀波形，峰值較高，最高峰值為滿屏幕的81%。疏松由眾多的微小孔洞構(gòu)成，形狀復(fù)雜，引起的聲波透射率很大，反射率很小，聲波在疏松上發(fā)生漫反射現(xiàn)象較強;因此，缺陷波為鋸齒狀，峰值僅為滿屏幕的5%。未焊透缺陷垂直于焊縫下表面，聲波在直角處發(fā)生了端角反射現(xiàn)象，反射波與入射波相互平行，探頭接收的反射聲波較多;因此，缺陷波為單束波峰狀，峰值為97%。

2.3 雙晶斜探頭檢測時的靜態(tài)波形研究

圖3 雙晶斜探頭檢測FSW焊縫缺陷的靜態(tài)波形Fig.3 Static waveform from defects in FSW weld by the double-crystal inclined probe detection

圖3為雙晶斜探頭檢測FSW焊縫典型缺陷的靜態(tài)波形，可見雙晶探頭檢測的靜態(tài)波形形狀與單晶探頭檢測的形狀相似，但缺陷波峰值更高，如包鋁層陷入的靜態(tài)波形峰值為滿屏78%。未焊透和隧道型孔洞的靜態(tài)波形峰值超過滿屏，疏松的靜態(tài)波形峰值為滿屏25%;因此，雙晶探頭檢測靈敏度高于單晶斜探頭，但是由于靈敏度的提高，在圖3a中也會有雜波出現(xiàn)(如箭頭所示)。

2.4 檢測靈敏度比較

圖4是單晶斜探頭檢測不同深度未焊透的靜態(tài)波形。深度為2mm未焊透形成的反射面較大，探頭接收到未焊透的反射波，因此，圖4a中有未焊透的靜態(tài)波形出現(xiàn);深度為1.2mm未焊透深度很小，不能形成足夠的反射面，探頭接收不到未焊透的反射波，因此，圖4b無任何波峰出現(xiàn)。

圖4 單晶斜探頭檢測不同深度未焊透的靜態(tài)波形Fig.4 Static waveform from the incomplete penetration points in FSW weld joint by the single-crystal angle probe detection

由圖4可知，單晶斜探頭可檢測出深度大于2mm的未焊透。單晶斜探頭對深度小于1.2mm的未焊透檢測時，無缺陷靜態(tài)波形出現(xiàn)。

圖5為雙晶探頭檢測深度分別是2、1.2、1.0、0.8mm的未焊透靜態(tài)波形。圖中的 A、D、G都是焊縫飛邊引起的反射波，B、C、E、H、I是檢測時的雜波;但所有圖中均有未焊透的靜態(tài)波形出現(xiàn)，而且所有靜態(tài)波形的峰值均超過了滿屏60%，因此，雙晶斜探頭能夠檢測出深度分別是2、1.2、1.0、0.8mm 未焊透。

根據(jù)圖4和圖5的分析可知，單晶斜探頭能夠檢測出深度大于2mm的未焊透，雙晶斜探頭能夠檢測出深度大于0.8mm的未焊透;因此，雙晶斜探頭的檢測靈敏度要高于單晶斜探頭。

圖5 雙晶斜探頭檢測不同深度未焊透的靜態(tài)波形Fig.5 Static waveform from the incomplete penetration detects in FSW weld joint by the double-crystal angle probe detection

3 結(jié)論

1)包鋁的靜態(tài)波形為兩束波峰狀，兩束波峰高度不同;隧道型孔洞的靜態(tài)波形為多束聚集的波峰狀，各波峰高度不同，且高度均較高;疏松靜態(tài)波形呈現(xiàn)為多束聚集波峰狀，各波峰高度不同，且高度均較低;未焊透的靜態(tài)波形為單束波峰狀，波峰高度較高;因此，根據(jù)缺陷的靜態(tài)波形能夠區(qū)分FSW焊縫缺陷。

2)雙晶斜探頭的檢測靈敏度高于單晶斜探頭，單晶斜探頭能夠檢測出深度大于2mm的未焊透缺陷，而雙晶探頭能夠檢測出深度大于0.8mm的未焊透缺陷。

［1］Ma Z Y.Friction stir processing technology:A Review［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2008，39(3):642－658.

［2］王大勇，馮吉才，王攀峰，等.攪拌摩擦焊用攪拌頭研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.焊接，2004，(6):6－10.

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［8］全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格考核委員會.超聲波探傷［M］.北京:中國鍋爐壓力容器安全雜質(zhì)社，1995:165－166.