攪拌摩擦焊的缺陷類型及其檢測(cè)技術(shù)探析

摘 要：隨著工業(yè)科技的發(fā)展，工程制造對(duì)焊接工藝提出了更高的要求，攪拌摩擦焊作為一種高質(zhì)量的焊接技術(shù)，被廣泛應(yīng)用在航空制造領(lǐng)域。但在焊接過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)孔洞、溝槽等焊接缺陷，嚴(yán)重制約著該項(xiàng)技術(shù)的推廣，文章就攪拌摩擦焊的缺陷類型和檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了深入剖析，實(shí)

1 概述

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，攪拌摩擦焊技術(shù)得到了快速發(fā)展，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮著非常重要的作用，尤其在航空制造業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)自上世紀(jì)九十年代初問(wèn)世以來(lái)，得到了世界各國(guó)相關(guān)行業(yè)的重視，不斷加大對(duì)其技術(shù)的研究力度，從而使該工藝技術(shù)得到了迅速發(fā)展，以高質(zhì)量焊接技術(shù)被迅速推廣應(yīng)用開(kāi)來(lái)。但該項(xiàng)技術(shù)在工藝參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，還是會(huì)出現(xiàn)孔洞、溝槽等等焊接缺陷。基于此，文章首先對(duì)攪拌摩擦焊工藝特點(diǎn)、應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，進(jìn)而對(duì)攪拌摩擦焊接中可能出現(xiàn)的缺陷進(jìn)行了深入研究，并對(duì)缺陷的形成原因進(jìn)行了剖析，在文章的最后對(duì)檢測(cè)缺陷的技術(shù)方法做了進(jìn)一步總結(jié)研究，以便能夠使人們對(duì)攪拌摩擦焊的缺陷類型和檢測(cè)技術(shù)有更為詳細(xì)的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也使攪拌摩擦焊技術(shù)充分發(fā)揮出其應(yīng)有的作用和價(jià)值。

2 攪拌摩擦焊技術(shù)

2.1 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊自1991年在英國(guó)焊接研究所問(wèn)世以來(lái)，以高質(zhì)量焊接效果被各工程制造企業(yè)所追捧，在近幾十年得到快速發(fā)展，成為了一種較為成熟的低熔點(diǎn)合金焊接技術(shù)。在傳統(tǒng)焊接技術(shù)中，由于焊接溫度較高，對(duì)低溫合金材料焊接時(shí)，會(huì)因材料熔化而造成熱裂縫等焊接缺陷，但在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，由于焊接溫度始終低于材料的熔點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)低溫焊接，這一焊接效果解決了低溫合金焊接的難題，在低熔點(diǎn)有色金屬焊接中，可以應(yīng)用于接頭焊接和不同焊接位置的連接。

2.2 工藝特點(diǎn)

攪拌摩擦焊技術(shù)在經(jīng)過(guò)近幾年的快速發(fā)展，工藝逐漸完善成熟，在焊接過(guò)程中，省去了傳統(tǒng)焊接中的焊條、保護(hù)氣等消耗性材料，實(shí)現(xiàn)了綠色焊接，另外在焊接效果方面，以低損傷、高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，被稱為是焊接領(lǐng)域的革命性改變。攪拌摩擦焊接與傳統(tǒng)焊接不同，傳統(tǒng)焊接是利用焊條的高溫熔化被焊接材料，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料焊接，這種傳統(tǒng)焊接工藝，因焊條溫度較高，在被焊接材料熔化冷卻過(guò)程中，容易形成熱裂縫和氣孔等焊接缺陷。攪拌摩擦焊技術(shù)是利用攪拌頭高速摩擦被焊接材料產(chǎn)生的少量熱能，軟化被焊接焊接材料的表面，在整個(gè)過(guò)程中，焊縫的溫度較低，可以有效避免傳統(tǒng)焊接缺陷的產(chǎn)生。

2.3 應(yīng)用領(lǐng)域

攪拌摩擦焊技術(shù)作為一種高質(zhì)量的材料焊接方法，具有良好的應(yīng)用前景，目前主要是應(yīng)用在航天、航空及船舶制造等高端制造領(lǐng)域。攪拌摩擦焊的最初應(yīng)用是解決鋁合金等低熔點(diǎn)材料的焊接問(wèn)題，目前在航空鋁合金焊接領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。目前航空用的新材料鋁合金Al2195擁有更高的強(qiáng)度和更小的重量，體現(xiàn)出了更好的性能，但在焊接中容易出現(xiàn)缺陷問(wèn)題，這是因?yàn)殇X合金的熔點(diǎn)較低，在高溫焊接條件下，容易出現(xiàn)熱裂縫。攪拌摩擦焊技術(shù)在焊接合金時(shí)，由于焊接溫度低于材料的熔點(diǎn)，可以有效避免因高溫造成的焊接缺陷，被廣泛應(yīng)用在鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁鋅合金等高強(qiáng)合金焊接領(lǐng)域。

3 攪拌摩擦焊存在的缺陷類型及成因

在采用攪拌磨檫型焊進(jìn)行焊接時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生孔洞、溝槽、未焊透、Z線以及飛邊等焊接缺陷。產(chǎn)生這些缺陷的主要原因在于，在焊接的過(guò)程當(dāng)中，在不同的焊縫部位，金屬材料所經(jīng)受的加熱機(jī)理過(guò)程是不相同的，由于溫度過(guò)高或者材料自身性質(zhì)產(chǎn)生的流動(dòng)性差異等等，這些因素都會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷的產(chǎn)生。如果我們將焊縫按物理深度的不同，可將其分成頂部焊縫、中部焊縫和底部焊縫，我們知道焊接過(guò)程中只有傳入底部的熱能是最少的，但是其輸出卻是最大的，因此，當(dāng)焊接工藝流程和參數(shù)或者焊接工具的尺寸選擇不合理時(shí)，焊縫的底部是最有可能出現(xiàn)焊接缺陷的。

3.1 孔洞

焊縫孔洞缺陷形成的主要原因就是焊接過(guò)程中熱量的輸入程度不夠，這使得材料達(dá)到塑性狀態(tài)的數(shù)量不足，使得材料的流動(dòng)能力沒(méi)有充分形成，因而導(dǎo)致了在焊縫內(nèi)部出現(xiàn)材料不能完全合閉的情況發(fā)生。如果使用沒(méi)有螺紋的柱形或者針形攪拌針進(jìn)行焊縫的焊接，就會(huì)更加容易出現(xiàn)空洞缺陷，這類的缺陷通常出現(xiàn)在端頭接觸側(cè)的中偏下部位及焊縫表面周圍。如果在焊縫表面周圍孔洞的方向與焊接的方向相同，在焊縫的長(zhǎng)度方向延長(zhǎng)距離較遠(yuǎn)時(shí)也被稱為隧道類型的空洞缺陷，這是攪拌磨檫焊進(jìn)行過(guò)程中出現(xiàn)的較為典型且危害最嚴(yán)重的一種缺陷。除了選擇合適的焊接工藝流程和參數(shù)能夠避免這種缺陷外，還要保證適當(dāng)?shù)膬A角，傾角一般在1.5°≤Φ≤4.5°最為適宜，除此之外，還要盡量使焊接件之間不出現(xiàn)間隙。

3.2 溝槽

溝槽這種缺陷則是由于攪拌頭在焊接材料表面機(jī)械攪拌之后沒(méi)有形成連接而產(chǎn)生的，該缺陷常常存在于前進(jìn)側(cè)的焊縫表面。產(chǎn)生這種缺陷的原因主要是因?yàn)楹附舆M(jìn)行當(dāng)中的壓力較小，以至于熱輸入嚴(yán)重缺少，使得材料塑性變形的量大為減少，進(jìn)一步使得材料的流動(dòng)性降低，造成焊接縫前進(jìn)側(cè)的材料從后退一側(cè)環(huán)繞流動(dòng)過(guò)后不能夠環(huán)流到前進(jìn)側(cè)，從而在焊縫表面周邊凝結(jié)成孔洞，當(dāng)材料的流動(dòng)性進(jìn)一步下降時(shí)，孔洞范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，最后貫穿了焊縫上表皮形成溝槽。

3.3 未焊透

未焊透這種缺陷則是攪拌摩擦焊的焊縫背面最為常見(jiàn)的情況，這是一種“裂紋形狀”的缺陷，是由于焊接過(guò)程中在焊縫的底部范圍內(nèi)沒(méi)有連接在一起或者沒(méi)有完全連接在一起而產(chǎn)生的。根本原因是采用的攪拌焊接接頭厚度大于其長(zhǎng)度，并用這樣的接頭壓入焊縫的結(jié)合面部，利用攪拌頭的端邊部位和焊縫的表面進(jìn)行摩擦產(chǎn)生的熱量進(jìn)行加熱、攪拌進(jìn)而形成連接，所以，總會(huì)存在一定范圍厚度的攪拌頭沒(méi)有被焊透。還有，焊接的壓力過(guò)小的時(shí)候容易出現(xiàn)根部沒(méi)有焊合好的情況。在這種形式的焊接過(guò)程中，如果針的長(zhǎng)度比一般的尺寸短，那么焊接過(guò)程中的焊接材料的厚度方向不能完全攪拌，加上焊接板材料對(duì)接面還有氧化物的存在，在焊接后就會(huì)有很大一部分可能在接頭的根部出現(xiàn)“裂紋形狀”的未焊透性質(zhì)的缺陷。

3.4 Z線

Z線指的是在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，在焊縫中殘留的半連續(xù)狀的焊接材料氧化物。在對(duì)金屬材料進(jìn)行攪拌摩擦焊時(shí)，如果金屬材料表面存在金屬氧化物，這些金屬氧化物會(huì)隨著攪拌頭的摩擦而變形，氧化物顆粒進(jìn)入到焊縫中，這些氧化物顆粒不同于合金焊縫處新形成的氧化物，兩者無(wú)法有效融合在一起，于是會(huì)在焊縫處形成Z型或S型線狀焊接缺陷。在攪拌摩擦焊中，為了有效避免Z線這種焊接缺陷的產(chǎn)生，一般都是在焊接前采取清洗或打磨材料表面，保持被焊接材料表面的潔凈。

3.5 飛邊

飛邊在攪拌摩擦焊中是一種較為常見(jiàn)的焊接缺陷，主要形成于焊縫表面，這與飛邊的形成原理有關(guān)。在進(jìn)行攪拌摩擦焊時(shí)，如果選擇的工藝參數(shù)不當(dāng)，尤其是攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度以及焊接壓力等主要參數(shù)選擇不當(dāng)，在焊接表面因摩擦產(chǎn)生的熱量，會(huì)使焊接材料發(fā)生熱塑性流動(dòng)，當(dāng)焊接壓力過(guò)大時(shí)，材料的熱塑性流動(dòng)增強(qiáng)，會(huì)造成部分材料被攪拌頭擠壓出去，熱塑性金屬冷卻后在焊縫兩邊形成翻卷狀金屬，這就是飛邊。避免飛邊缺陷的產(chǎn)生，重點(diǎn)是選擇好工藝參數(shù)。

4 缺陷檢測(cè)技術(shù)

4.1 目視檢測(cè)

目視檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、操作方便，是各種檢測(cè)技術(shù)中最基礎(chǔ)、最常用的方法。目視檢測(cè)可適用于飛邊、槽溝、孔洞等多種焊接缺陷的檢測(cè)，這些焊接缺陷大都是因?yàn)檫x擇工藝參數(shù)不當(dāng)造成的，如沖擊力較小或較大、攪拌頭的摩擦速度過(guò)快或過(guò)慢、攪拌頭的移動(dòng)速度偏差較大等，這些焊接缺陷在焊縫處可用目視檢測(cè)確定其有無(wú)及程度。在采用目視檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)焊縫進(jìn)行檢查前的處理工作，一般使用的處理方法是“侵蝕法”，將焊縫附近的表面區(qū)域進(jìn)行簡(jiǎn)單的機(jī)械加工，然后使用特定的化學(xué)試劑對(duì)焊縫做“侵蝕”處理，在侵蝕過(guò)程中，化學(xué)試劑可以清楚明了的顯示焊縫處的缺陷情況，專業(yè)人員可根據(jù)侵蝕工藝在焊接部位表明形成的潔凈現(xiàn)象和熱影響現(xiàn)象，對(duì)焊接缺陷做出推斷和確認(rèn)。

目視檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)條件容易實(shí)現(xiàn)，操作性強(qiáng)，對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求較低；缺點(diǎn)是目視檢測(cè)對(duì)經(jīng)驗(yàn)的要求較高，由于沒(méi)有儀器顯示確切的數(shù)據(jù)或結(jié)果，只能憑借工作人員的自身工作經(jīng)驗(yàn)去做判斷，容易引起人為因素造成的檢測(cè)誤差，所以目視檢測(cè)對(duì)檢測(cè)人員的專業(yè)性技術(shù)要求較高。此外，目視檢測(cè)的范圍僅限于被焊接材料的表面或淺層部位，對(duì)焊縫深層的缺陷情況檢測(cè)誤差較大，不建議采用此檢測(cè)技術(shù)。目視檢測(cè)在實(shí)際運(yùn)用中一般用于要求不高的檢測(cè)項(xiàng)目上，或僅作為初步參考性檢測(cè)項(xiàng)目上。

4.2 滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)可分為P135E和P6F4兩種檢測(cè)方法，這兩種滲透檢測(cè)方法可適用于單一侵蝕、雙重侵蝕或未侵蝕狀態(tài)下的焊接缺陷檢測(cè)，未侵蝕指的就是沒(méi)有經(jīng)過(guò)侵蝕工藝處理，單一侵蝕指的是用侵蝕液去除焊接材料表面0.005mm～0.010mm厚度的金屬層，而雙重侵蝕則是在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步完成0.005mm厚度的去除。使用侵蝕液的目的是為了去除焊接部位的表面金屬層，改善檢測(cè)環(huán)境，這樣可以有效提高滲透檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

使用滲透檢測(cè)技術(shù)對(duì)未做侵蝕處理的焊縫進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，雖然理論上可以用該檢測(cè)技術(shù)，但由于檢測(cè)背景條件較差導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果誤差較大，因此，在實(shí)際檢測(cè)中一般不會(huì)采用這種方法檢測(cè)未侵蝕狀態(tài)的焊接缺陷。在對(duì)單一侵蝕和雙重侵蝕狀態(tài)下，采用滲透檢測(cè)可以有效檢測(cè)出焊接處根部的未焊透缺陷，P135E和P6F4是兩種不同的滲透劑，在使用中可根據(jù)檢測(cè)要求使用相應(yīng)的滲透劑，P6F4滲透劑可以實(shí)現(xiàn)1.270mm深度的檢測(cè)，而P135E滲透劑可完成最大深度1.626mm的未焊透缺陷，使用P135E滲透劑比使用P6F4滲透劑檢測(cè)的深度更大，可以滿足更高要求的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。研究表明，去除焊縫表面的金屬層，可有效提高檢測(cè)率，但使用顯影劑并不能取得明顯效果，延長(zhǎng)滲透時(shí)間同樣無(wú)法取得明顯效果，如圖1所示。

4.3 超聲波檢測(cè)

隨著攪拌摩擦焊工藝的改進(jìn)，各國(guó)相繼發(fā)明了新式攪拌摩擦焊設(shè)備，這些新設(shè)備在完成更佳焊接工藝的同時(shí)，也對(duì)無(wú)損探傷研究提出了新的挑戰(zhàn)，新工藝中的未焊透缺陷更為隱秘，深度更大，想要完成更深程度的無(wú)損檢測(cè)，需要采用超聲波檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。未焊透缺陷作為焊接中最嚴(yán)重的缺陷，在超聲波檢測(cè)中可以檢測(cè)到焊接材料1/5厚度，在檢測(cè)深度方面有了更大的進(jìn)步，對(duì)深層的焊接裂縫有更清楚的檢測(cè)結(jié)果。經(jīng)過(guò)近幾年的改進(jìn)發(fā)展，各國(guó)相繼提出了相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)，這種檢測(cè)技術(shù)采用多個(gè)超聲波探頭，對(duì)焊縫進(jìn)行全方位掃面檢測(cè)，相控陣中的超聲波探頭可發(fā)射出包括剪形波在內(nèi)的多種探測(cè)波形，通過(guò)多角度傳感器接收探測(cè)波的掃面信號(hào)，在電子光柵上形成超聲波圖像，顯示出焊縫深處的焊接情況，采用相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料厚度1/4至1/3處焊接缺陷的檢測(cè)。

4.4 X射線檢測(cè)

X射線檢測(cè)技術(shù)是通過(guò)使用X射線照射攪拌摩擦焊的試件，將照射圖像以照片的形式體現(xiàn)出來(lái)，專業(yè)人員根據(jù)照片中提供的成像信息，判斷被焊接處的缺陷情況，該種檢測(cè)方法的優(yōu)點(diǎn)是：（1）準(zhǔn)確度高，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，采用X射線檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確度高達(dá)94%；（2）檢測(cè)深度大，由于X射線的強(qiáng)穿透性，使得該種檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)到金屬材料厚度的1/3處。

但這種檢測(cè)方法也存在著局限性：（1）無(wú)法有效檢測(cè)合金材料的焊接缺陷，這是由于在合金材料攪拌摩擦焊接過(guò)程中，合金會(huì)隨著摩擦而有形變，合金材料中兩種金屬的分配密度不均勻，X射線在不同金屬中的穿透性不同，無(wú)法獲得清晰的成像照片，給缺陷判斷工作帶來(lái)難度；（2）在攪拌摩擦焊的焊接接頭處，不同合金的混合在摩擦過(guò)程中會(huì)形成更為緊密的焊接裂縫，這給X射線檢測(cè)造成了更為嚴(yán)重的檢測(cè)困難，使得檢測(cè)難度進(jìn)一步提高。這是由于X射線檢測(cè)的特點(diǎn)，使得X射線在單金屬攪拌摩擦焊中應(yīng)用較為廣泛，在合金中應(yīng)用較為稀少。

4.5 渦流與傳導(dǎo)性檢測(cè)

渦流與傳導(dǎo)性檢測(cè)屬于新式的攪拌摩擦焊缺陷檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)處于擴(kuò)展推廣應(yīng)用階段，但在一定條件下可以取得較為理想的檢測(cè)結(jié)果，因此在某些領(lǐng)域中也有應(yīng)用。渦流與傳導(dǎo)性檢測(cè)是洛克希德·馬丁公司提出的攪拌摩擦焊缺陷檢測(cè)技術(shù)新概念，在最初研究該檢測(cè)技術(shù)時(shí)，對(duì)相同合金的焊縫只進(jìn)行了渦流檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相同合金1.65mm處的未焊透缺陷檢測(cè)，在當(dāng)時(shí)取得了較高成就。然而在后續(xù)的檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)，渦流檢測(cè)對(duì)不同合金的攪拌摩擦焊進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)不同合金的攪拌摩擦焊缺陷檢測(cè)，原因在于渦流無(wú)法區(qū)別不同合金焊接試件是否存在未焊透缺陷。在得知這一局限性后，洛克希德·馬丁公司做了進(jìn)一步的研究，在渦流檢測(cè)的基礎(chǔ)上，添加了傳導(dǎo)技術(shù)，利用渦流相應(yīng)和傳感器傳導(dǎo)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同合金的未焊透缺陷檢測(cè)，再經(jīng)過(guò)近些年的完善改進(jìn)，該技術(shù)已經(jīng)逐漸完善，在檢測(cè)技術(shù)上彌補(bǔ)了其他檢查技術(shù)的檢測(cè)空白，進(jìn)一步提高了對(duì)攪拌摩擦焊缺陷的檢測(cè)率。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用越加廣泛，對(duì)其焊縫的缺陷檢測(cè)要求也越發(fā)嚴(yán)格。在之前的國(guó)內(nèi)外研究中，大多是針對(duì)攪拌摩擦焊的焊接接頭及性能的，在焊縫缺陷的形成機(jī)理及檢測(cè)技術(shù)方面較為缺乏。因此，加強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)方面的研究，必然促進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)也會(huì)帶動(dòng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：劉波（1971-），男，遼寧盤(pán)錦人，本科學(xué)歷，講師，工程師，研究方向：焊接技術(shù)應(yīng)用。