攪拌摩擦焊接弱結(jié)合與未焊透缺陷的檢測(cè)對(duì)比

易冠英

（國(guó)營(yíng)四達(dá)機(jī)械制造公司，陜西 武功，712200）

0 引言

攪拌摩擦焊（FSW）作為一種固態(tài)連接的焊接技術(shù)，在航空航天、船舶、高速列車等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，如飛機(jī)機(jī)身的蒙皮結(jié)構(gòu)、高速列車車體結(jié)構(gòu)等[1]。較傳統(tǒng)焊接方法相比較，F(xiàn)SW雖然有著特殊的優(yōu)勢(shì)，但也存在著如孔洞、未焊透、弱結(jié)合、隧道等缺陷。尤其是未焊透及弱結(jié)合缺陷，缺陷尺寸較小，貼合緊密，降低了接頭的力學(xué)性能，同時(shí)也增加了檢測(cè)的難度[2]。

國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)FSW接頭的缺陷檢測(cè)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。王飛等[3]通過超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了3mm厚的薄壁鋁合金FSW焊縫的檢測(cè),并結(jié)合超聲信號(hào)分析了產(chǎn)生弱結(jié)合缺陷的原因。張麗娜等[4]采用相控陣線性和扇形掃查對(duì)2219鋁合金FSW焊縫進(jìn)行探究，對(duì)焊縫的面缺陷、體積型缺陷檢測(cè)效果良好。Bo Li等[5]使用X射線檢測(cè)、熒光滲透檢測(cè)、超聲C掃描檢測(cè)等方法對(duì)厚板2219-T6鋁合金FSW焊縫缺陷進(jìn)行了研討分析，對(duì)于孔隙較小的缺陷，超聲C掃描檢測(cè)效果較好。

本文以7N01鋁合金為研究對(duì)象，通過相控陣超聲檢測(cè)及聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，對(duì)FSW常見的弱結(jié)合及未焊透兩種面缺陷進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)的比較，為兩種缺陷的信號(hào)識(shí)別提供相應(yīng)依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)選用Sonotron NDT公司的相控陣超聲檢測(cè)儀，配用的陣列探頭參數(shù)如表1所示；聲發(fā)射檢測(cè)設(shè)備為PCI-2型兩通道。

試驗(yàn)所用材料為7N01鋁合金，對(duì)尺寸為120mm×160mm×9mm的板材進(jìn)行對(duì)接焊接，并選用分別帶有弱結(jié)合、未焊透缺陷的兩個(gè)試樣進(jìn)行超聲檢測(cè)，對(duì)比試樣采用帶有人工刻槽（深度0.4mm、寬度0.2mm）的同厚度、同材料焊縫板材，相控陣參數(shù)選擇激發(fā)16晶片，通過45°至54°橫波扇形掃查檢測(cè)；制備帶有弱結(jié)合、未焊透缺陷的拉伸試樣2個(gè)，通過聲發(fā)射檢測(cè)識(shí)別拉伸過程中兩缺陷的信號(hào)差異。

表1 相控陣探頭參數(shù)表

圖1 1號(hào)試樣未焊透缺陷超聲檢測(cè)信號(hào)圖像

圖2 2號(hào)試樣弱結(jié)合缺陷超聲檢測(cè)信號(hào)圖像

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 超聲相控陣檢測(cè)信號(hào)分析

試驗(yàn)選取的兩個(gè)試樣分別帶有弱結(jié)合、未焊透缺陷，其中1號(hào)試樣帶有未焊透缺陷，2號(hào)試樣帶有弱結(jié)合缺陷，超聲檢測(cè)的信號(hào)結(jié)果如下。

圖1為1號(hào)試樣未焊透缺陷的A掃描和B掃描信號(hào)圖像。從A掃描圖像可以看到，閘門內(nèi)信號(hào)幅值較高，達(dá)90%左右，且A掃描信號(hào)呈單束較高波峰，雜波較少；B掃描圖像為焊縫模擬截面圖像，焊縫寬度約20mm，在焊縫底部的中間區(qū)域可清晰地觀測(cè)到缺陷信號(hào)。

圖2為2號(hào)試樣弱結(jié)合缺陷的A掃描和B掃描信號(hào)圖像。弱結(jié)合缺陷的A掃描圖像信號(hào)幅值較低，并不是單束波，主波峰的幅值不足60%，且在主波峰的周圍存在幅度不高的若干回波信號(hào)；從B掃描圖像可以觀察到，該缺陷位于焊縫上部位置，信號(hào)顯示不強(qiáng)。

圖3 金相檢測(cè)圖

圖4 能量-時(shí)間關(guān)系圖

在超聲檢測(cè)缺陷信號(hào)處進(jìn)行金相剖析驗(yàn)證，1號(hào)及2號(hào)試樣所對(duì)應(yīng)的金相圖如圖3所示。1號(hào)試樣的未焊透缺陷基本垂直于底面，在攪拌頭與板厚匹配合適的情況下，可能是由于攪拌頭壓入量較小造成。而超聲波在垂直界面處會(huì)產(chǎn)生端角反射，即入射波在端角處經(jīng)過兩次反射后，形成與入射波平行的反射回波，因此，所得到的A掃描信號(hào)波形呈較高幅值的單束波，對(duì)應(yīng)的B掃描信號(hào)顯示也較強(qiáng)，說明超聲相控陣檢測(cè)對(duì)于未焊透缺陷檢測(cè)能力較強(qiáng)。2號(hào)試樣的弱結(jié)合缺陷位于焊縫的上部，位置同超聲B掃描缺陷信號(hào)相對(duì)應(yīng)，從缺陷的形狀來看，弱結(jié)合缺陷呈“S”線型，長(zhǎng)度較未焊透缺陷長(zhǎng)。由于弱結(jié)合缺陷不是平直界面，超聲波抵達(dá)缺陷界面時(shí)，受界面曲率的影響，會(huì)產(chǎn)生不同角度的反射波，因此A掃描中得到的信號(hào)中存在若干個(gè)反射回波，幅值信號(hào)也就沒有端角反射得到的高，檢測(cè)弱結(jié)合缺陷時(shí)較未焊透缺陷也就更困難。

2.2 聲發(fā)射檢測(cè)信號(hào)分析

聲發(fā)射檢測(cè)作為一種監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)缺陷變化的檢測(cè)技術(shù)，能夠通過振幅、能量、持續(xù)時(shí)間、振鈴計(jì)數(shù)等特征參數(shù)表示裂紋擴(kuò)展的聲發(fā)射特性。

圖4給出了分別帶有未焊透和弱結(jié)合缺陷試樣在拉伸過程中聲發(fā)射能量和時(shí)間的關(guān)系。帶有未焊透缺陷的試樣拉伸時(shí)間經(jīng)歷了約130s，在剛開始的彈性變形階段，近乎沒有能量信號(hào)，這是由于載荷力沒有致使未焊透缺陷擴(kuò)展，在達(dá)到近40s時(shí)，缺陷開始擴(kuò)展并釋放一定的能量，隨著位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)不斷加劇，在60s后釋放出最大的能量，當(dāng)試樣拉伸達(dá)到頸縮階段時(shí)，再次釋放一定的能量。

帶有弱結(jié)合缺陷的試樣在60s左右開始產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，但在拉伸過程弱結(jié)合缺陷所釋放的能量明顯較未焊透缺陷低，在最后的頸縮斷裂階段，釋放最大能量。

3 結(jié)論

（1）超聲相控陣檢測(cè)能夠發(fā)現(xiàn)未焊透及弱結(jié)合缺陷，并且未焊透缺陷較弱結(jié)合缺陷更容易檢出。

（2）對(duì)于垂直型的未焊透缺陷，超聲A掃描信號(hào)呈單束較高波峰，幅值較高；對(duì)于具有一定曲率的弱結(jié)合缺陷，A掃描信號(hào)主波峰較低，并存在若干不同角度的反射回波信號(hào)。

（3）在聲發(fā)射檢測(cè)過程中，帶有未焊透缺陷的試樣在頸縮斷裂前較弱結(jié)合缺陷釋放較大的能量。