鋁合金攪拌摩擦焊焊縫射線檢測(cè)白色影像評(píng)定方法

劉 昆 崔建盟 鐘國(guó)江 劉延平 薛 泉 王照禹 張利紅

(1.天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津300462；2.首都航天機(jī)械有限公司，北京100076)

鋁合金具有密度小、重量輕、比強(qiáng)度高、電導(dǎo)與熱導(dǎo)性好且具有較好的耐蝕性等特點(diǎn)[1]，廣泛應(yīng)用于航天貯箱產(chǎn)品的生產(chǎn)中。貯箱產(chǎn)品作為火箭動(dòng)力源泉的關(guān)鍵部件，其裝載承壓能力直接決定了火箭推力大小和火箭箭體的有效載荷。目前火箭貯箱主要連接技術(shù)為焊接技術(shù)，由于攪拌摩擦焊焊縫綜合性能優(yōu)于熔焊焊縫，攪拌摩擦焊技術(shù)代替熔焊技術(shù)已經(jīng)成為未來(lái)航天焊接的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，鋁合金攪拌摩擦焊焊縫主要的無(wú)損檢測(cè)方式為射線檢測(cè)和超聲相控陣檢測(cè)兩種。射線檢測(cè)由于其檢測(cè)結(jié)果顯示缺陷形貌直觀，對(duì)缺陷尺寸和性質(zhì)判斷比較容易，成為了判定焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵手段[2]。本文針對(duì)在鋁合金攪拌摩擦焊焊縫射線檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的四種典型白色影像開(kāi)展分析研究，并確定了該白色影像的評(píng)定方法，為后續(xù)檢測(cè)工作提供參考借鑒。

1 理論分析

1.1 射線檢測(cè)工藝布置

由于鋁合金攪拌摩擦焊焊縫弧度較大，可近似為平板焊縫處理，因此射線檢測(cè)時(shí)選取射線源位于焊縫一側(cè)，膠片緊貼在焊縫另一側(cè)，根據(jù)不同焊縫厚度調(diào)節(jié)射線機(jī)管電壓，保證射線能穿透焊縫，通過(guò)調(diào)節(jié)曝光量確保底片黑度和檢測(cè)靈敏度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，具體檢測(cè)方式如圖1所示。

1.2 白色影像分析

底片上出現(xiàn)白色線性影像，在確定缺陷性質(zhì)時(shí)，流程一般第一步排除偽缺陷的影響；第二步，根據(jù)影像出現(xiàn)的部位及焊接工藝過(guò)程，初步確定影像的可能性質(zhì)；第三步，根據(jù)影像的特征，同時(shí)參考其他驗(yàn)證方式，最終定性。

2 白色影像評(píng)定方法

射線檢測(cè)中產(chǎn)生白色影像的材料密度一般高于母材基體密度，因此對(duì)射線吸收率高，反應(yīng)到底片上即呈現(xiàn)白色影像，本文分別選取了以下四種常見(jiàn)典型白色影像開(kāi)展分析。

2.1 攪拌針脫落物影像

在某次檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)如圖2的白色影像，該影像亮度與母材反差大、形貌輪廓較清晰，并呈現(xiàn)上側(cè)影像邊界銳利，邊界線條整齊，存在類似機(jī)加工邊緣；下側(cè)影像邊界不規(guī)則，呈起伏狀；左右兩端影像邊界類似于撕裂物邊界，斷口平滑。

攪拌摩擦焊焊接過(guò)程是用一個(gè)圓柱體或其他形狀的攪拌針伸入工件的接縫處，通過(guò)攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化。同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行攪拌摩擦來(lái)完成焊接過(guò)程[3]。核查焊接設(shè)備和工藝后發(fā)現(xiàn)，焊接該產(chǎn)品所使用的攪拌針出現(xiàn)斷裂，其針頭在攪拌過(guò)程中無(wú)法承受母材的剪切力，針頭一側(cè)外皮脫落，殘留在攪拌摩擦焊焊縫中。

圖3 多余物影像
Figure 3 Residue image

圖4 試片X射線檢測(cè)結(jié)果
Figure 4 X-ray test results of test piece

圖5 焊縫根部熱影響區(qū)附著物
Figure 5 Attachments to heat affected zone of weld root

(a)(b)

圖6 析出相影像
Figure 6 Precipitation phase image

此類影像一般出現(xiàn)在使用攪拌針超過(guò)服役期，攪拌針設(shè)計(jì)存在缺陷，攪拌針材料不滿足要求，攪拌針選擇不當(dāng)?shù)惹闆r下。該類影像比較容易判別，但補(bǔ)焊處理時(shí)需要先將缺陷排除干凈，再進(jìn)行補(bǔ)焊，處理過(guò)程較復(fù)雜。

2.2 多余物影像

檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)圖3所示影像，該影像成不同大小分散狀分布，且長(zhǎng)度不同，但寬度基本相同，形貌輪廓邊界稍模糊，影像分散情況無(wú)規(guī)律。

核查焊接工藝后發(fā)現(xiàn)，焊接前的一道清理工序中，需要使用鋼絲刷對(duì)焊接區(qū)域表面進(jìn)行清理，而鋼絲刷所用鋼絲直徑與影像中寬度相近。檢查所用鋼絲刷發(fā)現(xiàn)鋼絲均存在不同程度的銹蝕，測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼絲銹蝕后韌性下降，在清潔實(shí)驗(yàn)試片時(shí)可見(jiàn)脫落鋼絲。將鋼絲刷中的鋼絲放置在潮濕環(huán)境中加速銹蝕生長(zhǎng)，輕輕按壓鋼絲，鋼絲即發(fā)生斷裂，斷裂后情況與底片中形貌基本一致。對(duì)其他已完成鋼絲刷清理工序的產(chǎn)品進(jìn)行檢查，多次發(fā)現(xiàn)板材縫隙中存在脫落的鋼絲，形成焊接多余物。因此判定此影像由鋼絲脫落后夾在焊接縫隙中形成的多余物造成，焊接時(shí)被攪拌針打碎，呈無(wú)規(guī)律地分布在焊縫內(nèi)。

此類缺陷一般出現(xiàn)在焊縫清理不徹底，且清理焊縫所用鋼絲刷出現(xiàn)銹蝕的情況之下。該類影像與脫落鋼絲長(zhǎng)短關(guān)系較大，判別有一定困難，補(bǔ)焊前也需要先將打斷的鋼絲排除，補(bǔ)焊工序復(fù)雜。

2.3 焊縫根部熱影響區(qū)附著物影像

在檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)如圖4影像，該影像形貌不規(guī)則，亮度變化明顯且呈現(xiàn)層疊狀，所在位置接近焊縫邊緣處于熱影響區(qū)范圍內(nèi)。

攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中，工件要?jiǎng)傂怨潭ㄔ诒硥|上，焊透邊高速旋轉(zhuǎn)，邊沿工件的接縫與工件相對(duì)運(yùn)動(dòng)。檢查產(chǎn)品表面時(shí)，發(fā)現(xiàn)焊縫根部存在如圖5的附著物，該附著物形貌與底片影像完全一致，因此可以判斷此影像由根部附著物造成。核查附著物來(lái)源時(shí)發(fā)現(xiàn)背墊上附著多余物，產(chǎn)品背面也存在雜物，因此可以推斷此類附著物來(lái)源有二：其一，背墊上出現(xiàn)銹蝕起皮情況，在焊接過(guò)程中被壓入產(chǎn)品焊縫根部熱影響區(qū)，因此未被攪拌針打斷，或攪拌進(jìn)焊縫內(nèi)；其二，母材轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中，異物粘貼或壓入母材，在攪拌摩擦焊接過(guò)程中又被背墊擠壓，被壓縮進(jìn)入焊縫根部熱影響區(qū)中。

此類缺陷一般出現(xiàn)在背墊不干凈或者焊接前清理不徹底的情況之下。此類影像一般對(duì)根部進(jìn)行打磨處理即可排除，但要注意焊縫減薄量應(yīng)控制在合理范圍以內(nèi)。

2.4 析出相影像

檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)圖6所示影像，該影像成團(tuán)聚狀分布，亮度與母材差別明顯，且形狀不規(guī)則。

(a)(b)

圖7 焊縫剖面圖Figure 7 Weld section

核查焊接工藝后未發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。對(duì)以上兩處焊縫進(jìn)行剖切和成分檢查。圖7中可以看到焊縫剖面上存在局部灰黑區(qū)域較正常區(qū)域顏色更深。能譜成分分析見(jiàn)表1，可以看出局部顏色較深處銅元素較正常區(qū)域多，基本為二倍關(guān)系，因此推測(cè)此為Al2Cu相富集，拉伸試驗(yàn)證明Al2Cu相對(duì)攪拌摩擦焊焊縫強(qiáng)度無(wú)影響，因此該白色影像可不做缺陷判定。

此類影像由于鋁和銅元素熔化溫度不同導(dǎo)致，在某些區(qū)域形成銅元素富集，并無(wú)明顯規(guī)律。該類影像一般成團(tuán)聚狀，形貌較自然，判別較容易，無(wú)需補(bǔ)焊。

3 結(jié)論

本文針對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊焊縫中出現(xiàn)的四種典型白色影像進(jìn)行深入分析研究，得出了各種影像的評(píng)定方法：

(1)攪拌針脫落物影像，影像亮度與母材反差大、形貌輪廓較清晰，需要排除后補(bǔ)焊處理；

(2)多余物影像，影像成大小不同無(wú)規(guī)律分散狀，需要排除后補(bǔ)焊處理；

(3)焊縫根部熱影響區(qū)附著物影像，影像形貌不規(guī)則，亮度變化明顯且呈現(xiàn)層疊狀，所在位置接近焊縫邊緣處于熱影響區(qū)范圍內(nèi)，需要排除處理；

(4)析出相影像，影像成團(tuán)聚狀分布，亮度與母材差別明顯，且形狀不規(guī)則，此影像不屬于焊接缺陷，可不做處理。