超聲輔助等離子弧堆焊Ni60AA涂層相控陣超聲檢測和性能的研究

張 寧，劉小雯，儲 杰，石端虎，宋 威

(徐州工程學院 機電學院，江蘇 徐州 221018)

無損檢測技術(nondestructive testing,NDT)相對于常規(guī)的破壞性檢測，具有非破壞性、檢測全面性和全程性等優(yōu)點[1].因為被檢測的物體不會被損壞，可以對產(chǎn)品制造的全程包括使用階段進行實時檢測，所以無損檢測技術在現(xiàn)代化工業(yè)中得到廣泛的應用，并發(fā)揮著無可替代的作用[2].近年來相控陣超聲檢測技術快速發(fā)展，它具有穿透能力強、檢測效率高、位置標定準確、成像的靈敏度和分辨率高、圖像質量清晰、可實現(xiàn)三維成像的諸多優(yōu)勢，現(xiàn)在已成為無損檢測領域的一個研究熱點[3-4].

吳斌等[5]采用多模式相控陣超聲檢測法針對奧氏體不銹鋼小徑管焊縫進行缺陷檢測，發(fā)現(xiàn)研發(fā)的多模式復合全聚焦成像技術可以檢測出小徑管中的多種缺陷，同時較好地避免了偽像現(xiàn)象.王銳等[6]提出新型的雙晶面陣探頭的相控陣超聲檢測方法，實現(xiàn)在超聲探頭掃查空間狹小、信噪比較弱時完成核工業(yè)316L不銹鋼焊縫的缺陷檢測.Hamid等[7]采用相控陣超聲檢測技術檢測一系列水輪機轉輪T型焊接接頭，發(fā)現(xiàn)高深寬比的焊道更容易夾雜夾渣，背面氣刨工藝可能會在夾帶熔渣的地方形成微小的凹槽，因此會在焊縫/母材界面處形成夾渣.Huggett等[8]通過相控陣超聲檢測(PAUT)和X線無損檢測(NDE)技術用于攪拌摩擦焊接(FS)的鋁合金(AA)2219-T87 試樣，建立了用于發(fā)現(xiàn)具有適當尺寸公差的小缺陷的校準技術，經(jīng)過校準的 PAUT 系統(tǒng)能夠發(fā)現(xiàn)X線照相無法發(fā)現(xiàn)的小于0.2 mm的缺陷.

本試驗以等離子弧堆焊為基礎，結合超聲輔助焊接的特點，采用超聲輔助等離子弧堆焊的新工藝，在Q235鋼表面制備 Ni60AA 堆焊層，并利用相控陣超聲檢測技術對堆焊層的缺陷進行檢測，結合試驗方法分析堆焊層的微觀組織、顯微硬度和磨損特性，研究超聲波功率對焊接缺陷的影響規(guī)律.

1 試驗材料與方法

本試驗的母材為Q235鋼板，厚10 mm，為了除去鋼表面的氧化皮并預置殘余壓應力，首先采用噴丸強化的方法，形成一定厚度的強化層，有利于后續(xù)的熔覆處理[9].再用不同型號的粗細砂紙將噴丸強化后的鋼表面打磨平整，然后分別用丙酮和無水乙醇清洗表面并吹干.等離子弧堆焊用的粉末為Ni基自熔性合金粉末Ni60AA，粒度150～200目，化學成分如表1所示.

表1 Ni60AA粉末的化學成分(質量分數(shù)，%)

采用OLYMPUS Omni Scan SX相控陣超聲檢測儀對比分析4種超聲輔助工藝下堆焊試樣的焊接缺陷，通過改變掃查方式，采用PA扇形掃描、TOFD探頭掃描和直探頭線性電子掃描3種方式進行檢測，實現(xiàn)對堆焊層內(nèi)部缺陷的判定和圖像的直觀顯示，研究超聲波功率對超聲輔助等離子弧堆焊試樣缺陷的影響規(guī)律，結果見圖1.為驗證相控陣超聲檢測的測試結果，截取堆焊試件的焊縫部位，將堆焊層剖面研磨拋光，用質量分數(shù)20%的硝酸加氫氟酸酒精溶液腐蝕Ni60AA堆焊層，質量分數(shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕Q235鋼基體.采用FEI Inspect S50掃描電子顯微鏡觀察堆焊層的微觀組織和焊接缺陷，HVS-1000A顯微維氏硬度計測量堆焊層附近的顯微硬度，SFT-2M型銷盤式摩擦磨損試驗機測試堆焊層的耐磨性.

圖1 4種超聲波功率的堆焊試樣

2 試驗結果與分析

2.1 相控陣超聲檢測儀PA探頭扇形掃查檢測

在相控陣超聲波檢測時，通過調(diào)整PA探頭距焊縫中心的距離，使得扇形掃描區(qū)域完全覆蓋整個堆焊部位，當覆蓋不完全時就會影響缺陷檢測的準確性.因此使用Beam Tool 5 軟件進行檢測模擬，從而確定探頭距離堆焊層中心線的距離.首先進行焊件及堆焊層的三維建模，如圖2(a)所示.然后利用軟件模擬出探頭距離堆焊層中心線的距離，即為實際檢測時的探頭到焊縫中心線的控制距離，整個堆焊區(qū)被PA探頭扇形掃描全覆蓋，如圖2(b)所示，控制距離為20 mm，所以相控陣超聲檢測儀設置的步進偏移為20 mm.

圖2 相控陣超聲檢測儀PA探頭扇形掃描軟件模擬

選擇Olympus 5L16 A10P探頭和SA10-N55S楔塊，按照圖3所示進行安裝，且保證PA探頭前端距離焊縫中心線的距離為20 mm.

圖3 相控陣超聲檢測儀PA探頭夾持及編碼器裝置

Ni60AA堆焊層的PA探頭扇形掃查的檢測結果如圖4所示，對比不同工藝方案的試樣，無超聲波輔助時，熔覆層缺陷較多，且部分區(qū)域密集.隨著超聲波功率的增大，到300 W和550 W時，熔覆層內(nèi)的缺陷逐步減少，且很少有聚集，直到超聲功率增大到800 W時，熔覆層僅檢測到很少的缺陷.

圖4 Ni60AA堆焊層的PA探頭扇形掃查的檢測結果

結合Tomo Tiew軟件進行分析，得出4種工藝堆焊層的PA探頭扇形掃查檢測數(shù)據(jù)，如表2所示.無超聲波輔助時缺陷最多，主要為氣孔和未熔合的缺陷，而超聲功率800 W時，就沒有明顯的缺陷.可見采用相控陣超聲檢測儀PA探頭對堆焊層進行扇形掃查的檢測是可行的，檢出率很高，能直觀地呈現(xiàn)缺陷的位置、類型、形狀和尺寸.由此可知，在等離子堆焊時輔以超聲波振動，有助于減少焊接缺陷，并且隨著超聲波功率的逐步增大，堆焊層的缺陷也隨之逐漸消除，這對提高堆焊層的焊接質量具有很大的作用.

表2 4種工藝堆焊層的PA探頭扇形掃查檢測數(shù)據(jù)

2.2 相控陣超聲檢測儀TOFD探頭檢測

選擇Olympus TOFD C543-SM探頭和ST1-70L-IHS楔塊，按照圖5所示進行安裝，且安裝探頭時保證兩探頭中心距離為40 mm.

圖5 相控陣超聲檢測儀TOFD探頭夾持及編碼器裝置

Ni60AA堆焊層的TOFD探頭檢測結果如圖6所示，缺陷顯示狀況不是很明顯，但是通過對比可以發(fā)現(xiàn)，隨著超聲功率的增大，超聲檢測的條紋由密集逐漸變?yōu)橄∈?，分析缺陷顯示不明顯可能是堆焊層熔深較淺而導致的.TOFD探頭屬于一發(fā)一收雙探頭，通過Beam Tool軟件模擬時發(fā)現(xiàn)，單道堆焊焊縫熔深的深淺將影響TOFD探頭的檢測.熔深較淺時，TOFD探頭很難掃查到堆焊層和熔合線附近，這時不易檢測出缺陷；當熔深增大，熔合線能部分掃查到，但堆焊層仍較難檢測；當熔深較大時，熔合線部位可掃查完全，但堆焊層仍只能部分檢測到.這樣將會影響對堆焊層質量的判斷，分析認為可以通過對基體表面全覆蓋堆焊進行改善，提高檢測效果.

圖6 Ni60AA堆焊層的TOFD探頭檢測結果

2.3 相控陣超聲檢測儀直探頭線性檢測

選擇Olympus PA 5L 64 A12探頭和SA12-OL楔塊對堆焊層進行相控陣超聲檢測儀直探頭線性檢測，檢測結果如圖7所示.圖7(a)為Q235鋼板的直探頭線性檢測結果，B掃查圖上可以看出基體鋼板中未發(fā)現(xiàn)任何缺陷.圖7(b)為未超聲0W堆焊區(qū)域B掃查的檢測結果，圖中矩形線框處為焊接缺陷，沿陣列方向有一定長度且較為明顯，判斷為未熔合；圓形線框處的缺陷呈小的橢圓狀，判斷為氣孔或夾雜.圖7(c)為超聲300 W堆焊區(qū)域B掃查的檢測結果，圖中有3處缺陷，中間一處體積稍大，兩邊的缺陷很小，可能是小的氣孔或夾雜.圖7(d)中，超聲550 W堆焊區(qū)域中可見2處缺陷，初步判斷為未熔合、氣孔或夾雜.而當超聲波功率增大到800 W時，在圖7(e)中未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，說明焊接質量很好.從以上分析可知，直探頭線性掃查對堆焊層的檢測是可行的，檢出率很高，并且很直觀地呈現(xiàn)出缺陷的位置、類型、形狀和尺寸.另外，從各試樣缺陷出現(xiàn)的區(qū)域上不難看出，施加超聲波輔助后，隨著超聲功率的不斷增大，堆焊試樣出現(xiàn)的缺陷也由多變少，逐步消除.由此可以說明超聲波輔助等離子弧堆焊對減少焊接缺陷，提高堆焊層質量有很大作用.

圖7 Ni60AA堆焊層的直探頭線性檢測結果

2.4 堆焊Ni60AA涂層的微觀組織和顯微硬度

在堆焊Ni60AA涂層的剖面，從外層向基體沿著直線每隔0.25 mm測量一次顯微硬度，載荷4.9 N，保載時間15 s，不同超聲功率下堆焊層到基體的顯微硬度分布如圖8所示.可以看出不同超聲功率作用時，Ni60AA堆焊層的顯微硬度均明顯高于基體Q235鋼，0 W無超聲輔助作用時堆焊層的顯微硬度最低，但也達到了759 HV以上，遠高于基體母材的最高值187 HV.在堆焊層區(qū)域，顯微硬度曲線基本為先上升后下降的規(guī)律，分析認為堆焊Ni60AA涂層的最外表層焊接時溫度最高，元素燒損和揮發(fā)，軟化現(xiàn)象導致硬度有所下降.堆焊層內(nèi)部溫度有所下降，硬度恢復少量提高，接近熔合區(qū)部位受鋼基體元素擴散的影響硬度又有所下降，過渡到基體時硬度迅速降低.從無超聲、超聲300、550 直至800 W，堆焊層的平均硬度分別是鋼基體硬度的5.07、5.09、5.26和5.36倍.由此可知，超聲功率達到800 W時硬度提升最高.從圖8中可明顯看出，隨著超聲功率的增大，堆焊層、熔合區(qū)和基體的顯微硬度均逐步提高.未超聲時堆焊層的微觀組織較為粗大，增強顆粒多為大的長條狀和塊狀，且較為集中分布，而超聲800 W堆焊層的微觀組織則因超聲振動產(chǎn)生細化晶粒的效果，組織明顯細小，增強顆粒變?yōu)樾〉拈L條狀和塊狀，且分散更為均勻，這樣有助于硬度的提高[10].此外，從熔合區(qū)的微觀組織圖可看出，未超聲時結合處存在小的未熔合缺陷，而超聲800 W時則結合緊密，沒有缺陷.這與前述相控陣超聲檢測的結果相符合.

圖8 不同超聲功率下堆焊層的顯微硬度與微觀組織

2.5 堆焊Ni60AA涂層的磨損特性和磨痕形貌

采用銷盤式摩擦磨損試驗機的磨損體積測量判定堆焊Ni60AA涂層的耐磨性.對磨副為陶瓷球，施加載荷100 N，轉速500 r/min，旋轉半徑3 mm，試驗時間10 min.從圖9(a)摩擦系數(shù)圖中可知，未超聲和超聲300 W時的摩擦系數(shù)分別為0.063和0.061，相差不大；而超聲550 W時摩擦系數(shù)下降到0.052，超聲800 W時更減小到0.038.分析認為超聲輔助在等離子弧堆焊時有助于減小孔洞，細化晶粒，降低摩擦系數(shù)，提高耐磨性.從圖9(b)的磨損量可得出，隨著超聲輔助作用的增強，堆焊層的體積磨損量由0.088 mm3不斷減小到0.082、0.078、0.070 mm3，表面超聲功率的增大有助于耐磨性的提高.同時，由圖9(c)磨損表面形貌圖也可判斷出施加超聲輔助后，圓弧形的磨痕寬度由773.7 μm迅速減小到577.0 μm，之后隨著超聲作用的增強逐步減小到482.3、469.2 μm.未超聲時磨損表面撕裂嚴重，出現(xiàn)大量的犁溝，而施加超聲輔助后撕裂現(xiàn)象明顯減少，犁溝較淺，磨損情況相對較輕，表現(xiàn)出良好的耐磨性.

圖9 不同超聲功率堆焊層的耐磨性

3 結論

1)相控陣超聲檢測對堆焊層的缺陷檢測檢出率較高，比常規(guī)超聲檢測更加直觀和形象，可以較為準確地標定出焊接缺陷的位置、類型、形狀和尺寸.PA扇形掃描、直探頭線性電子掃描更有利于對單道堆焊焊縫進行檢測，而單道堆焊焊縫檢測會受到熔深的影響，因此，TOFD探頭檢測時不容易檢測出缺陷.

2)在Q235鋼的表面采用超聲輔助等離子弧堆焊的新工藝成功制備Ni60AA堆焊層，經(jīng)相控陣超聲檢測儀的PA扇形掃描、TOFD探頭掃描和直探頭線性電子掃描3種方式檢測，判定該工藝具有減少堆焊層的氣孔和未焊透等缺陷的優(yōu)點，有助于堆焊層的顯微組織改善和綜合性能的提高.

3)通過實驗方式在堆焊位置取樣，發(fā)現(xiàn)施加超聲輔助后，隨著超聲功率的增大，超聲波空化和聲流的兩大效應使得熔融的Ni60AA合金粉末和Q235鋼基體混合的更加充分和均勻，相互間擴散完全，熔池中的氣體和夾雜物更易排出，堆焊區(qū)組織更細小且分布均勻，顯微硬度和耐磨性均得到大幅提高.特別是超聲波功率增大到800 W時，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷.