攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding,FSW）是20世紀90年代英國焊接研究所（TWI）發明的先進固態焊接技術。相對于傳統熔化焊,攪拌摩擦焊具有以下優勢：① 焊接過程中材料不發生熔化,從而避免產生傳統熔化焊中常見的氣孔、凝固裂紋等缺陷；② 熱輸入量較低,焊后殘余應力小、變形較小；③ 焊接過程不需要填充金屬,不需要保護氣體,沒有弧光、煙塵產生,是一種綠色、環保的焊接方法。攪拌摩擦焊特別適用于鋁、鎂等輕金屬材料及異種材料的焊接,目前已在航空航天、船舶、汽車、軌道交通等領域得到了廣泛應用[1-3]。雖然攪拌摩擦焊在多個方面優于傳統熔化焊,但受自身技術特點及工藝參數選擇的影響,仍會產生飛邊、表面溝槽、隧道孔、未焊透、弱結合、夾雜、疏松等表面與內部缺陷。對于攪拌摩擦焊焊縫缺陷的無損檢測,目前主要采用目視檢測、射線檢測、超聲檢測、滲透檢測、渦流檢測等方法[4-5]。
相關研究資料表明,對于微細緊貼型或形狀、方向特殊的缺陷,X射線檢測的效果不佳,而超聲檢測則具有較好的檢出能力。劉松平等[6]研究了X射線和超聲檢測方法對FSW缺陷的檢測能力和可檢測性,并采用光學觀察方法對無損檢測結果和缺陷判別方法進行了驗證,結果表明高分辨率超聲檢測對攪拌摩擦焊焊縫微細缺陷有較好的檢測能力。楊秋萍等[7]采用A掃加S掃的相控陣超聲檢測模式對鋁合金攪拌摩擦焊焊縫未焊透缺陷進行檢測,研究了檢測方向和未焊透長度對檢測信號的影響,分析了不同未焊透長度相控陣超聲檢測圖像的灰度共生矩陣紋理特性,結果表明在返回邊進行掃查時的檢測效果更佳,隨著未焊透長度的增加,檢測信號幅值相應增加。
文章針對航天某型號產品實際研制過程中發現的缺陷,通過多種無損檢測方法對缺陷進行檢測,最后將缺陷部位切割取樣后進行金相分析,綜合評判后發現,相控陣超聲檢測技術可以實現該航天產品攪拌摩擦焊焊縫未焊透及弱結合缺陷的有效檢測,為鋁合金攪拌摩擦焊焊縫的相控陣超聲檢測技術的工程應用提供了參考。
1. 相控陣超聲檢測技術特點
相控陣超聲檢測技術采用多陣元的陣列式傳感器,通過軟件控制陣列探頭的每個晶片,基于延時法則來控制超聲信號的發射和接收,結合相位控制技術實現干涉聲場以及納秒級的陣元延時精度,最終通過對超聲信號的分析處理實現檢測信號的圖像化顯示,能方便地對缺陷信號進行分析,相比傳統超聲檢測技術具有高靈活性、高精準性等特點[8-10]。工業上采用相控陣超聲法進行焊縫檢測時,一般采用線性掃查、扇形掃查的方式,如圖1所示。
2. 檢測試驗
2.1 檢測對象
運載火箭某型號貯箱箱底產品結構示意如圖2所示,其法蘭和圓環母材的連接采用攪拌摩擦焊焊接工藝,材料為2219鋁合金,焊縫厚度為4.0~4.5 mm,焊縫寬度為10 mm,焊縫已去除飛邊且內外表面打磨平整,根據委托方要求需要對1#~5#攪拌摩擦焊法蘭焊縫部位進行著色滲透檢測、相控陣超聲檢測和射線檢測,以確保焊縫外表面和內部不存在裂紋、未焊透、孔洞型缺陷等驗收技術條件不允許的缺陷。攪拌摩擦焊接頭典型缺陷如圖3所示。
2.2 無損檢測試驗
2.2.1 著色滲透檢測
著色滲透檢測試驗采用溶有著色染料的滲透劑施加于焊縫表面,在毛細作用下,滲透劑會滲入到表面開口的細小缺陷中,清除附著于焊縫表面上的多余滲透劑后再施加顯像劑,缺陷中的滲透劑在毛細作用下重新被吸附到焊縫表面上,形成放大了的缺陷顯示（可目視觀察）。因為相控陣檢測過程中施加的耦合劑會殘留在焊縫上,有可能會堵塞表面開口缺陷,所以一般著色滲透檢測工序安排在相控陣超聲檢測工序之前。
對產品上的5條法蘭環焊縫進行著色滲透檢測,滲透劑、顯像劑、清洗劑型號分別為核級CZ-RS-H、CZ-BX-H、CZ-XS-H。檢測發現1#,5#法蘭內表面存在多處紅色線性缺陷顯示,外表面未發現超標缺陷,其他法蘭焊縫未發現缺陷圖像,缺陷顯示圖像如圖4所示。對缺陷長度進行測量,結果如表1所示。
| 缺陷序號 | 長度/mm | 測量誤差/mm |
|---|---|---|
| 1 | 300.5 | ±1 |
| 2 | 121.0 | ±1 |
| 3 | 302.0 | ±1 |
| 4 | 149.5 | ±1 |
| 5 | 50.0 | ±1 |
| 6 | 53.0 | ±1 |
分析著色滲透檢測結果,認為在焊縫內表面存在開口缺陷,所以檢測后可以目視發現存在明顯的紅色線性缺陷圖像顯示。
2.2.2 相控陣超聲檢測
對1#~5#法蘭焊縫進行相控陣超聲檢測,采用OLYMPUS 1000i相控陣超聲波檢測儀,探頭型號為10L32（10 MHz,32晶片）,角度為30°~70°橫波扇形掃查,顯示方式A掃+S掃查,單面雙側檢測焊縫。對比試塊材料采用與該產品同樣牌號的2219鋁合金,尺寸（長×寬×高）為150 mm×30 mm×40 mm,其上加工了?0.8 mm的橫孔,對比試塊尺寸示意如圖5所示。
選取對比試塊上埋深為5 mm的通孔作為基準反射體,通過調節相控陣探頭,找到基準孔的A掃描反射波峰值,再通過調節“增益”,將該反射波高調節至滿刻度的80%,檢測時表面補償增加3 dB。用調試好的檢測參數對5條法蘭焊縫進行檢測（從圓環外部檢測）,現場檢測及檢測結果如圖6所示,分別在1#和5#法蘭處發現多處超標缺陷。
根據A掃和扇掃檢測圖像可以很直觀地發現焊縫部位存在超標缺陷,對超標缺陷進行定位定量,結果如表2所示,產品上的缺陷分布示意如圖7所示。
| 缺陷序號 | 埋深/mm | 幅度 | 長度/mm | 測量誤差/mm |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 3.89 | ?0.8 mm+14.4 dB | 305.0 | ±1 |
| 2 | 3.51 | ?0.8 mm+7.6 dB | 302.5 | ±1 |
| 3 | 3.51 | ?0.8 mm+11.9 dB | 308.0 | ±1 |
| 4 | 3.89 | ?0.8 mm+11.5 dB | 156.0 | ±1 |
| 5 | 3.53 | ?0.8 mm+13.5 dB | 55.5 | ±1 |
| 6 | 3.58 | ?0.8 mm+7.5 dB | 58.0 | ±1 |
2.2.3 射線檢測
對5條法蘭焊縫進行X射線膠片照相檢測,檢測時采用便攜式X射線機,膠片型號為AGFA C7,按照GJB 1187A—2019《射線照相檢測》A級標準進行檢測,對焊縫底片進行評定,未發現存在超標缺陷,1#法蘭焊縫射線檢測底片如圖8所示,5#法蘭焊縫射線檢測底片如圖9所示。
2.2.4 試驗結果分析
3種無損檢測方法的檢測結果表明,射線檢測未發現缺陷,著色滲透檢測和相控陣超聲檢測均發現1#和5#法蘭存在缺陷,對比兩種方法的檢測結果,缺陷位置能一一對應,但尺寸存在部分差異,原因為著色滲透僅能檢測出表面開口缺陷,無法有效檢出未開口缺陷,缺陷兩端存在非開口延伸的可能,所以缺陷長度可能較相控陣超聲的結果略短。即,相控陣超聲能夠更好地對缺陷進行定量表征,方便地檢測出缺陷深度并給出缺陷當量尺寸。
2.3 顯微組織分析
根據無損檢測結果,將發現超標缺陷的1#法蘭和5#法蘭從型號產品上割除（不破壞焊縫）,法蘭外圈向外側延伸250~300 mm,選取不同埋深和尺寸的缺陷進行局部取樣開展金相顯微組織分析,得到的缺陷形貌如圖10所示。
根據所截取的攪拌摩擦焊焊縫接頭的截面形貌,可以發現截取的6處不同位置的焊縫接頭的組織形貌均存在根部缺陷,總體缺陷開口寬度不大于80 μm,深度不大于271 μm,測量得到的缺陷信息如表3所示。
| 缺陷序號 | 缺陷深度/μm | 缺陷開口寬度/μm | 測量誤差/μm |
|---|---|---|---|
| 1 | 271.1 | 50.4 | ±0.1 |
| 2 | 211.4 | 0.5 | ±0.1 |
| 3 | 227.6 | 50.6 | ±0.1 |
| 4 | 162.4 | 81.3 | ±0.1 |
| 5 | 180.4 | 12.5 | ±0.1 |
| 6 | 175.2 | 5.6 | ±0.1 |
2.4 缺陷類型及成因分析
由標準QJ 20043—2011《鋁合金中厚板攪拌摩擦焊技術要求》可知,根部弱結合為在焊縫根部塑性變形區域產生的被連接材料間緊密接觸但未形成有效結合的焊接缺陷。根部弱結合與未焊透常伴隨存在于攪拌摩擦焊接頭根部區域,如圖11所示。對微觀形貌進行比對分析,可以看出1#,3#,5#的缺陷相似,比較符合未焊透缺陷特征；2#,4#,6#的缺陷相似,比較符合根部弱結合特征。
未焊透缺陷是指攪拌摩擦焊接過程中母材金屬沒有完全進入接頭根部造成的缺陷。該缺陷的主要產生原因是：攪拌針長度與焊接板厚度不匹配,以及頂端力和工藝參數偏小造成產熱不足。
弱結合缺陷是攪拌摩擦焊的焊接工藝參數選擇不當,使得焊縫中的熱輸入量不足,焊縫中的材料流動不充分,部分材料只是由于塑性變形而緊貼在一起形成緊貼型缺陷,其連接強度遠遠小于正常焊接狀態。根部弱結合主要是攪拌針長度不足或攪拌頭的壓入深度不足造成的。
3. 無損檢測掛證網結論
（1）相控陣超聲檢測技術可以有效實現攪拌摩擦焊焊縫根部未焊透和弱結合缺陷的檢測,能夠測量缺陷的深度和長度,是一種有效的檢測手段。
（2）射線檢測法對于表面及近表面微小缺陷的檢測效果不佳,著色滲透檢測法對于焊縫表面開口的未焊透及弱結合缺陷有很好的檢測效果,但是不適用于表面非開口缺陷的檢測,存在缺陷漏檢的風險。
（3）針對攪拌摩擦焊焊縫的特殊性,在焊后開展相控陣超聲檢測可以彌補其他無損檢測方法的局限性,以避免缺陷漏檢。
