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近日，中國飛機強度研究所詹紹正團隊以《航空鋁合金薄板攪拌摩擦焊內(nèi)部缺陷的超聲相控陣檢測》為題在《環(huán)境技術》2024年第7期上發(fā)表最新研究內(nèi)容，第一作者為詹紹正。

 

針對3mm厚度下航空鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫的檢測需求，基于典型缺陷特征以及缺陷對焊接接頭性能的影響規(guī)律分析，明確了攪拌摩擦焊無損檢測應重點關注的缺陷類型；設計了不同深度和尺寸的隧道以及未焊透缺陷模擬樣件，利用模擬缺陷樣件驗證了超聲相控陣檢測技術對鋁合金攪拌摩擦焊中1mm埋深0.2mm孔徑的隧道缺陷以及1.6mm埋深2mm長、0.2mm深未焊透缺陷的檢測能力，對3mm厚度下攪拌摩擦焊實際樣件的檢測結果與X射線檢測結果及斷口觀察結果吻合，超聲相控陣檢測技術可以用于3mm以下航空鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫的檢測。

 

引言

 

攪拌摩擦焊是英國焊接研究所于 1991 年發(fā)明的一項先進固相連接技術，它是利用材料接觸面與攪拌針之間相對運動所產(chǎn)生的摩擦熱，使待焊件接觸面及其附近區(qū)域達到塑性狀態(tài)，并在熱—力的持續(xù)作用下產(chǎn)生連續(xù)的塑性變形、原子擴散和動態(tài)再結晶，從而獲得致密組織的焊接技術。與傳統(tǒng)的熔化焊相比，攪拌摩擦焊具有環(huán)保、低耗、高效以及焊接接頭質量高、焊接后殘余應力和變形小、容易實現(xiàn)異種金屬焊接等優(yōu)點，近年來作為一種先進、可靠的連接方法被廣泛應用于航空航天、軌道交通、船舶等領域。

 

攪拌摩擦焊接成型過程是一個受多參數(shù)影響的，溫度變化、組織結構轉變、應力應變和金屬流動等多因素互相作用的復雜過程，焊接質量受被焊材料的性質、厚度以及攪拌針結構、轉速及傾角、焊接速度、下壓量等多因素的影響。在焊接過程中，若工藝參數(shù)選擇不當，將會產(chǎn)生各種缺陷，嚴重影響焊接接頭的強度以及疲勞壽命。因此，焊后對攪拌摩擦焊接頭進行無損檢測對于保證焊接產(chǎn)品的質量至關重要，AWSD17.3/D17.3M、ISO 25239-5、GB/T34630.5、HB/Z 416等國內(nèi)外相關的鋁合金攪拌摩擦焊標準中都明確的提出了無損檢測的要求。

 

X射線和超聲波檢測技術是金屬焊縫檢測最常用的兩種技術手段，但由于X射線檢測時需要雙面接近，對一些復雜的密閉焊縫結構或異種材料焊接結構檢測應用受限，且其具有生物輻射特性，加之X射線檢測的成本較高，在試驗現(xiàn)場或服役外場的結構原位檢測中使用不便，不宜廣泛采用。為此，超聲波檢測技術成為攪拌摩擦焊結構評價方法研究的熱點，尤其是隨著近年來超聲相控陣檢測技術的迅猛發(fā)展，在攪拌摩擦焊結構缺陷檢測中展現(xiàn)出了強大的技術優(yōu)勢。

 

在攪拌摩擦焊的超聲相控陣檢測技術研究領域，國內(nèi)外的同行針對不同的應用場景開展了大量的研究工作，Lamarre和Bird等對攪拌摩擦焊缺陷的相超聲相控陣檢測進行了系統(tǒng)的研究，結果表明利用超聲相控陣檢測技術可以靈活地改變聲波入射角度，對不同走向的缺陷都具有很好的檢出率；Lamarre 利用10MHz的 64 陣元相控陣探頭檢測到5mm 厚攪拌摩擦焊接頭底部高 0.9mm的氧化物層以及接頭前進側底部的孔洞缺陷，Bird用超聲波相控陣成功檢出了 6.25mm 厚的 7050 鋁合金攪拌摩擦焊接頭內(nèi)部孔洞。Hugget等人發(fā)現(xiàn)利用超聲相控陣技術可檢測鋁合金攪拌摩擦焊縫中0.2mm以上的未焊透、蟲孔、表面孔洞和內(nèi)部孔洞。國內(nèi)的張香然等利用超聲相控陣線性掃查技術實現(xiàn)了對3mm厚鋁合金薄板中0.6mm缺陷的檢測，楊書勤等利用超聲相控陣檢測技術實現(xiàn)了對3mm厚鋁合金攪拌摩擦焊縫內(nèi)10mm×0.1mm×0.5mm（長×寬×高）的人工刻槽缺陷的檢測。余亮等通過合理優(yōu)化檢測參數(shù)，利用超聲相控陣檢測技術實現(xiàn)了對攪拌摩擦焊中深度15~25mm、直徑1mm橫通孔的檢測，結合相控陣超聲C掃描可以檢出5mm板中直徑0.3mm的側孔和8mm板中直徑0.5mm的側孔。李成軍針對8mm厚攪拌摩擦焊縫，利用超聲相控陣檢測可以直觀地識別出不同彎曲形態(tài)細微未焊透缺陷的存在。趙衍華等采用超聲相控陣橫波線性掃查和扇形掃查，從單面有效檢出了6.0mm厚鋁合金板攪拌摩擦焊焊縫中的根部弱結合、未焊透以及孔洞缺陷。

 

從上述研究現(xiàn)狀中可以看出，當前針對攪拌摩擦焊的超聲相控陣檢測技術研究主要是面向3mm及以上厚度的結構，現(xiàn)有的攪拌摩擦焊超聲相控陣檢測方法標準QJ20045-2011《鋁合金攪拌摩擦焊超聲相控陣檢測方法》適用的檢測厚度范圍也是為3mm~15mm。而在民用航空結構上，攪拌摩擦焊技術主要應用于飛機機身、機翼等蒙皮結構中，通過“以焊待鉚、以小拼大”的方式來實現(xiàn)大型蒙皮壁板的制造，見圖1所示。受結構減重和經(jīng)濟性要求，民用飛機蒙皮厚度較薄，如某型飛機攪拌摩擦焊蒙皮焊縫處最厚處3.6mm，最薄處僅1.6mm，現(xiàn)有的超聲相控陣檢測標準無法完全覆蓋。為此，本文針對航空鋁合金薄板攪拌摩擦焊結構開展了超聲相控陣檢測技術研究，旨在為3mm及以下厚度的航空鋁合金薄板攪拌摩擦焊缺陷的超聲相控陣檢測提供支持。

圖1  民用飛機機身蒙皮的攪拌摩擦焊應用

 

拌摩擦焊典型缺陷類型

 

雖然攪拌摩擦焊能夠避免傳統(tǒng)熔焊過程中產(chǎn)生的氣孔、裂紋等缺陷，但不當?shù)暮附庸に嚪桨敢矔е潞缚p中產(chǎn)生諸如飛邊、溝槽等表面缺陷和隧道型孔洞、未焊透、S線、弱連接等內(nèi)部缺陷。

 

飛邊是焊后沿焊縫兩側翻卷的金屬，呈現(xiàn)表面凸起的毛刺狀，是焊接壓力過大而導致較多的塑性材料從軸肩兩側擠出，冷卻后形成的一種缺陷，見圖2a）。溝槽缺陷是攪拌頭在對接板表面機械攪動后未形成連接的一種缺陷，是由于焊接過程中熱輸入不足，導致材料流動不充分，所形成的表面犁溝，一般位于焊縫前進側，見圖2b）。

圖2 攪拌摩擦焊典型表面缺陷形貌特征

隧道型孔洞是在焊縫內(nèi)部沿焊縫長度方向延伸的未完全閉合的空洞，是由于焊接工藝參數(shù)選擇不當，導致焊接熱輸入不足，材料流動不充分而形成，通常位于焊縫前進側的中下部以及焊縫表面附近，見圖3a）。未焊透缺陷是在焊縫底部未形成連接或者不完全連接而出現(xiàn)的“裂紋狀”缺陷，是由于攪拌針長度與被焊材料板厚不匹配（攪拌針過短）或下壓量不夠，導致焊縫根部金屬未受到充分攪拌，焊縫根部金屬流動不充分所致，主要位于焊縫根部，見圖3b）。S線是對接表面氧化膜在焊接過程中未被完全攪拌打碎，從而在焊縫中殘留并成連續(xù)線狀分布的缺陷，見圖3c）。弱連接是焊縫金屬因熱輸入不夠導致未發(fā)生充分攪拌而形成弱結合缺陷，見圖3d）。

圖3 攪拌摩擦焊典型內(nèi)部缺陷形貌特征

對于飛邊、溝槽等表面缺陷，很容易通過目視觀察直接發(fā)現(xiàn)，因此通常不作為攪拌摩擦焊缺陷檢測研究的重點。而對于內(nèi)部缺陷，當根部缺陷以弱連接線形式存在時，接頭強度和塑性變化不明顯，但是當根部存在未焊透缺陷時，對接頭強度和延伸率均有影響，當未焊透尺寸達到0.55mm時，接頭抗拉強度下降22%，斷后延伸率降低91%。而對于隧道型缺陷，攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度和斷后延伸率也隨著隧道缺陷尺寸的增大而明顯降低，見圖4、圖5所示。 

圖4 含不同尺寸隧道缺陷的攪拌摩擦焊焊縫顯微圖譜

圖5 含不同尺寸隧道缺陷的攪拌摩擦焊接頭抗拉強度和斷后延伸率曲線

因此，對于攪拌摩擦焊焊縫內(nèi)部缺陷的檢測，隧道型孔洞和根部未焊透缺陷是無損檢測關注的重點。

 

攪拌摩擦焊內(nèi)部缺陷的超聲相控陣檢測試驗

 

1、人工缺陷試塊設計

 

根據(jù)某民機攪拌摩擦焊蒙皮的檢測需求，分別制作了含有模擬隧道孔洞和根部未焊透缺陷的鋁合金薄壁攪拌摩擦焊對比試塊，見圖6和表1所示；隧道孔洞缺陷參照HB20159-2014《變形金屬超聲檢測》，采用12mm長度的短橫孔方式來模擬，橫孔直徑分別為0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm和1.0mm，埋深范圍為1mm~9mm，步進1mm，可以完全覆蓋1.6mm和3.6mm的檢測范圍。

 

未焊透缺陷采用在焊縫根部人工刻槽方式模擬，制作要求參照GJB2908A-2020《渦流檢驗方法》。試塊厚度分別為1.6mm和3.6mm，每個厚度下包含有不同的長度和深度的人工刻槽，人工刻槽長度分別為2mm和5mm，深度分別為0.2mm、0.4mm、1.0mm和1.5mm。

圖6 隧道孔洞和未焊透試塊

表1 隧道和未焊透缺陷模擬試塊信息表

 

2、試驗儀器和主要參數(shù)

 

超聲相控陣檢測設備采用俄羅斯KROPUS公司生產(chǎn)的UCD60型16通道合成孔徑全聚焦超聲相控陣儀器，探頭采用多浦樂5.0L16-1.0*10線陣列探頭配型號為SB10-N55S的55°橫波楔塊，耦合劑采用膏狀黃油。

 

檢測時采用8陣元孔徑激發(fā)、手工鋸齒形掃查法，掃查過程中采用 A掃描和S掃描進行監(jiān)控，聲束掃查角度范圍為35°到70°。

 

3、人工缺陷試塊的超聲相控陣檢測試驗及結果

 

分別對不同孔徑、不同埋深的隧道模擬缺陷和不同板厚、不同長度及深度的未焊透模擬缺陷進行了檢測，所有預制的人工缺陷均能夠被有效的檢測出來。圖7所示為1mm 到9mm埋深下直徑0.2mm隧道模擬缺陷的超聲相控陣檢測圖譜，從中可以看出，超聲相控陣檢測對不同埋深下 0.2mm的隧道模擬缺陷都具有非常高的信噪比，完全可以滿足實際檢測需求。圖8所示為不同孔徑、不同埋深下的隧道模擬缺陷在80%回波高度下的增益對比，從圖中可以看出，隨著隧道孔徑的增大，檢測所需的增益值呈下降趨勢。圖中的個別數(shù)據(jù)波動分析為手工檢測時的測量誤差所致。

圖7 1mm~9mm埋深下φ0.2mm模擬隧道缺陷的超聲相控陣檢測結果

圖8 不同孔徑、不同埋深下隧道模擬缺陷回波幅度對比曲線

1.6mm和3.6mm板厚中不同長度、不同深度未焊透模擬缺陷的超聲相控陣檢測圖譜見圖9和圖10所示，圖11所示為不同板厚、不同長度和深度未焊透模擬缺陷回波幅度比對圖。從圖中可以看出，在缺陷回波達到80%的基準條件下，同一板厚中，檢測信噪比隨著未焊透缺陷的長度和深度的增加而增加，檢測靈敏度隨著板厚的增加而增加。

圖9 1.6mm板厚中不同長度和不同深度未焊透模擬缺陷的檢測結果

圖10 3.6mm板厚中不同長度和不同深度未焊透模擬缺陷的檢測結果

圖11  不同板厚、不同長度和深度未焊透模擬缺陷回波幅度比對曲線

 

4、攪拌摩擦焊薄板檢測與驗證

 

利用0.2mm孔徑的模擬隧道和2mm長、0.2mm深的模擬未焊透缺陷作為檢測靈敏度，對1.6mm和3.6mm厚的攪拌摩擦焊試板進行檢測，在其中一塊3.6mm厚的試板中發(fā)現(xiàn)一處顯示深度約2mm的隧道型缺陷，幅值比基準靈敏度高約16dB，后對試板進行解剖，發(fā)現(xiàn)實際隧道缺陷中心埋深約1mm，隧道孔徑約為0.5mm，與超聲相控陣檢測結果基本吻合，見圖12所示。

圖12 3.6mm摩擦焊試板中約1mm深0.5mm直徑的隧道缺陷超聲相控陣檢測結果及缺陷實際形貌圖

圖13所示分別為利用超聲相控陣檢出存在隧道和未焊透缺陷的兩塊3.6mm厚的鋁合金攪拌摩擦焊試板，后通過X射線照相檢測確認了缺陷的存在。圖14所示為超聲相控陣檢出存在隧道缺陷的1.6mm厚的鋁合金攪拌摩擦焊試板，后經(jīng)過射線檢測得到了驗證。

圖13 3.6mm試板中隧道和未焊透缺陷的超聲相控陣與X射線檢測結果比對

圖14 1.6mm試板中未焊透缺陷的超聲相控陣與X射線檢測結果比對

 

結論

 

開展了針對3mm厚度下航空鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫的檢測試驗研究，驗證了超聲相控陣檢測技術對鋁合金攪拌摩擦焊中1mm埋深0.2mm孔徑的隧道缺陷以及1.6mm埋深2mm長、0.2mm深的未焊透缺陷的檢測能力，對3mm厚度以下攪拌摩擦焊實際樣件的檢測結果與X射線檢測結果及斷口觀察結果吻合，超聲相控陣檢測技術可以用于3mm厚度下航空鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫的檢測。

 

引用本文：

 

詹紹正,樊俊鈴,焦婷,張偉,石亮.航空鋁合金薄板攪拌摩擦焊內(nèi)部缺陷的超聲相控陣檢測[J].環(huán)境技術,2024,42(07):88-97.