攪拌摩擦焊常見(jiàn)缺陷及其無(wú)損檢測(cè)技術(shù)

1、攪拌摩擦焊常見(jiàn)缺陷及其無(wú)損檢測(cè)技術(shù)攪拌摩擦焊( Friction Stir Welding )作為一種新型固 態(tài)焊接技術(shù)，自 1991 年誕生以來(lái)，其研究與應(yīng)用已取得突飛猛 進(jìn)的發(fā)展，現(xiàn)已在國(guó)外諸多工程制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前， 國(guó)內(nèi)主要航空制造企業(yè)已陸續(xù)引進(jìn)了該技術(shù)， 由于焊接過(guò)程中焊 縫溫度始終低于被焊材料的熔點(diǎn)， 可避免傳統(tǒng)熔焊方法易產(chǎn)生的 氣孔和熱裂紋等缺陷， 因而特別適合于傳統(tǒng)熔焊方法難以實(shí)現(xiàn)的 鋁合金等低熔點(diǎn)有色金屬及其合金的焊接。 盡管攪拌磨擦避免了 傳統(tǒng)熔焊易產(chǎn)生的缺陷， 但由于該技術(shù)自身特點(diǎn)以及工藝參數(shù)選 取不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊懸廊粫?huì)產(chǎn)生一些特征不同于熔焊方法的缺陷。 針對(duì)這一問(wèn)

2、題， 本文對(duì)攪拌摩擦焊的幾種常見(jiàn)缺陷以及無(wú)損檢測(cè) 技術(shù)進(jìn)行探討，以供業(yè)內(nèi)相關(guān)人員參考。1 攪拌摩擦焊常見(jiàn)缺陷的產(chǎn)生原因 攪拌摩擦焊的常見(jiàn)缺陷可分為三種基本類型：未充分填充、 未焊透、根部不連續(xù)。1.1 未充分填充焊接過(guò)程中，焊縫中受到熱 - 機(jī)聯(lián)合作用的塑化金屬會(huì)發(fā)生 流動(dòng)，是攪拌摩擦焊焊縫形成的基本特征。 塑化金屬的流動(dòng)行為 可分解為三種簡(jiǎn)化形式：塑化金屬受攪拌頭作用而產(chǎn)生圓周運(yùn) 動(dòng)；塑化金屬沿焊接方向的水平流動(dòng)； 塑化金屬在焊縫厚度方向 的流動(dòng)。 若焊接參數(shù)選擇不當(dāng)， 會(huì)造成焊接過(guò)程中塑化金屬不能 在攪拌頭后方和焊縫厚度方向充分填充， 因此沿焊縫水平方向?qū)?產(chǎn)生間隙。 這個(gè)會(huì)因程度的差別而

3、有兩種表現(xiàn)形式， 當(dāng)塑化金屬 填充效果極差時(shí)， 表現(xiàn)為暴露于焊縫表面的溝槽； 當(dāng)塑化金屬填 充有輕微不足時(shí)， 則在焊縫內(nèi)部形成孔洞。 產(chǎn)生此類缺陷的原因 主要是由于焊接參數(shù)選取不當(dāng)， 會(huì)導(dǎo)致焊接時(shí)的熱輸入量過(guò)高或 不足所致。當(dāng)熱輸入過(guò)高時(shí)，焊縫金屬軟化程度急劇升高，與攪 拌頭之間的摩擦作用減弱， 甚至產(chǎn)生相對(duì)滑移； 而當(dāng)熱輸入過(guò)低 時(shí)，焊縫金屬軟化程度不足，同樣無(wú)法充分流動(dòng)。1.2 未焊透 未焊透是指在焊縫底部未形成連接或不完全連接的缺陷。 未 焊透的產(chǎn)生實(shí)際上是由于攪拌頭上用來(lái)插入接合面的攪拌針長(zhǎng) 度不足或是焊接時(shí)攪拌頭軸肩對(duì)被焊工件的頂鍛壓力不夠所造 成。在攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中，如果攪拌針

4、長(zhǎng)度合適，兩塊對(duì)接 板材之間對(duì)接面上的氧化物會(huì)在攪拌針旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)過(guò)程中被打 碎，在攪拌頭后部形成致密的接頭，氧化物彌散分布在接頭中。 但如果攪拌針長(zhǎng)度偏短， 攪拌針在焊接過(guò)程中不能完全攪拌焊縫 厚度方向上的材料， 尤其是焊縫下方的材料， 在焊接后接頭根部 會(huì)出現(xiàn)未焊透缺陷。 其中母材結(jié)合相對(duì)緊密的未焊透缺陷被稱為“吻接”(kissing bond),它是未焊透缺陷的一種特殊形式。1.3 根部不連續(xù)缺陷根部不連續(xù)缺陷也稱為“S曲線”或“Z曲線”，目前學(xué)術(shù) 界對(duì)于此缺陷尚未形成統(tǒng)一的定義， 但多數(shù)學(xué)者認(rèn)為它是一種根 部的弱連接缺陷。 產(chǎn)生此缺陷的主要原因是由于被焊材料的表面 存在氧化膜， 焊后在焊

5、縫表面可能形成一層與焊縫內(nèi)部材料組織 不同的氧化物層， 由于在焊接過(guò)程中對(duì)接表面的氧化膜未被完全 打碎，從而在焊縫中殘留，并呈半連續(xù)分布。2 攪拌摩擦焊常用檢測(cè)方法及原理 從目前國(guó)內(nèi)的研究與生產(chǎn)實(shí)踐情況來(lái)看， 傳統(tǒng)的檢測(cè)方法中 已有以下四種被應(yīng)用于攪拌摩擦焊焊縫缺陷的檢測(cè)：2.1 超聲波檢測(cè) 超聲波檢測(cè)方法是指利用探頭發(fā)射的超聲波束在試件中傳 播，對(duì)超聲波的反射和透射行為進(jìn)行研究， 從而對(duì)試件進(jìn)行宏觀 缺陷、幾何特性以及組織結(jié)構(gòu)等的檢測(cè)和表征， 并進(jìn)而對(duì)其特定 應(yīng)用性進(jìn)行評(píng)價(jià)的技術(shù)。超聲波是一種頻率高于 20kHz 的機(jī)械波，它具有如下的特 點(diǎn)：超聲波聲束能量集中在特定的方向上， 并且在介質(zhì)中

6、沿直線 傳播，具有良好的指向性；其在介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生衰減和散 射；超聲波在異種介質(zhì)的界面上將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。 利用超聲波的這些特性，可以獲得從缺陷界面反射回來(lái)的反射 波，從而達(dá)到探測(cè)缺陷的目的； 超聲波在固體中的傳輸損失很小， 探測(cè)深度大，由于超聲波在異質(zhì)界面上會(huì)發(fā)生反射、 折射等現(xiàn)象， 尤其是不能通過(guò)氣體固體界面，因此當(dāng)焊縫中出現(xiàn)孔洞等缺陷 時(shí)，超聲波傳播到金屬與缺陷的界面處時(shí)，就會(huì)發(fā)生反射。反射 回來(lái)的超聲波被探頭接收， 通過(guò)儀器內(nèi)部的電路處理， 在儀器的 熒光屏上就會(huì)顯示不同高度和有一定間距的波形， 可以根據(jù)波形 的變化特征判斷缺陷在工件中的深度和位置等信息。超聲波檢測(cè)方法

7、按所采用的波形可分為縱波法、 橫波法以及 表面波法。 縱波法是使用直探頭發(fā)射縱波進(jìn)行探傷的方法， 縱波 波束垂直入射至試件探測(cè)面， 在試件中仍以縱波波形傳播并且傳 播方向不變， 該方法又稱垂直法， 對(duì)與探測(cè)面平行的缺陷檢出效 果最佳。 橫波法是通過(guò)波形轉(zhuǎn)換得到橫波進(jìn)行探傷的方法。由于入射到試件中的橫波束與探測(cè)面成銳角， 所以又稱為斜射法， 該 方法可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)用縱波法不易發(fā)現(xiàn)的缺陷。利用表面波探傷時(shí)， 由于表面波的波長(zhǎng)比橫波波長(zhǎng)短， 因此表面波在傳播過(guò)程中衰減 也大于橫波。表面波對(duì)于表面上的油污、不光潔等反應(yīng)敏感，并 且波束能量大量地衰減。 在對(duì)焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)通常采用橫波 法，有利于檢測(cè)到焊

8、縫內(nèi)部缺陷。 因此利用橫波斜探頭可對(duì)攪拌 摩擦焊焊縫缺陷進(jìn)行檢測(cè)。圖 1 為運(yùn)用橫波檢測(cè)法對(duì)工件中缺陷的檢測(cè)示意圖， 當(dāng)超聲 橫波以入射角 ?入射到試件下表面的界面上時(shí)，聲波經(jīng)上、下表 面反射形成V形路徑。如果聲波在前進(jìn)中沒(méi)有遇到任何阻礙，聲波則不會(huì)反射回來(lái)，熒光屏只顯示始波T。如果在超聲傳播途中遇到缺陷時(shí)， 部分聲波將反射回探頭， 在熒光屏上則可顯示出缺 陷回波 F。2.2 渦流檢測(cè) 渦流檢測(cè)是建立在電磁感應(yīng)原理基礎(chǔ)之上的一種無(wú)損檢測(cè)方法， 通常由三部分組成， 即載交變電流的檢測(cè)線圈（探頭）、檢測(cè)電流的儀器和被檢金屬工件。如圖2 所 示，當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈靠近金屬工件時(shí)， 由于激勵(lì)線圈

9、 磁場(chǎng)的作用， 工件中會(huì)產(chǎn)生渦流， 該渦流同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與原磁場(chǎng) 方向相反的磁場(chǎng)， 并部分抵消原磁場(chǎng)， 導(dǎo)致檢測(cè)線圈電阻和電感 分量變化。若焊縫中存在缺陷，就會(huì)改變渦流場(chǎng)的強(qiáng)度及分布， 使線圈阻抗發(fā)生變化， 通過(guò)檢測(cè)這個(gè)變化就可判斷出被測(cè)試件的 性能及缺陷。渦流檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中，電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、頻率、 缺陷類型以及工件厚度等的變化都會(huì)引起阻抗的變化。2.3 滲透檢測(cè)滲透檢測(cè)是一種以毛細(xì)作用原理為基礎(chǔ)的檢測(cè)技術(shù)， 主要用 于檢測(cè)非疏松孔的金屬或非金屬部件的表面開(kāi)頭缺陷。檢測(cè)時(shí)， 將溶有熒光染料或著色染料的滲透液施加到零部件表面， 由于毛 細(xì)作用， 滲透液滲入到細(xì)小的表面開(kāi)口缺陷中， 清除著在工件表

10、 面的多余滲透液， 經(jīng)干燥后再施加顯像劑， 缺陷中的滲透液在毛 細(xì)現(xiàn)象的作用下被重新附著到零件表面上， 就形成放大了的缺陷 顯示，即可檢測(cè)出缺陷的形貌和分布狀態(tài)。滲透檢測(cè)易受工件表面狀態(tài)影響， 目前只能檢測(cè)表面開(kāi)口缺 陷，對(duì)于未開(kāi)口的近表面缺陷及其他內(nèi)部缺陷則無(wú)法識(shí)別。2.4 射線檢測(cè)射線檢測(cè)是利用射線（X射線、Y射線、中子射線等）穿透 被檢測(cè)工件過(guò)程中具有一定的衰減規(guī)律， 根據(jù)通過(guò)工件各部位衰 減后射線強(qiáng)度檢測(cè)工件內(nèi)部缺陷的一種方法。 不同物體其衰減程 度不同， 衰減的程度由物體的厚度、 物體的材質(zhì)品種以及射線的 種類而定。 當(dāng)使用射線種類固定后， 衰減后射線強(qiáng)度取決于被檢 工件厚度和工件的密度。 如工件中含有孔洞時(shí)， 有孔洞的部分不 易吸收射線，不容易透過(guò)。3 結(jié)語(yǔ) 實(shí)踐證明，在常用的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中，射線檢測(cè)成本較高， 不利于廣泛采用； 滲透檢測(cè)容易受到工件表面狀態(tài)的影響， 且只 能檢測(cè)表面開(kāi)口缺陷。相比這兩種方法，超聲檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單，成 本較低，能夠檢測(cè)焊縫內(nèi)部細(xì)密、 緊貼型缺陷， 如孔洞缺陷、 “S 曲線”；而渦流檢測(cè)具有靈敏、快速的特