攪拌摩擦焊的缺陷類型及其檢測技術探析

摘 要：隨著工業科技的發展，工程制造對焊接工藝提出了更高的要求，攪拌摩擦焊作為一種高質量的焊接技術，被廣泛應用在航空制造領域。但在焊接過程中，可能會出現孔洞、溝槽等焊接缺陷，嚴重制約著該項技術的推廣，文章就攪拌摩擦焊的缺陷類型和檢測技術進行了深入剖析，實

1 概述

隨著科學技術的快速發展，攪拌摩擦焊技術得到了快速發展，已經在很多領域得到廣泛應用，并發揮著非常重要的作用，尤其在航空制造業領域得到廣泛應用。該技術自上世紀九十年代初問世以來，得到了世界各國相關行業的重視，不斷加大對其技術的研究力度，從而使該工藝技術得到了迅速發展，以高質量焊接技術被迅速推廣應用開來。但該項技術在工藝參數選擇不當時，還是會出現孔洞、溝槽等等焊接缺陷。基于此，文章首先對攪拌摩擦焊工藝特點、應用領域進行了簡要介紹，進而對攪拌摩擦焊接中可能出現的缺陷進行了深入研究，并對缺陷的形成原因進行了剖析，在文章的最后對檢測缺陷的技術方法做了進一步總結研究，以便能夠使人們對攪拌摩擦焊的缺陷類型和檢測技術有更為詳細的認識，同時也使攪拌摩擦焊技術充分發揮出其應有的作用和價值。

2 攪拌摩擦焊技術

2.1 攪拌摩擦焊

攪拌摩擦焊自1991年在英國焊接研究所問世以來，以高質量焊接效果被各工程制造企業所追捧，在近幾十年得到快速發展，成為了一種較為成熟的低熔點合金焊接技術。在傳統焊接技術中，由于焊接溫度較高，對低溫合金材料焊接時，會因材料熔化而造成熱裂縫等焊接缺陷，但在攪拌摩擦焊接過程中，由于焊接溫度始終低于材料的熔點，可以實現低溫焊接，這一焊接效果解決了低溫合金焊接的難題，在低熔點有色金屬焊接中，可以應用于接頭焊接和不同焊接位置的連接。

2.2 工藝特點

攪拌摩擦焊技術在經過近幾年的快速發展，工藝逐漸完善成熟，在焊接過程中，省去了傳統焊接中的焊條、保護氣等消耗性材料，實現了綠色焊接，另外在焊接效果方面，以低損傷、高強度的優點，被稱為是焊接領域的革命性改變。攪拌摩擦焊接與傳統焊接不同，傳統焊接是利用焊條的高溫熔化被焊接材料，進而實現材料焊接，這種傳統焊接工藝，因焊條溫度較高，在被焊接材料熔化冷卻過程中，容易形成熱裂縫和氣孔等焊接缺陷。攪拌摩擦焊技術是利用攪拌頭高速摩擦被焊接材料產生的少量熱能，軟化被焊接焊接材料的表面，在整個過程中，焊縫的溫度較低，可以有效避免傳統焊接缺陷的產生。

2.3 應用領域

攪拌摩擦焊技術作為一種高質量的材料焊接方法，具有良好的應用前景，目前主要是應用在航天、航空及船舶制造等高端制造領域。攪拌摩擦焊的最初應用是解決鋁合金等低熔點材料的焊接問題，目前在航空鋁合金焊接領域應用較為廣泛。目前航空用的新材料鋁合金Al2195擁有更高的強度和更小的重量，體現出了更好的性能，但在焊接中容易出現缺陷問題，這是因為鋁合金的熔點較低，在高溫焊接條件下，容易出現熱裂縫。攪拌摩擦焊技術在焊接合金時，由于焊接溫度低于材料的熔點，可以有效避免因高溫造成的焊接缺陷，被廣泛應用在鋁銅合金、鋁鎂合金、鋁鋅合金等高強合金焊接領域。

3 攪拌摩擦焊存在的缺陷類型及成因

在采用攪拌磨檫型焊進行焊接時，可能會產生孔洞、溝槽、未焊透、Z線以及飛邊等焊接缺陷。產生這些缺陷的主要原因在于，在焊接的過程當中，在不同的焊縫部位，金屬材料所經受的加熱機理過程是不相同的，由于溫度過高或者材料自身性質產生的流動性差異等等，這些因素都會導致焊接缺陷的產生。如果我們將焊縫按物理深度的不同，可將其分成頂部焊縫、中部焊縫和底部焊縫，我們知道焊接過程中只有傳入底部的熱能是最少的，但是其輸出卻是最大的，因此，當焊接工藝流程和參數或者焊接工具的尺寸選擇不合理時，焊縫的底部是最有可能出現焊接缺陷的。

3.1 孔洞

焊縫孔洞缺陷形成的主要原因就是焊接過程中熱量的輸入程度不夠，這使得材料達到塑性狀態的數量不足，使得材料的流動能力沒有充分形成，因而導致了在焊縫內部出現材料不能完全合閉的情況發生。如果使用沒有螺紋的柱形或者針形攪拌針進行焊縫的焊接，就會更加容易出現空洞缺陷，這類的缺陷通常出現在端頭接觸側的中偏下部位及焊縫表面周圍。如果在焊縫表面周圍孔洞的方向與焊接的方向相同，在焊縫的長度方向延長距離較遠時也被稱為隧道類型的空洞缺陷，這是攪拌磨檫焊進行過程中出現的較為典型且危害最嚴重的一種缺陷。除了選擇合適的焊接工藝流程和參數能夠避免這種缺陷外，還要保證適當的傾角，傾角一般在1.5°≤Φ≤4.5°最為適宜，除此之外，還要盡量使焊接件之間不出現間隙。

3.2 溝槽

溝槽這種缺陷則是由于攪拌頭在焊接材料表面機械攪拌之后沒有形成連接而產生的，該缺陷常常存在于前進側的焊縫表面。產生這種缺陷的原因主要是因為焊接進行當中的壓力較小，以至于熱輸入嚴重缺少，使得材料塑性變形的量大為減少，進一步使得材料的流動性降低，造成焊接縫前進側的材料從后退一側環繞流動過后不能夠環流到前進側，從而在焊縫表面周邊凝結成孔洞，當材料的流動性進一步下降時，孔洞范圍進一步擴大，最后貫穿了焊縫上表皮形成溝槽。

3.3 未焊透

未焊透這種缺陷則是攪拌摩擦焊的焊縫背面最為常見的情況，這是一種“裂紋形狀”的缺陷，是由于焊接過程中在焊縫的底部范圍內沒有連接在一起或者沒有完全連接在一起而產生的。根本原因是采用的攪拌焊接接頭厚度大于其長度，并用這樣的接頭壓入焊縫的結合面部，利用攪拌頭的端邊部位和焊縫的表面進行摩擦產生的熱量進行加熱、攪拌進而形成連接，所以，總會存在一定范圍厚度的攪拌頭沒有被焊透。還有，焊接的壓力過小的時候容易出現根部沒有焊合好的情況。在這種形式的焊接過程中，如果針的長度比一般的尺寸短，那么焊接過程中的焊接材料的厚度方向不能完全攪拌，加上焊接板材料對接面還有氧化物的存在，在焊接后就會有很大一部分可能在接頭的根部出現“裂紋形狀”的未焊透性質的缺陷。

3.4 Z線

Z線指的是在攪拌摩擦焊接過程中，在焊縫中殘留的半連續狀的焊接材料氧化物。在對金屬材料進行攪拌摩擦焊時，如果金屬材料表面存在金屬氧化物，這些金屬氧化物會隨著攪拌頭的摩擦而變形，氧化物顆粒進入到焊縫中，這些氧化物顆粒不同于合金焊縫處新形成的氧化物，兩者無法有效融合在一起，于是會在焊縫處形成Z型或S型線狀焊接缺陷。在攪拌摩擦焊中，為了有效避免Z線這種焊接缺陷的產生，一般都是在焊接前采取清洗或打磨材料表面，保持被焊接材料表面的潔凈。

3.5 飛邊

飛邊在攪拌摩擦焊中是一種較為常見的焊接缺陷，主要形成于焊縫表面，這與飛邊的形成原理有關。在進行攪拌摩擦焊時，如果選擇的工藝參數不當，尤其是攪拌頭的旋轉速度和焊接速度以及焊接壓力等主要參數選擇不當，在焊接表面因摩擦產生的熱量，會使焊接材料發生熱塑性流動，當焊接壓力過大時，材料的熱塑性流動增強，會造成部分材料被攪拌頭擠壓出去，熱塑性金屬冷卻后在焊縫兩邊形成翻卷狀金屬，這就是飛邊。避免飛邊缺陷的產生，重點是選擇好工藝參數。

4 缺陷檢測技術

4.1 目視檢測

目視檢測方法簡單、操作方便，是各種檢測技術中最基礎、最常用的方法。目視檢測可適用于飛邊、槽溝、孔洞等多種焊接缺陷的檢測，這些焊接缺陷大都是因為選擇工藝參數不當造成的，如沖擊力較小或較大、攪拌頭的摩擦速度過快或過慢、攪拌頭的移動速度偏差較大等，這些焊接缺陷在焊縫處可用目視檢測確定其有無及程度。在采用目視檢測時，需要對焊縫進行檢查前的處理工作，一般使用的處理方法是“侵蝕法”，將焊縫附近的表面區域進行簡單的機械加工，然后使用特定的化學試劑對焊縫做“侵蝕”處理，在侵蝕過程中，化學試劑可以清楚明了的顯示焊縫處的缺陷情況，專業人員可根據侵蝕工藝在焊接部位表明形成的潔凈現象和熱影響現象，對焊接缺陷做出推斷和確認。

目視檢測的優點是檢測條件容易實現，操作性強，對檢測環境要求較低；缺點是目視檢測對經驗的要求較高，由于沒有儀器顯示確切的數據或結果，只能憑借工作人員的自身工作經驗去做判斷，容易引起人為因素造成的檢測誤差，所以目視檢測對檢測人員的專業性技術要求較高。此外，目視檢測的范圍僅限于被焊接材料的表面或淺層部位，對焊縫深層的缺陷情況檢測誤差較大，不建議采用此檢測技術。目視檢測在實際運用中一般用于要求不高的檢測項目上，或僅作為初步參考性檢測項目上。

4.2 滲透檢測

滲透檢測可分為P135E和P6F4兩種檢測方法，這兩種滲透檢測方法可適用于單一侵蝕、雙重侵蝕或未侵蝕狀態下的焊接缺陷檢測，未侵蝕指的就是沒有經過侵蝕工藝處理，單一侵蝕指的是用侵蝕液去除焊接材料表面0.005mm～0.010mm厚度的金屬層，而雙重侵蝕則是在此基礎上進一步完成0.005mm厚度的去除。使用侵蝕液的目的是為了去除焊接部位的表面金屬層，改善檢測環境，這樣可以有效提高滲透檢測結果的準確度。

使用滲透檢測技術對未做侵蝕處理的焊縫進行缺陷檢測時，雖然理論上可以用該檢測技術，但由于檢測背景條件較差導致檢測結果誤差較大，因此，在實際檢測中一般不會采用這種方法檢測未侵蝕狀態的焊接缺陷。在對單一侵蝕和雙重侵蝕狀態下，采用滲透檢測可以有效檢測出焊接處根部的未焊透缺陷，P135E和P6F4是兩種不同的滲透劑，在使用中可根據檢測要求使用相應的滲透劑，P6F4滲透劑可以實現1.270mm深度的檢測，而P135E滲透劑可完成最大深度1.626mm的未焊透缺陷，使用P135E滲透劑比使用P6F4滲透劑檢測的深度更大，可以滿足更高要求的檢測標準。研究表明，去除焊縫表面的金屬層，可有效提高檢測率，但使用顯影劑并不能取得明顯效果，延長滲透時間同樣無法取得明顯效果，如圖1所示。

4.3 超聲波檢測

隨著攪拌摩擦焊工藝的改進，各國相繼發明了新式攪拌摩擦焊設備，這些新設備在完成更佳焊接工藝的同時，也對無損探傷研究提出了新的挑戰，新工藝中的未焊透缺陷更為隱秘，深度更大，想要完成更深程度的無損檢測，需要采用超聲波檢測技術實現這一目標。未焊透缺陷作為焊接中最嚴重的缺陷，在超聲波檢測中可以檢測到焊接材料1/5厚度，在檢測深度方面有了更大的進步，對深層的焊接裂縫有更清楚的檢測結果。經過近幾年的改進發展，各國相繼提出了相控陣超聲波檢測技術，這種檢測技術采用多個超聲波探頭，對焊縫進行全方位掃面檢測，相控陣中的超聲波探頭可發射出包括剪形波在內的多種探測波形，通過多角度傳感器接收探測波的掃面信號，在電子光柵上形成超聲波圖像，顯示出焊縫深處的焊接情況，采用相控陣超聲波檢測技術可以實現對材料厚度1/4至1/3處焊接缺陷的檢測。

4.4 X射線檢測

X射線檢測技術是通過使用X射線照射攪拌摩擦焊的試件，將照射圖像以照片的形式體現出來，專業人員根據照片中提供的成像信息，判斷被焊接處的缺陷情況，該種檢測方法的優點是：（1）準確度高，統計結果表明，采用X射線檢測技術的準確度高達94%；（2）檢測深度大，由于X射線的強穿透性，使得該種檢測技術可以檢測到金屬材料厚度的1/3處。

但這種檢測方法也存在著局限性：（1）無法有效檢測合金材料的焊接缺陷，這是由于在合金材料攪拌摩擦焊接過程中，合金會隨著摩擦而有形變，合金材料中兩種金屬的分配密度不均勻，X射線在不同金屬中的穿透性不同，無法獲得清晰的成像照片，給缺陷判斷工作帶來難度；（2）在攪拌摩擦焊的焊接接頭處，不同合金的混合在摩擦過程中會形成更為緊密的焊接裂縫，這給X射線檢測造成了更為嚴重的檢測困難，使得檢測難度進一步提高。這是由于X射線檢測的特點，使得X射線在單金屬攪拌摩擦焊中應用較為廣泛，在合金中應用較為稀少。

4.5 渦流與傳導性檢測

渦流與傳導性檢測屬于新式的攪拌摩擦焊缺陷檢測技術，該技術處于擴展推廣應用階段，但在一定條件下可以取得較為理想的檢測結果，因此在某些領域中也有應用。渦流與傳導性檢測是洛克希德·馬丁公司提出的攪拌摩擦焊缺陷檢測技術新概念，在最初研究該檢測技術時，對相同合金的焊縫只進行了渦流檢測，檢測結果表明可以實現對相同合金1.65mm處的未焊透缺陷檢測，在當時取得了較高成就。然而在后續的檢測中發現，渦流檢測對不同合金的攪拌摩擦焊進行缺陷檢測時，無法實現對不同合金的攪拌摩擦焊缺陷檢測，原因在于渦流無法區別不同合金焊接試件是否存在未焊透缺陷。在得知這一局限性后，洛克希德·馬丁公司做了進一步的研究，在渦流檢測的基礎上，添加了傳導技術，利用渦流相應和傳感器傳導相結合的方法，實現了對不同合金的未焊透缺陷檢測，再經過近些年的完善改進，該技術已經逐漸完善，在檢測技術上彌補了其他檢查技術的檢測空白，進一步提高了對攪拌摩擦焊缺陷的檢測率。

5 結束語

隨著工業化的快速發展，攪拌摩擦焊技術應用越加廣泛，對其焊縫的缺陷檢測要求也越發嚴格。在之前的國內外研究中，大多是針對攪拌摩擦焊的焊接接頭及性能的，在焊縫缺陷的形成機理及檢測技術方面較為缺乏。因此，加強檢測技術方面的研究，必然促進攪拌摩擦焊技術的發展，同時也會帶動無損檢測技術的發展。

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作者簡介：劉波（1971-），男，遼寧盤錦人，本科學歷，講師，工程師，研究方向：焊接技術應用。