某薄壁構件攪拌摩擦焊鎖底焊縫的超聲相控陣檢測

王 飛，涂 俊，危 荃，周建平

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

某薄壁構件攪拌摩擦焊鎖底焊縫的超聲相控陣檢測

王 飛，涂 俊，危 荃，周建平

(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

針對某薄壁結構件3 mm厚的鋁合金攪拌摩擦焊鎖底焊縫開展了超聲相控陣檢測工藝研究，采用內置30°楔塊的相控陣探頭解決了該結構件裝機狀態下檢測空間狹小、焊縫厚度薄且結構復雜的檢測難題，同時結合攪拌摩擦焊接工藝對檢出的缺陷類型及成因進行了分析，以為類似結構產品的檢測及攪拌摩擦焊接質量的控制與改進提供參考。

攪拌摩擦焊；鎖底焊縫；超聲相控陣

攪拌摩擦焊技術作為一種新型的高質量、低成本的綠色焊接技術，已在國內航空、航天、船舶、兵器、鐵路等領域實現了工程化應用。與傳統的熔焊工藝有所不同，攪拌摩擦焊技術在焊接過程中不需要對焊接部位進行熔化以及施加填充材料或保護氣體，而是利用攪拌工具的熱-力擠壓鍛造作用形成材料的固相連接。因此，攪拌摩擦焊焊縫不會產生傳統的氣孔、熱裂紋等焊接缺陷，但是當工藝參數控制不當時，焊縫容易產生孔洞、未焊透、疏松、弱結合等類型的缺陷[1-2]。

目前針對攪拌摩擦焊焊縫內部缺陷檢測的方法主要有X射線和超聲相控陣檢測法。其中X射線對于一些微小或形狀、走向特殊的孔洞類缺陷以及弱結合缺陷不敏感，超聲相控陣與常規超聲相比具有更好的橫向和縱向分辨力，對于發現攪拌摩擦焊焊縫中的微小孔洞或弱結合缺陷更為有效，因此在攪拌摩擦焊焊縫的檢測中得到越來越廣泛的應用[3-4]。

筆者針對某3 mm厚薄壁結構件的鋁合金攪拌摩擦焊鎖底焊縫開展了超聲相控陣檢測工藝研究，采用內置30°楔塊的相控陣探頭解決了該結構件裝機狀態下檢測空間狹小、焊縫厚度薄且結構復雜的檢測難題，同時結合攪拌摩擦焊接工藝對檢出的缺陷類型及成因進行了分析。

1 檢測對象

檢測對象為一鎖底結構的攪拌摩擦焊對搭接接頭(見圖1)，在產品制造過程中需要對圖1中本體結構的多處空腔流道部位采用蓋板進行焊接密封。蓋板和本體材料均采用7055高強鋁合金，密封部位的蓋板及空腔結構主要有“L”型、“弧”形、“弓”字型等幾種形式(見圖2)，其焊縫的結構特征為：① 毛坯階段蓋板厚度為5 mm，焊接結束后需對蓋板及焊縫表面整體機加工去除2 mm厚度；② 流道空腔寬度為6 mm，蓋板與本體單側搭接寬度為4 mm，焊后相鄰平行焊縫的邊緣間距約為8～10 mm；③ 部分蓋板周圍存在凸臺、下方及側面本體位置存在較多的裝配螺紋孔等空間結構。

圖1 檢測對象結構示意

圖2 蓋板及空腔結構形式

圖3 產品某條焊縫位置

2 檢測方法及工藝

2.1 檢測方法 檢測委托客戶在產品焊接結束后對焊縫處進行液壓強度、氦質譜檢漏及表面檢查合格后將焊縫表面2 mm加工去除，在后續產品裝機試驗過程中發現一處焊縫存在氣體泄漏現象。為防止類似情況再次發生，提出對所有焊縫部位重新進行無損檢測的要求。由于產品此時已處于最終裝機狀態，主體結構無法拆卸且受焊縫結構限制，無法采用X射線對其進行透照檢測，產品某條焊縫位置如圖3所示，因此只能考慮將焊縫周圍部分管路拆卸后再采用超聲相控陣方法對其進行現場檢測。2.2 檢測工藝

2.2.1 檢測設備及探頭

圖4 不同角度聲束傳播路徑示意

檢測系統采用Doppler PHASCAN型超聲相控陣檢測儀。由于傳統相控陣探頭大都采用外置楔塊加探頭的方式，其楔塊與工件接觸面尺寸較大，而被檢焊縫表面空間可移動區域較小，采用傳統探頭無法滿足焊縫區域的全覆蓋檢測。為此定制了內置30°楔塊的線陣列相控陣探頭，探頭晶片數16，頻率5 MHz，單個晶片尺寸(長×寬)0.3 mm×5 mm，探頭端部與工件接觸部位(長×寬)只有16 mm×12 mm，對比試塊采用同材料φ1 mm橫孔試塊。2.2.2 檢測參數及掃查路徑選擇

不同角度聲束傳播路徑示意如圖4所示，由于焊縫較薄，檢測時為減少蓋板底部與空腔接觸部位的端角結構反射而影響超聲檢測結果的判定(如圖4中A所示)，檢測蓋板兩側焊縫時均選擇從空腔一側作為檢測聲束入射側。由于相鄰焊縫間的間距較小(其中焊縫截面上端寬度約8～10 mm，下端寬度約5～7 mm)，為避免入射聲束受相鄰焊縫檢測影響，同時確保足夠的探頭移動空間，選擇探頭激發晶片序列為9～16(圖4中第一晶片距探頭端部5.7 mm)，聚焦法則選用橫波扇形掃查，聲束偏轉角度35°～70°，偏轉聚焦深度3 mm。由圖4可以看出，當探頭前端位于焊縫邊緣時，入射聲束的偏轉角度大約在50°時直射波到達蓋板端角部位；在小于50°偏轉角度范圍內，聲束經蓋板底部的一次反射波覆蓋靠近空腔側的焊縫約四分之一區域；在大于50°的偏轉角度范圍內，聲束以直射波方式進入焊縫內部。當探頭繼續向焊縫中心移動時，一次反射波覆蓋區域逐漸減小，直射波覆蓋區域逐步增大。因此，在檢測過程中主要以直射波掃查為主，并適當增大焊縫兩側的移動區域以盡可能覆蓋焊縫熱影響區域。探頭掃查時橫跨于焊縫上方，沿焊縫走向呈鋸齒形掃查檢測。

3 結果分析與討論

3.1 檢測結果分析

根據2.2節中確定的檢測工藝,對6件裝機產品共計108條焊縫進行了超聲相控陣檢測，典型的缺陷信號主要有3種類型，如圖5和圖6中的信號A、B、C所示。其中：信號A在95%左右的焊縫中均存在，主要出現在圖4中探頭移動初始位置，其相控陣扇形掃描圖像中心顯示深度約2.8 mm，對應的A掃描信號聲束偏轉角度集中在60°左右，且A掃波形峰值較低；根據信號A處超聲傳播的聲程距離及圖4可判斷，該信號位于蓋板側焊縫下端部的直射波聲束覆蓋范圍內，其大致位置如圖7中A所示，圖7為與圖5中信號A、B對應的聲束傳播路徑。

圖5 超聲相控陣檢測典型信號A、B

圖6 超聲相控陣檢測典型信號C

圖7 與圖5中信號A、B對應的聲束傳播路徑示意

信號B出現在其中7條焊縫中，其相控陣扇掃圖像輪廓邊緣清晰，圖像中心深度位置從1～1.9 mm不等，聲束偏轉角度主要集中在44°～48°之間，對應的A掃波形呈現單一尖銳波峰且峰值較高，根據信號B處超聲傳播的聲程距離并結合圖5,可以判斷該信號主要位于靠近蓋板側焊縫的上端部的一次反射波覆蓋區域(圖5虛線對應3 mm厚度，即蓋板底部)，其大致位置如圖7中B所示。與此同時，檢測過程中發現這7條焊縫所顯示的信號B在沿焊縫長度方向均有一定的延伸，中心深度位置大致相同，具體尺寸如表1中1～7號所示。

信號C只出現在其中1條焊縫中，其相控陣扇掃圖像中呈現0～3 mm不同深度位置的多個圖像輪廓，圖像輪廓邊緣不清晰，部分輪廓之間存在重合部位，其對應的超聲A掃描信號基本分布于整個35°～70°的聲束偏轉角度范圍內，與之對應的A掃波形呈現多個時域位置及峰值不等的波形。結合信號C處超聲傳播的聲程距離及圖4探頭位置與聲束偏轉角的關系，可判斷該處信號位于蓋板側焊縫整個直射波聲束覆蓋范圍內，與之對應的焊縫內部缺陷分布的大致位置如圖8所示。與此同時該信號沿焊縫長度方向有31 mm的延伸，見表1中編號8。經工藝確認該信號C位置與2.1節中所提到的試驗過程中氣體泄漏位置吻合，圖9為信號C對應焊縫泄漏位置的局部放大圖，焊縫靠近蓋板側表面存在肉眼可見的細小裂縫。

圖8 與信號C對應的聲束傳播路徑示意

圖9 與信號C對應的焊縫泄漏位置局部放大圖

編號缺陷深度/mm缺陷長度/mm焊縫結構著色滲透123456781．71．61．81．01．41．71．90～3．0401530811404031圖2(b)圖2(a)圖2(a)圖2(c)圖2(c)圖2(a)圖2(a)圖2(b)顯像--顯像顯像--顯像

為進一步判定缺陷的類型，對發現信號B、C的8條焊縫表面均進行了著色滲透檢測，發現其中1，4，5，8號焊縫有明顯的缺陷顯像，其缺陷位置均靠近蓋板側，表面清洗后采用放大鏡觀察局部，發現存在細小且不規則的空隙。

3.2 缺陷類型及成因分析討論

鑒于產品的特殊性，無法對焊縫缺陷部位進行解剖并驗證其缺陷類型，因此主要從攪拌摩擦焊接工藝角度，綜合3.1節中缺陷信號的大小、分布位置及相控陣扇掃描圖像特征，再結合以往鋁合金攪拌摩擦焊超聲相控陣檢測經驗等，對其缺陷類型及成因進一步分析討論。

(1) 由于信號A主要出現在蓋板與本體搭接處的焊縫邊緣部位，在大多數焊縫中均存在，且深度方向略小于蓋板厚度，該缺陷類型應屬于攪拌摩擦焊搭接接頭中的焊縫熱機影響區(TMAZ)特有的“Hook”型缺陷，通常稱之為鉤狀缺陷。吳志明等學者對于該類型的缺陷做過相關研究[5-7]，認為其產生的主要原因是焊接過程中，焊核區材料升溫塑化，并在攪拌針的攪拌作用下，焊核區的材料升溫塑化并發生垂直方向的流動，同時帶動熱機影響區材料發生垂直流動，使得搭接界面在熱機影響區發生彎曲，與此同時熱機影響區材料受到的熱作用和攪拌作用相對有限，搭接界面的包鋁層及氧化膜未被破碎，故形成未冶金結合的間隙。文中所涉及的蓋板與本體對搭接焊縫結構符合上述缺陷產生結構及機理條件，同時由于7055材料流動性較差，從而導致“Hook”型缺陷在蓋板厚度方向形成的尺寸較小。

(2) 信號B和C主要分布于蓋板側焊縫內部，從超聲相控陣檢測的缺陷扇掃描圖像特征、深度、長度及表面著色結果看，信號B和C的缺陷類型應屬于攪拌摩擦焊中的沿焊縫長度方向分布的隧道狀的孔洞缺陷。與此同時，結合信號C的扇掃描圖像可以發現在其焊縫厚度方向還存在多個細小孔洞的疏松組織，其缺陷產生的可能原因大致有以下幾個方面。

① 從焊接工藝看，蓋板初始焊接過程中所使用的攪拌工具長5 mm，壓入量0.1～0.2 mm，攪拌后焊縫深度不少于5.1 mm，可以保證鎖底結構背部焊透;但由于蓋板背面與本體搭接寬度較小，圖1所示單邊搭接寬度只有4 mm，在實際攪拌摩擦焊接過程中，焊縫根部的部分塑性金屬有可能溢出至蓋板底部的空腔區，從而導致焊縫區域的攪拌封閉型腔發生破裂，并造成焊縫內部出現孔洞型缺陷或疏松狀的組織。

② 從缺陷形成機理角度看，考慮到攪拌摩擦焊是固相連接過程，其焊接過程溫度較低(一般為熔點的0.7～0.8倍)，若材料在焊接溫度區間內的流動性較差，攪拌頭向前移動時轉移流動的母材局部區域未能完全致密填充攪拌頭留下的瞬時空腔，則容易在焊縫內部形成孔洞缺陷，情況嚴重時呈現蟲狀、隧道狀孔洞缺陷，情況較輕時會以多個微小聚集的孔洞(疏松)缺陷呈現[8]。檢測的產品的焊縫材料所采用的7055鋁合金屬于Al-Zn-Mg-Cu系鋁合金，相比于常用的2XXX、5XXX、6XXX系列鋁合金材料，其合金元素多、強度高，符合上述材料流動性差的特征。同時，由于焊接區域較窄、焊縫密集，焊接時蓋板厚度5 mm，剛度相對較大，使得焊接過程的裝配及攪拌過程中焊縫區溫度分布較為復雜，從而進一步加劇了上述孔洞或疏松缺陷的產生。

此外，由于該類缺陷均位于焊縫內部，在初始焊接結束后僅通過表面及強度氣密等方法無法檢出，在后續產品加工過程中去除表面2 mm厚度后，部分缺陷暴露出來(如1，4，5，8號缺陷)。鑒于其中1～7號缺陷深度方向均小于2 mm，故在產品后續氣密試驗過程中未發生泄漏，而8號缺陷是除隧道狀孔洞缺陷外在深度方向，還存在密集的疏松狀組織，從而導致了該處焊縫的氣體貫穿泄漏。

4 結語

(1) 通過采用內置楔塊的相控陣探頭及檢測工藝，實現了3 mm厚鋁合金攪拌摩擦焊鎖底結構焊縫內部缺陷的檢測，解決了產品裝機狀態下檢測空間狹小及相鄰焊縫間的結構干擾影響因素較多的檢測難題。

(2) 結合超聲相控陣檢測缺陷圖像特征及攪拌摩擦焊工藝特點，對所檢出的隧道狀孔洞及疏松缺陷成因進行了分析，從而為產品缺陷的進一步處理及后續質量控制提供了一定參考依據。

(3) 鑒于焊縫結構形式的特殊性及產品的質量可靠性要求，建議客戶在產品焊接完成后即開展超聲相控陣檢測，確保無損檢測時機選擇的合理性及缺陷處理的可操作性。

[1] 欒國紅, 郭德倫.攪拌摩擦焊技術在中國的發展和推廣應用[J].航空制造技術,2014(7):70-75.

[2] 達朝炳.攪拌摩擦焊接頭缺陷分析[J].熱加工工藝,2009,38(5):133-136.

[3] 白冰,劉偉,李華強,等.攪拌摩擦焊縫超聲相控陣檢測方法[J].宇航材料工藝,2012(1):149-154.

[4] 余亮,陳玉華,黃春平,等.攪拌摩擦焊焊縫缺陷的超聲相控陣檢測技術[J].焊接學報,2014,35(1):21-24.

[5] 吳志明,吳堅定,馬正斌,等.鋁合金攪拌摩擦焊對搭接接頭Hook缺陷研究[J].航空制造技術,2014(16):57-64.

[6] 宋友寶,楊新岐,崔雷,等.異種高強鋁合金攪拌摩擦焊搭接接頭的缺陷和拉伸性能[J].中國有色金屬學報,2014,24(5):1167-1173.

[7] 楊新岐,崔雷,徐效東,等.鋁合金6061-T6攪拌摩擦焊搭接焊縫缺陷及疲勞性能[J].航空材料學報,2013,33(6):38-44.

[8] 劉會杰,潘慶,孔慶偉,等.攪拌摩擦焊焊接缺陷的研究[J].焊接,2007(2):17-20.

Ultrasonic Phased Array Testing of Friction Stir Welded Thin-Walled Lock Welds

WANG Fei, TU Jun, WEI Quan, ZHOU Jianping

(Shanghai Spaceflight Precision Machinery Research Institute, Shanghai 201600, China)

Studies on phased array ultrasonic testing technology for a thin-walled structure of 3 mm thick aluminum alloy friction stir welded lock welds were carried out, and the probe with 30° built-in wedge was used to solved the problems of narrow operation space and a variety of structure of the thin weld. The causes and types of defects were discussed combined with the friction stir welding process which provides a frame of reference for the similar structure weld testing and quality control.

friction stir welding; lock weld; ultrasonic phased array

2016-07-11

王 飛(1986-)，男，碩士，高級工程師，主要從事無損檢測技術研究與應用工作

王 飛, wf0420@163.com

10.11973/wsjc201705004

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0017-04