鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭的渦流陣列檢測

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(上海航天精密機械研究所，上海 201600)

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是20世紀90年代英國焊接研究所(TWI)發明的一項先進的固態焊接技術。相對于傳統熔化焊，攪拌摩擦焊在多個方面具有優勢：① 焊接過程中材料不發生熔化，從而避免了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[1-2]。

雖然攪拌摩擦焊在多個方面優于傳統熔化焊，但是因為自身技術的特點及工藝參數選擇不恰當等影響因素，在攪拌摩擦焊焊縫上仍然會產生表面與內部缺陷。對于攪拌摩擦焊焊縫缺陷的無損檢測，目前主要采用4種方法：射線檢測、超聲檢測、滲透檢測、渦流檢測[3-4]。

主要介紹了利用渦流陣列檢測技術對攪拌摩擦焊焊縫的表面及近表面缺陷進行檢測的方法。首先介紹了渦流陣列檢測的原理，對帶缺陷試塊進行檢測試驗，研究分析了檢測結果，確定了合理的檢測參數；接著開展了攪拌摩擦焊產品的實際檢測，并且利用著色滲透檢測法做了對比試驗。研究結果表明，渦流陣列檢測技術可實現攪拌摩擦焊焊縫表面及近表面缺陷的檢測。

1 渦流陣列檢測的基本原理

渦流陣列檢測(ECAT)基于常規的渦流檢測技術，是無損檢測技術發展的一個重要分支，其主要通過合理的傳感器結構設計使渦流探頭陣列化，并利用數字信號處理技術和計算機技術完成信號的激勵、運放、采集、調理、顯示等功能，從而實現對被檢對象的快速、高效、數字化檢測。與傳統單探頭渦流檢測相比，渦流陣列檢測采用電子學的技術，對傳感器單元進行分時切換，通過單次掃查就能達到傳統單探頭渦流檢測的多次掃查，傳統渦流單探頭掃查與渦流陣列探頭掃查原理示意如圖1所示[5-8]。

圖1 傳統渦流單探頭掃查與渦流陣列探頭掃查原理示意

借助渦流陣列檢測技術可以很方便地對工件表面進行大面積快速檢測，且對被檢工件表面、近表面的檢測靈敏度與常規渦流檢測技術的相同。通過設計制作不同線圈排布與結構類型的渦流陣列探頭，可以實現不規則零件表面的高效檢測，幾種類型的渦流陣列探頭外觀如圖2所示。

圖2 幾種渦流陣列探頭外觀

渦流陣列檢測系統的組成框圖如圖3所示，該系統一般包括信號發生模塊、運放和功放模塊、模擬開關陣模塊、陣列傳感器、正交鎖定放大模塊及數據采集處理顯示模塊一共6部分[9]。

圖3 渦流陣列檢測系統的組成框圖

2 試驗方法

2.1 試驗設備

試驗所使用的渦流陣列檢測系統由檢測主機、渦流陣列探頭ECATFC-1及便攜式計算機3大部分組成。渦流陣列檢測主機高度集成，內置高頻信號激勵模塊、信號調理模塊、高速信號采集模塊等，可以實現ECT(渦流檢測)、ECA(渦流陣列)、RFT(遠場渦流)、NFT(近場渦流)、NFA(近場陣列)、MFL(漏磁檢測)等多種檢測功能。渦流陣列探頭由渦流陣列線圈傳感器與編碼器組成，探頭為柔性封裝結構，可以適用于非平整表面的檢測。便攜式計算機安裝有渦流陣列檢測分析軟件，與檢測設備主機通過網線連接，可以實現渦流檢測信號的高效、穩定、快速采集和分析，有時序圖、阻抗圖、電壓平面視圖、二維與三維C掃描、二維與三維極軸掃描等多種數據處理顯示模式。

2.2 檢測工藝參數

渦流陣列檢測過程中對檢測結果影響較大的工藝參數主要包括：激勵頻率、激勵電壓及增益等。對于不同的檢測對象和檢測探頭，檢測工藝參數也不相同。

2.2.1 激勵頻率

渦流陣列檢測需要選取適宜的檢測頻率，以確保檢測靈敏度和滲透深度滿足檢測要求。

有缺陷的試塊外觀及渦流陣列探頭掃查方法如圖4所示。AL3鋁材試塊表面刻有不同方向、不同尺寸的線性缺陷，分別將激勵頻率從100 kHz逐漸增加至800 kHz，保持激勵電壓、增益等參數不變，研究激勵頻率對試塊上不同方向槽的檢測結果的影響。不同激勵頻率條件下對AL3鋁材試塊的檢測結果如圖5所示(圖5～7中上圖為橫向信號，下圖為縱向信號)。

圖4 有缺陷的試塊外觀及渦流陣列探頭掃查方法

圖5 不同激勵頻率條件下對AL3鋁材試塊的檢測結果

通過多次試驗結果可知：隨著激勵頻率的逐漸增加，檢測靈敏度同時提高，然而信噪比卻有所下降。對比C掃描成像圖，可知當激勵頻率在300 kHz～400 kHz內時，檢測結果較好。

2.2.2 激勵電壓

只改變激勵電壓，其他參數保持不變，研究不同激勵電壓對檢測結果的影響，結果如圖6所示。

圖6 不同激勵電壓條件下對AL3鋁材試塊的檢測結果

由檢測結果發現，當激勵電壓為5～7 V時，可以獲得較好的C掃描成像圖。

2.2.3 增益

只改變增益，其他參數保持不變，研究增益對檢測結果的影響，檢測結果如圖7所示。

圖7 不同增益條件下對AL3鋁材試塊的檢測結果

對比檢測結果可知，當增益為45～50 dB時，可以獲得較好的C掃描成像圖。

2.3 實際產品檢測

2.3.1 環焊縫檢測

對鋁合金攪拌摩擦焊環焊縫進行渦流陣列檢測，結果如圖8(a)所示。從C掃描成像圖中可以清晰地看到位于焊縫中間部位有較長的一條線狀缺陷，長度約為150 mm。

為了確定渦流陣列檢測的可靠性，采用著色滲透法對同一部位進行驗證性對比試驗，結果如圖8(b)所示。觀察著色滲透檢測結果，可以發現焊縫中間確實存在一條較長的缺陷，缺陷的位置與尺寸都與渦流陣列檢測結果一致。

圖8 攪拌摩擦焊環焊縫檢測結果

2.3.2 縱焊縫檢測

同樣利用渦流陣列檢測與著色滲透檢測兩種方法對攪拌摩擦焊縱焊縫進行檢測，檢測結果如圖9所示。

圖 9 攪拌摩擦焊縱焊縫的渦流陣列和著色滲透檢測結果

從圖9(a)所示的掃查結果中可以看到橫向與縱向檢測信號的右端部都有圓形類缺陷，對比著色

滲透檢測結果，發現在焊縫的上端存在疑似缺陷顯示，然而此信號顯示為攪拌摩擦焊結束時在焊縫終端留下的匙孔，并非缺陷信號。

通過攪拌摩擦焊環、縱焊縫的渦流陣列檢測和著色滲透檢測對比檢測試驗可知，渦流陣列檢測技術能夠發現攪拌摩擦焊焊縫的表面及近表面缺陷。

3 結語

(1) 采用渦流陣列檢測系統對鋁合金攪拌摩擦焊接接頭進行檢測，通過選取合適的檢測參數，可以實現攪拌摩擦焊焊縫的渦流陣列快速C掃描成像檢測。

(2) 對比著色滲透法和渦流陣列法的檢測結果，發現兩者缺陷信號顯示幾乎一樣，證明渦流陣列檢測具有較高的可靠性。

(3) 渦流陣列檢測得到的缺陷圖像與實際缺陷能夠很好地對應，但缺陷的精確表征方面值得進一步研究。

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