厚度小于6 mm的攪拌摩擦焊焊縫相控陣超聲檢測

楊書勤，鐘麗英，張亞榮，張家瑞，王景海

(陜西飛機工業(集團)有限公司, 漢中 723215)

在航空航天工業的攪拌摩擦焊(FSW)焊縫的檢測中，國外已經普遍采用相控陣超聲檢測方法，國內的航天工業已經開始使用該方法并頒布了檢測標準。由于目前國內航空工業尚未使用該方法，所以也無適用的標準。如何進行攪拌摩擦焊焊縫的相控陣超聲檢測以及制定相應的驗收標準就成了急需解決的問題。

通過對某工程后段斜臺地板攪拌摩擦焊焊縫兩種無損檢測方法的比較，提出對該攪拌摩擦焊焊縫應采用相控陣超聲檢測的方案，并進行了試塊及試驗件的對比驗證試驗。

1 檢測對象及要求

某工程斜臺地板產品如圖1所示，采用攪拌摩擦焊焊接工藝，該零件所使用材料為7050-T7451鋁合金，焊縫厚度為1.8～5.0 mm，零件數模中規定對攪拌摩擦焊焊縫內部進行100%射線檢測。

圖1 某工程斜臺地板產品圖示

鋁合金零件的攪拌摩擦焊焊縫內部缺陷驗收要求參考標準HB/Z 20048-2018 《飛機整體壁板制造工藝攪拌摩擦焊》，驗收技術要求如下。

(1)焊縫內部不允許有裂紋。

(2)焊縫內部隧道型缺陷規格如表1所示(不同厚度工件焊接時，材料厚度按薄件計算)。

表1 焊縫內部缺陷規格

斜臺地板零件攪拌摩擦焊焊縫的厚度為1.8～5 mm，按照Ⅰ級焊縫驗收，不允許存在隧道型缺陷。

2 檢測方法的選擇原則

攪拌摩擦焊焊縫產生的缺陷具有明顯的緊貼、細微和取向復雜的特點，增加了缺陷檢測的難度。常規X射線檢測成本較高，其中X射線膠片成像檢測對異種材料以及衰減系數與焊縫材料的差異小的界面缺陷檢測效果差、檢測效率低，檢測成本較高,對檢測人員有一定的輻射風險，不宜廣泛采用。

相控陣超聲檢測具有能發現工件內部微小缺陷及緊密結合界面的優點，適用于檢測攪拌摩擦焊接頭的內部缺陷。

國外航空航天工業以及國內的航天工業中對攪拌摩擦焊的檢測中，對于厚度大于9 mm的攪拌摩擦焊焊縫，普遍采用相控陣超聲檢測方法。

標準GB/T 32563-2016 《無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法》和ISO 13588-2012 《焊縫無損檢測 超聲檢測 相控陣自動檢測技術》規定了用相控陣技術對厚度6 mm以上的金屬材料熔化焊接接頭超聲檢測的方法。ASTM E2700-2014 《接觸式相控陣超聲檢測焊縫標準方法》 規定檢測厚度范圍為9～200 mm。QJ 20045-2011 《鋁合金攪拌摩擦焊超聲相控陣檢測方法》 規定檢測厚度范圍是315 mm。

通過設計并制作對比試塊及驗證的試驗件，經過大量試驗，驗證了相控陣超聲波對6 mm以下的攪拌摩擦焊焊縫內部、表面和近表面缺陷的檢測可行性。

3 檢測方案的制定

對于6 mm以下的攪拌摩擦焊焊縫，國內外目前仍采用X射線進行檢測。因超聲波檢測存在盲區，對于6 mm以下的攪拌摩擦焊焊縫需要設計對比試塊，并通過試驗確定相控陣超聲的檢測參數。

3.1 相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲檢測的基本原理是相位控制。相位控制包括發射和接收兩大部分。相控陣的發射是用電子技術調整陣元的發射相位和超聲波強度，以實現聲束的偏轉和聚焦。焦點位置和聚焦方向可以根據要求進行動態自由調節，其基本思想是調整各個陣元發射信號的相位，使各陣元到達焦點的聲束具有相同的相位，以實現相控聚焦。相控陣接收時的相位控制也是用延遲來實現的。相控陣接收信號時，按照回波到達各陣元的時間差對各陣元接收信號進行延時補償，然后進行聲束合成，通過各陣元的相位、幅度控制以及聲束形成等方法形成聚焦和偏轉。

3.2 檢測設備

儀器：選用ZETEC公司的TOPAZ-32/128PR相控陣超聲檢測儀，最多同時激發32個晶片用于發射，最大通道數為128個。

探頭：選用LM-5 MHz探頭，探頭頻率為5 MHz，64個晶片，晶片中心距為0.6 mm，晶片寬度為0.5 mm，晶片間距為0.1 mm，晶片長度為10 mm。

楔塊型號：選用Water-45SW標準LM(中等線型探頭)相控陣探頭楔塊，自然角度為45°的橫波，有注水孔和楔塊加持裝置。

對比試塊：采用與檢測焊縫厚度相同的對比試塊。在試塊上進行人工刻槽。

試驗件：加工模擬人工缺陷的斜臺地板，改變摩擦焊的攪拌針轉速，制作人工缺陷，作為驗證試驗件。

耦合劑：機油。

自動掃查裝置：由相控陣數據采集和分析軟件、工裝系統和工件檢測平臺組成(見圖2)。

圖2 相控陣超聲檢測系統組成示意

相控陣數據采集和分析軟件：支持數據采集、在線和離線分析功能；支持帶狀圖，利薩圖，C掃視圖(3D)，極坐標視圖，側視圖等多種視圖顯示功能；支持缺陷指針測量、輔助分析、設置深度曲線、信號調節等功能。

工裝系統：工裝系統能夠配合超聲波相控陣主機及渦流主機對攪拌摩擦焊工件進行檢測。能夠支持xyz三軸電動控制，滿足相控陣超聲檢測的測量精度要求。

工件檢測平臺：系統中配置有攪拌摩擦焊工件檢測平臺，工件吊裝至該檢測平臺上，焊縫的檢測在該平臺上完成。

3.3 試塊及參數設定

以攪拌摩擦焊焊縫厚度為3 mm的斜臺地板相控陣超聲檢測為例，規定了檢測過程的一般要求。包括設備的調節，檢測完成后靈敏度復查，缺陷復檢，編碼器校驗以及缺陷的標識等。

3.3.1 檢測參數及步驟

檢測參數可參考標準QJ 20045-2011進行粗選，具體數值以探頭置于對比試塊上，調整增益直到對比試塊上所有缺陷可以清晰地被發現。

檢測參數設置為：檢測面，單面雙側；波型,3次橫波;起始晶片,1;激發晶片數,16;掃查方式,沿線掃查(見圖3);顯示方式,線掃、A掃、C掃;角度,58°;聚焦深度,3.0 mm;參考線位置(探頭斜楔后端距焊縫中心位置)：20 mm。

圖3 相控陣超聲檢測示意

3.3.2 對比試塊

試塊材料為7050-T7451鋁合金，尺寸(長×寬×高)為600 mm×280 mm×3 mm，共a,b,c,d,e,f 6個刻槽尺寸(長×寬×高)為10 mmX0.1 mmX0.5 mm。對比試塊結構示意如圖4所示。

圖4 對比試塊結構示意

3.3.3 試件

試件由兩塊厚度為1.85 mm的斜臺地板焊接而成，降低攪拌摩擦焊攪拌針的轉速，制作人工缺陷。斜臺地板A,B結構示意如圖5，6所示，驗證的試件結構示意如圖7所示。

圖5 斜臺地板A結構示意

圖6 斜臺地板B結構示意

圖7 驗證的試件結構示意

4 檢測結果

4.1 對比試塊的顯示

相控陣超聲檢測焊縫厚度為3 mm的對比試塊，顯示結果如圖8所示。

圖8 對比試塊相控陣超聲檢測結果

線掃描、A掃描檢測瞬時顯示，可通過軟件進行分析；C掃描、融合VC-C掃描(融合了體積矯正的C掃描)可直接觀察。a,b,c,d,e,f為缺陷顯示。

通過對厚度為3 mm的對比試塊焊縫進行相控陣超聲檢測，可以發現焊縫厚度上有不同深度的刻槽。

4.2 試件的檢測

用相同的參數檢測如圖7所示的試件，顯示的結果如圖9所示。

圖9 試件的相控陣超聲檢測結果

通過對試件進行相控陣超聲檢測，可以發現長度約為90 mm的隧道型缺陷顯示(見圖9)。試件經射線檢測，底片發現長度約為87 mm的缺陷顯示(見圖10)。

圖10 試件射線檢測的底片顯示

5 結語

根據斜臺地板結構及攪拌摩擦焊的特點，焊接過程中易出現縱向裂紋與隧道型缺陷，通過分析相控陣超聲檢測的原理，確定了其相控陣超聲檢測的工藝參數，包括探頭頻率、角度、楔塊參數等。對模擬試件的檢測及現場的實際應用結果表明，采用的工藝可以滿足6 mm以下斜臺地板攪拌摩擦焊焊縫的質量檢測的要求。

對于多種取向及方位的攪拌摩擦焊焊縫缺陷，此方法有著良好的檢測效果。利用相控陣超聲檢測系統可以方便地改變入射角，對不同取向的缺陷有較高的檢出率。