搅拌摩擦焊常见缺陷及其无损检测技术

1、搅拌摩擦焊常见缺陷及其无损检测技术搅拌摩擦焊( Friction Stir Welding )作为一种新型固 态焊接技术，自 1991 年诞生以来，其研究与应用已取得突飞猛 进的发展，现已在国外诸多工程制造领域得到广泛应用。目前， 国内主要航空制造企业已陆续引进了该技术， 由于焊接过程中焊 缝温度始终低于被焊材料的熔点， 可避免传统熔焊方法易产生的 气孔和热裂纹等缺陷， 因而特别适合于传统熔焊方法难以实现的 铝合金等低熔点有色金属及其合金的焊接。 尽管搅拌磨擦避免了 传统熔焊易产生的缺陷， 但由于该技术自身特点以及工艺参数选 取不当等因素影响依然会产生一些特征不同于熔焊方法的缺陷。 针对这一问

2、题， 本文对搅拌摩擦焊的几种常见缺陷以及无损检测 技术进行探讨，以供业内相关人员参考。1 搅拌摩擦焊常见缺陷的产生原因 搅拌摩擦焊的常见缺陷可分为三种基本类型：未充分填充、 未焊透、根部不连续。1.1 未充分填充焊接过程中，焊缝中受到热 - 机联合作用的塑化金属会发生 流动，是搅拌摩擦焊焊缝形成的基本特征。 塑化金属的流动行为 可分解为三种简化形式：塑化金属受搅拌头作用而产生圆周运 动；塑化金属沿焊接方向的水平流动； 塑化金属在焊缝厚度方向 的流动。 若焊接参数选择不当， 会造成焊接过程中塑化金属不能 在搅拌头后方和焊缝厚度方向充分填充， 因此沿焊缝水平方向将 产生间隙。 这个会因程度的差别而

3、有两种表现形式， 当塑化金属 填充效果极差时， 表现为暴露于焊缝表面的沟槽； 当塑化金属填 充有轻微不足时， 则在焊缝内部形成孔洞。 产生此类缺陷的原因 主要是由于焊接参数选取不当， 会导致焊接时的热输入量过高或 不足所致。当热输入过高时，焊缝金属软化程度急剧升高，与搅 拌头之间的摩擦作用减弱， 甚至产生相对滑移； 而当热输入过低 时，焊缝金属软化程度不足，同样无法充分流动。1.2 未焊透 未焊透是指在焊缝底部未形成连接或不完全连接的缺陷。 未 焊透的产生实际上是由于搅拌头上用来插入接合面的搅拌针长 度不足或是焊接时搅拌头轴肩对被焊工件的顶锻压力不够所造 成。在搅拌摩擦焊焊接过程中，如果搅拌针

4、长度合适，两块对接 板材之间对接面上的氧化物会在搅拌针旋转和前进过程中被打 碎，在搅拌头后部形成致密的接头，氧化物弥散分布在接头中。 但如果搅拌针长度偏短， 搅拌针在焊接过程中不能完全搅拌焊缝 厚度方向上的材料， 尤其是焊缝下方的材料， 在焊接后接头根部 会出现未焊透缺陷。 其中母材结合相对紧密的未焊透缺陷被称为“吻接”(kissing bond),它是未焊透缺陷的一种特殊形式。1.3 根部不连续缺陷根部不连续缺陷也称为“S曲线”或“Z曲线”，目前学术 界对于此缺陷尚未形成统一的定义， 但多数学者认为它是一种根 部的弱连接缺陷。 产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、缝表面可能形成一层与焊缝内部材料组织 不同的氧化物层， 由于在焊接过程中对接表面的氧化膜未被完全 打碎，从而在焊缝中残留，并呈半连续分布。2 搅拌摩擦焊常用检测方法及原理 从目前国内的研究与生产实践情况来看， 传统的检测方法中 已有以下四种被应用于搅拌摩擦焊焊缝缺陷的检测：2.1 超声波检测 超声波检测方法是指利用探头发射的超声波束在试件中传 播，对超声波的反射和透射行为进行研究， 从而对试件进行宏观 缺陷、几何特性以及组织结构等的检测和表征， 并进而对其特定 应用性进行评价的技术。超声波是一种频率高于 20kHz 的机械波，它具有如下的特 点：超声波声束能量集中在特定的方向上， 并且在介质中

6、沿直线 传播，具有良好的指向性；其在介质中传播时，会发生衰减和散 射；超声波在异种介质的界面上将产生反射、折射和波型转换。 利用超声波的这些特性，可以获得从缺陷界面反射回来的反射 波，从而达到探测缺陷的目的； 超声波在固体中的传输损失很小， 探测深度大，由于超声波在异质界面上会发生反射、 折射等现象， 尤其是不能通过气体固体界面，因此当焊缝中出现孔洞等缺陷 时，超声波传播到金属与缺陷的界面处时，就会发生反射。反射 回来的超声波被探头接收， 通过仪器内部的电路处理， 在仪器的 荧光屏上就会显示不同高度和有一定间距的波形， 可以根据波形 的变化特征判断缺陷在工件中的深度和位置等信息。超声波检测方法

7、按所采用的波形可分为纵波法、 横波法以及 表面波法。 纵波法是使用直探头发射纵波进行探伤的方法， 纵波 波束垂直入射至试件探测面， 在试件中仍以纵波波形传播并且传 播方向不变， 该方法又称垂直法， 对与探测面平行的缺陷检出效 果最佳。 横波法是通过波形转换得到横波进行探伤的方法。由于入射到试件中的横波束与探测面成锐角， 所以又称为斜射法， 该 方法可以发现运用纵波法不易发现的缺陷。利用表面波探伤时， 由于表面波的波长比横波波长短， 因此表面波在传播过程中衰减 也大于横波。表面波对于表面上的油污、不光洁等反应敏感，并 且波束能量大量地衰减。 在对焊缝进行超声检测时通常采用横波 法，有利于检测到焊

8、缝内部缺陷。 因此利用横波斜探头可对搅拌 摩擦焊焊缝缺陷进行检测。图 1 为运用横波检测法对工件中缺陷的检测示意图， 当超声 横波以入射角 ?入射到试件下表面的界面上时，声波经上、下表 面反射形成V形路径。如果声波在前进中没有遇到任何阻碍，声波则不会反射回来，荧光屏只显示始波T。如果在超声传播途中遇到缺陷时， 部分声波将反射回探头， 在荧光屏上则可显示出缺 陷回波 F。2.2 涡流检测 涡流检测是建立在电磁感应原理基础之上的一种无损检测方法， 通常由三部分组成， 即载交变电流的检测线圈（探头）、检测电流的仪器和被检金属工件。如图2 所 示，当载有交变电流的检测线圈靠近金属工件时， 由于激励线圈

9、 磁场的作用， 工件中会产生涡流， 该涡流同时产生一个与原磁场 方向相反的磁场， 并部分抵消原磁场， 导致检测线圈电阻和电感 分量变化。若焊缝中存在缺陷，就会改变涡流场的强度及分布， 使线圈阻抗发生变化， 通过检测这个变化就可判断出被测试件的 性能及缺陷。涡流检测在实际应用中，电导率、磁导率、频率、 缺陷类型以及工件厚度等的变化都会引起阻抗的变化。2.3 渗透检测渗透检测是一种以毛细作用原理为基础的检测技术， 主要用 于检测非疏松孔的金属或非金属部件的表面开头缺陷。检测时， 将溶有荧光染料或着色染料的渗透液施加到零部件表面， 由于毛 细作用， 渗透液渗入到细小的表面开口缺陷中， 清除着在工件表

10、 面的多余渗透液， 经干燥后再施加显像剂， 缺陷中的渗透液在毛 细现象的作用下被重新附着到零件表面上， 就形成放大了的缺陷 显示，即可检测出缺陷的形貌和分布状态。渗透检测易受工件表面状态影响， 目前只能检测表面开口缺 陷，对于未开口的近表面缺陷及其他内部缺陷则无法识别。2.4 射线检测射线检测是利用射线（X射线、Y射线、中子射线等）穿透 被检测工件过程中具有一定的衰减规律， 根据通过工件各部位衰 减后射线强度检测工件内部缺陷的一种方法。 不同物体其衰减程 度不同， 衰减的程度由物体的厚度、 物体的材质品种以及射线的 种类而定。 当使用射线种类固定后， 衰减后射线强度取决于被检 工件厚度和工件的密度。 如工件中含有孔洞时， 有孔洞的部分不 易吸收射线，不容易透过。3 结语 实践证明，在常用的无损检测技术中，射线检测成本较高， 不利于广泛采用； 渗透检测容易受到工件表面状态的影响， 且只 能检测表面开口缺陷。相比这两种方法，超声检测设备简单，成 本较低，能够检测焊缝内部细密、 紧贴型缺陷， 如孔洞缺陷、 “S 曲线”；而涡流检测具有灵敏、快速的特