全自動卷繞機長襯套摩擦焊接頭無損檢測方法分析

北京中麗制機工程技術有限公司 王富強 王隆泉/文

在汽車、航空制造、石油鉆桿和工具等行業，摩擦焊焊接質量要求百分之百的可靠，接頭質量的檢測是必不可少的。雖然各企業進行了各種質量保證措施，但焊接缺陷卻總是不可避免。檢驗焊接接頭的方法分為破壞性檢驗和無損檢驗兩大類，無損檢測又分許多種，每種檢測方法各有其優缺點。

長襯套是化纖設備的核心零部件，支撐絲餅高速旋轉又承重載，其結構如圖 1所示。它的一個重要結構特征是一頭粗另一端細，而且粗的部分占很小一部分。長襯套毛坯直徑必須大于左端圓環的直徑，而且由于右端細長部分中間有110mm長的細孔，所以其毛坯必須為棒料而不能用空心管料。一直以來，長襯套都是以圓鋼為原材料加工而成。

為了節能減耗，將長襯套零件（圖1所示）拆分為兩個零件(如圖2所示)，件一為圓環或圓板，件二為細軸，采用摩擦焊焊接成一體。這樣原來必須用一根粗料車成的零件，就變成了由一根細長料和一個短粗堵頭焊為一體的結構，不僅可以降低切削量、節省材料，而且節省這些材料的加工工時，從而大幅降低生產成[1]。

摩擦焊接頭的焊接缺陷主要是未焊透和焊接裂紋，前者發生在焊接表面上，后者在焊縫表面和母材上都有可能產生。在正常生產過程中，因檢測成本制約等原因，對大型零件進行破壞性檢測顯然是不可行的檢測方案，合理的檢測方法應當是無損檢測。本文就是針對長襯套這一加工工藝的變化，分析解決長襯套摩擦焊接頭焊接質量的無損檢測方法。

圖1 長襯套結構示意圖

圖2 長襯套結構示意圖-摩擦焊版

1、無損檢測方法的適宜性分析

對于必須檢驗的大型零件進行無損檢測是相對可行的檢測方案，常用的無損檢測方法有如下幾種：

（1) X射線檢測

射線檢測是利用射線檢測被檢測部位的內部缺陷，射線穿過金屬，對內部進行檢測，所以屬于無損檢測方法。射線檢測適用于所有金屬、非金屬材料，只要是材質均勻，均可使用，而且檢驗靈敏度高[2]。射線檢測的基本原理：射線發生機產生射線，通過窗口發射出來。射線可以穿過被檢工件，由于缺陷處的密度，即對射線的吸收程度不同，所以射線穿過有缺陷的部位和沒缺陷的部位，射線的穿透量不同，缺陷越大，射線穿透量越多，在成像裝置上呈現出明顯的黑白色。有缺陷的地方射線多，曝光量大，顯影裝置為黑色；相反，沒有缺陷的地方，透光量一致，且透過量較少，顯影裝置上呈現出一片淺色。就這樣一黑一白，有缺陷和沒缺陷的地方被區分開來。采用射線檢測，顯影直觀，位置明確，大小可以量化，目前得到大量推廣。

（2) 著色滲透檢測

著色檢測方法共分四步：第一步，用專用清洗劑將工件待檢面擦洗干凈，所有鐵削、油污、水等雜物都必須去除，用抹布擦洗干凈；第二部，待清洗面晾干以后，將具有高滲透作用的液體涂抹在工件表面，放置足夠長的時間，讓滲透劑滲入表面開口的缺陷內部。放置期間工件表面不能干，遇風大、高溫天氣干燥較快時，可以補加一些滲透劑，保證工件表面的液體可以流動。該液體橙紅色，顏色鮮艷。第三步，滲透15～20分鐘后，滲透基本完成，此時應擦除工件表面的滲透劑，只留滲透進缺陷里的滲透劑。所以這一步比第一步重要，對操作的技術性要求較高。不僅要求擦出干凈表面的滲透劑，又不能擦干滲進缺陷的滲透劑，只能往一個方向擦，不能往復擦，工件表面不能有肉眼可見的滲透劑殘留。第四步，在第三步結束后迅速展開，不能間隔時間長，否則滲進缺陷內部的液體會被風干，這樣就無法檢測了。在距離工件300～400mm的位置噴顯像劑，薄薄的一層白色。該物質迅速粘貼的工件表面，而且能把缺陷里殘存的滲透劑吸出來，使工件表面呈現出紅色。這樣白底紅印對比鮮明，可以清洗地發現缺陷位置和大小，因此滲透檢測是一種有效的無損檢測方法，但他只能檢測表面開口的缺陷，因為表面不開口的缺陷不能吸收滲透劑。該檢測方法的基本原理是毛細現象、滲透和潤濕等。

具體方法如下：長襯套焊接后外表面和內孔都需要車削加工，通過車削加工，去除焊接翻邊，然后對接頭處進行滲透檢測，此時采用滲透檢測方法可以發現工件表面未焊透、未熔合等裂紋類缺陷。

（3) 超聲檢測方法

超聲波檢測應用廣泛，常見的使用場所為醫院體檢，A掃、B掃，成像不同。超聲波的一大特性是聲音沿直線傳播，遇到界面后發生反射，類似光的傳播特征。檢測時，發射與接收一般都在同一個裝置上，發射裝置通過耦合劑與被檢測物體（人或者工件）連接，超聲波順利進入被檢測工件內部。超聲波在工件內部遇到缺陷后，由于缺陷的密度與工件不同，或者缺陷與工件之間存在空氣的材質不同的界面，那么超聲波就會被絕大部分地反射，波束沿原路返回，發射裝置接收到發射信號后，傳回控制器。超聲波收發裝置是一種轉換器，可以將高頻的機械振動轉換成超聲波，也能將超聲波轉換成電信號，轉換器進行著聲壓轉換。控制器通過時間差計算出缺陷的距離。檢驗員通過移動探頭位置，尋找缺陷的最大位置和邊緣位置，最終確定缺陷輪廓和缺陷的中心。即使是點缺陷，超聲檢測也可以通過當量計算出缺陷的大小。

超聲波檢測使用方便，成本低，運行成本也低，耗材少，耦合劑可以用水代替，無污染效率高，可以探測所有晶粒細小的金屬材料。超聲波檢測和射線檢測并稱為內科檢測，因為它主要用來檢測工件內部的缺陷。

圖3 超聲檢測模擬試塊

圖4 超聲檢測回波信號

（4) 相共陣超聲檢測法

相共陣超聲檢測又稱作TOFT，是多探頭檢測。檢測原理：一個探頭發射超聲信號，同時有多個探頭從不同角度不同位置接收反射信號，這樣一次性就可以接收到缺陷全方位信息，對缺陷定位方便，而且直觀。但是由于結構復雜，設備精良，維護成本和一次性購買成本都比較高，目前推廣比較慢。只是在航空領域得到一些應用，實驗室也有一些應用。

（5) 磁粉探傷

磁粉檢測的基本原理是利用鐵磁性材料在磁場中可以被磁化，而且被磁化的部位如果有缺口，缺口部位就會產生漏磁現象，當被檢測工件被灑上磁粉或者是一定濃度的磁粉水溶液，這時，磁粉就會被吸附在缺口位置。因此使用電磁鉗對工件進行磁化，近表面的缺陷就會被顯示出來。

有以上分析可知，磁粉檢測有很大的限制：首先是材料必須是可以被磁化的材料，像不銹鋼、鋁合金這些材料無法使用磁粉檢測。然后是被檢測的缺陷必須是近表面的，開口與否無所謂，這樣才能產生漏磁現象，顯示缺陷的位置和大小。所以只能用于一些特殊的場合，比如焊縫的表面檢測，表面復雜工件的檢測等[3]。

（6) 金相覆膜

隨著科技的不斷進步，新的檢測技術不斷出現，比如金相覆膜技術就是其中之一。對于一些體積較大的工件如果需要檢測金相，就必須進行破壞性檢測，檢測之后工件就會被報廢，而金相覆膜技術，可以在不破壞工件的前提下，通過對工件進行預處理，然后獲得工件的金相照片，方便、無損、成本低，然后將照片帶回實驗室分析。

適用于長襯套摩擦焊接頭檢測的無損檢測方法分析：長襯套摩擦焊接頭缺陷既有內部缺陷也有表面開口的缺陷。根據上面對幾種常見的無損檢測方法的分析可知，這些無損檢測方法中，滲透檢測和磁粉檢測都無法檢測內部缺陷，射線檢測和超聲檢測不僅能夠檢測表面缺陷也能夠檢測內部缺陷。但射線檢測不能夠檢測這種厚壁變徑管狀結構。如果采用射線檢測管子，透照時還要采用斜方向、雙壁單影，操作難度非常大，拍出的片子很難分辨缺陷，檢驗成本也很高，這種方法用于批量生產肯定不適合。

超聲檢測有許多的優點，缺陷定位準確、缺陷性質分析較清晰、缺陷檢測結果可記錄、檢測效率高，成本低，因此本文將重點進行超聲無損檢測方法的有效性；探討斜探頭和直探頭兩種超聲檢測的優劣。

2、超聲檢測工藝分析

目前，許多單位采用超聲波檢驗方法來檢測摩擦焊接頭的缺陷，使用方便，成本低，已經取得了良好的使用效果，但是超聲探傷受工件材料和接頭形狀的限制。超聲檢測對被測件的表面粗糙度有較高要求，工件表面必須光滑，無焊瘤、飛濺、氧化皮等，因此超聲檢驗前必須對工件進行基本的處理。從材質方面考慮，使用超聲檢測的工件不能是不銹鋼、鋁等大晶粒金屬，因為超聲波在這類工件內部傳播時聲強損耗特大，傳播距離近，無法正常使用，但是這一點對于長襯套來說不成問題，長襯套使用的材料屬于低合金鋼，晶粒細小均勻，因此長襯套適合超聲檢測。

為了方便分析超聲檢測工藝，根據相關資料提示，設計并投產超聲檢測缺陷模擬試塊，如圖 3所示[4]。此模擬試塊內側有三段凹槽，每個槽的深度不同，模擬不同深度的表面裂紋，又可以用于校準儀器靈敏度，分別是3×1槽、3×2槽、3×3槽。三個槽各占四分之一，還有四分之一沒有凹槽，代表沒有缺陷。該模擬試塊的創意在于將不同深度的人工缺陷加工在同一個工件上，不僅使用方便而且保存也很方便。

第一次測試時，采用5P20型號直探頭在實際工件左端端面檢測，無法發現缺陷。分析原因是這種探頭僅適用于檢測工件內部缺陷，而摩擦焊試驗初期的焊接裂紋總是從表面開裂，向內部擴展，但是直探頭無法檢測長襯套內外表面的裂紋。表面裂紋的有無和裂紋深度都是很重要的信息，對控制焊接質量有重要意義。

第二次測試時，在模擬試塊上采用13×13K2、13×13K1.5、14×14K2三種斜探頭檢測人工缺陷，無論如何調試都無法順利檢測到人工缺陷。分析原因是，由于焊縫剛好在工件變徑處，焊縫缺陷和干擾信號疊加在一起，檢測屏幕上信號雜亂，很難區分缺陷波和干擾信號，如圖 4a所示。

超聲檢測中探頭的選擇一般包括探頭的型式（種類）、前沿尺寸、探頭頻率、晶片尺寸以及K值等因素。經過前面的分析，我們選擇了斜探頭，接下來從探頭的近場長度方面探討一下其對檢測結果的影響。近場區聲場是很復雜的，沒有規律，不能用于檢測，近場區一般是檢測盲區；在遠場區聲強變化趨于平穩，探傷結果更準。因此，當工件尺寸小，應當采用近場距離較小的探頭，避免缺陷處于探頭的近場區。

超聲探頭的近場距離計算方法為：

N=L2/4λ （1-1）

其中N：近場區長度；L：探頭直徑；λ：波長（λ=c/f）；f：頻率；c：材料中的聲速

本工件的壁厚只有5mm，導致缺陷距離探頭很近。普通斜探頭的近場區較大，缺陷位于近場區。減小近場區的方法：減小探頭直徑、減少探頭頻率均可縮短近場長度。根據以上分析，制定新的超聲檢測工藝為：采用斜探頭檢測，探頭為6×6K1P5型，用一次波和二次波檢測。

第三次測試時，采用探頭為6×6K1P5型的斜探頭，新的檢測工藝不僅能夠檢測到缺陷而且回波很清晰，如圖 4b所示。

3、結論

目前使用超聲檢測已經能夠清晰地探出人工缺陷，每一根長襯套都可以在焊后采用該超聲檢測工藝進行超聲波無損檢測，我們可以信心百倍地將產品交付到用戶手中。由于此項技術，我們為長襯套摩擦焊正式投入使用提供了技術保障，操作者可以采用全檢或根據焊接參數監控曲線提示進行抽檢，保證焊縫質量。