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(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司, 漢中 723215)

在航空航天工業(yè)的攪拌摩擦焊(FSW)焊縫的檢測中，國外已經(jīng)普遍采用相控陣超聲檢測方法，國內(nèi)的航天工業(yè)已經(jīng)開始使用該方法并頒布了檢測標(biāo)準(zhǔn)。由于目前國內(nèi)航空工業(yè)尚未使用該方法，所以也無適用的標(biāo)準(zhǔn)。如何進(jìn)行攪拌摩擦焊焊縫的相控陣超聲檢測以及制定相應(yīng)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)采用相控陣超聲檢測的方案，并進(jìn)行了試塊及試驗(yàn)件的對比驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 檢測對象及要求

某工程斜臺地板產(chǎn)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(shù)模中規(guī)定對攪拌摩擦焊焊縫內(nèi)部進(jìn)行100%射線檢測。

圖1 某工程斜臺地板產(chǎn)品圖示

鋁合金零件的攪拌摩擦焊焊縫內(nèi)部缺陷驗(yàn)收要求參考標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 20048-2018 《飛機(jī)整體壁板制造工藝攪拌摩擦焊》，驗(yàn)收技術(shù)要求如下。

(1)焊縫內(nèi)部不允許有裂紋。

(2)焊縫內(nèi)部隧道型缺陷規(guī)格如表1所示(不同厚度工件焊接時(shí)，材料厚度按薄件計(jì)算)。

表1 焊縫內(nèi)部缺陷規(guī)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(yàn)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(chǎn)生的缺陷具有明顯的緊貼、細(xì)微和取向復(fù)雜的特點(diǎn)，增加了缺陷檢測的難度。常規(guī)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(shù)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(fēng)險(xiǎn)，不宜廣泛采用。

相控陣超聲檢測具有能發(fā)現(xiàn)工件內(nèi)部微小缺陷及緊密結(jié)合界面的優(yōu)點(diǎn)，適用于檢測攪拌摩擦焊接頭的內(nèi)部缺陷。

國外航空航天工業(yè)以及國內(nèi)的航天工業(yè)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(biāo)準(zhǔn)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(shù)》規(guī)定了用相控陣技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)方法》 規(guī)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(guī)定檢測厚度范圍是315 mm。

通過設(shè)計(jì)并制作對比試塊及驗(yàn)證的試驗(yàn)件，經(jīng)過大量試驗(yàn)，驗(yàn)證了相控陣超聲波對6 mm以下的攪拌摩擦焊焊縫內(nèi)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(nèi)外目前仍采用X射線進(jìn)行檢測。因超聲波檢測存在盲區(qū)，對于6 mm以下的攪拌摩擦焊焊縫需要設(shè)計(jì)對比試塊，并通過試驗(yàn)確定相控陣超聲的檢測參數(shù)。

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(fā)射和接收兩大部分。相控陣的發(fā)射是用電子技術(shù)調(diào)整陣元的發(fā)射相位和超聲波強(qiáng)度，以實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。焦點(diǎn)位置和聚焦方向可以根據(jù)要求進(jìn)行動態(tài)自由調(diào)節(jié)，其基本思想是調(diào)整各個(gè)陣元發(fā)射信號的相位，使各陣元到達(dá)焦點(diǎn)的聲束具有相同的相位，以實(shí)現(xiàn)相控聚焦。相控陣接收時(shí)的相位控制也是用延遲來實(shí)現(xiàn)的。相控陣接收信號時(shí)，按照回波到達(dá)各陣元的時(shí)間差對各陣元接收信號進(jìn)行延時(shí)補(bǔ)償，然后進(jìn)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(zhuǎn)。

3.2 檢測設(shè)備

儀器：選用ZETEC公司的TOPAZ-32/128PR相控陣超聲檢測儀，最多同時(shí)激發(fā)32個(gè)晶片用于發(fā)射，最大通道數(shù)為128個(gè)。

探頭：選用LM-5 MHz探頭，探頭頻率為5 MHz，64個(gè)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行人工刻槽。

試驗(yàn)件：加工模擬人工缺陷的斜臺地板，改變摩擦焊的攪拌針轉(zhuǎn)速，制作人工缺陷，作為驗(yàn)證試驗(yàn)件。

耦合劑：機(jī)油。

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

圖2 相控陣超聲檢測系統(tǒng)組成示意

相控陣數(shù)據(jù)采集和分析軟件：支持?jǐn)?shù)據(jù)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(biāo)視圖，側(cè)視圖等多種視圖顯示功能；支持缺陷指針測量、輔助分析、設(shè)置深度曲線、信號調(diào)節(jié)等功能。

工裝系統(tǒng)：工裝系統(tǒng)能夠配合超聲波相控陣主機(jī)及渦流主機(jī)對攪拌摩擦焊工件進(jìn)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(tǒng)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(shù)設(shè)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(guī)定了檢測過程的一般要求。包括設(shè)備的調(diào)節(jié)，檢測完成后靈敏度復(fù)查，缺陷復(fù)檢，編碼器校驗(yàn)以及缺陷的標(biāo)識等。

3.3.1 檢測參數(shù)及步驟

檢測參數(shù)可參考標(biāo)準(zhǔn)QJ 20045-2011進(jìn)行粗選，具體數(shù)值以探頭置于對比試塊上，調(diào)整增益直到對比試塊上所有缺陷可以清晰地被發(fā)現(xiàn)。

檢測參數(shù)設(shè)置為：檢測面，單面雙側(cè)；波型,3次橫波;起始晶片,1;激發(fā)晶片數(shù),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(gè)刻槽尺寸(長×寬×高)為10 mmX0.1 mmX0.5 mm。對比試塊結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 對比試塊結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速，制作人工缺陷。斜臺地板A,B結(jié)構(gòu)示意如圖5，6所示，驗(yàn)證的試件結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖5 斜臺地板A結(jié)構(gòu)示意

圖6 斜臺地板B結(jié)構(gòu)示意

圖7 驗(yàn)證的試件結(jié)構(gòu)示意

4 檢測結(jié)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(jié)果如圖8所示。

圖8 對比試塊相控陣超聲檢測結(jié)果

線掃描、A掃描檢測瞬時(shí)顯示，可通過軟件進(jìn)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(jìn)行相控陣超聲檢測，可以發(fā)現(xiàn)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(shù)檢測如圖7所示的試件，顯示的結(jié)果如圖9所示。

圖9 試件的相控陣超聲檢測結(jié)果

通過對試件進(jìn)行相控陣超聲檢測，可以發(fā)現(xiàn)長度約為90 mm的隧道型缺陷顯示(見圖9)。試件經(jīng)射線檢測，底片發(fā)現(xiàn)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(jié)語

根據(jù)斜臺地板結(jié)構(gòu)及攪拌摩擦焊的特點(diǎn)，焊接過程中易出現(xiàn)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(shù)，包括探頭頻率、角度、楔塊參數(shù)等。對模擬試件的檢測及現(xiàn)場的實(shí)際應(yīng)用結(jié)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(zhì)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(tǒng)可以方便地改變?nèi)肷浣牵瑢Σ煌∠虻娜毕萦休^高的檢出率。