搅拌摩擦焊焊缝缺陷的超声相控阵检测技术

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搅拌摩擦焊焊缝缺陷的超声相控阵检测技术余亮陈玉华黄春平柯黎明南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，南昌330063摘要：以常见的铝合金搅拌摩擦焊焊缝缺陷为研究对象，采用超声相控阵技术对不同厚度下的焊缝缺陷进行探测。改变相控阵的扫描角度、聚焦深度、焦点尺寸等参数实现对焊缝内部缺陷的准确定量及图像再现,提高声波对不同缺陷的检出能力，对缺陷信号标记部位进行解剖，观察缺陷的宏观形貌。结果表明：探头检测灵敏度高，易于快速分辨焊缝内部缺陷，结合不同的扫查方式直观给出缺陷三向视图，可以准确定位缺陷的位置、尺寸、分布；缺陷形状直接影响回波的形状和峰值，小孔洞为单一尖锐波峰，峰值高大；包铝层和疏松由多簇波峰构成，S显示疏松亮点比包铝层密集且分布面较大。关键词：铝合金搅拌摩擦焊超声相控阵焊缝缺陷0前言各个阵元可以看做一个线性波源，通过改变换能器各阵元的激励时序发射出波源，根据惠更斯原理，搅拌摩擦焊作为一种新型的固相焊接技术，与各个阵元发射的超声子波速在空间中叠加合成，使[8]传统的焊接方法相比，接头的拉伸性能、疲劳性能得发射声束聚焦或偏转，如图1(a)、（b）所示。和弯曲性能良好；焊接过程不需要气体保护、无烟与常规的超声检测相比，相控阵的换能器能有效地[1-2]尘及飞溅等优点。然而，在焊接过程中，工艺参控制声束形状和声压分布，使焦点位置、声束角度数选择不当或者外界因素的干扰，造成焊缝中极易在扫查面上连续，动态可控。声束聚焦增加了实际产生疏松、包铝、孔洞等缺陷，由于缺陷具有明显的声场强度，实现对复杂构件及其盲区缺陷的准确[3-4]的紧贴、细微和位向复杂特点在一定的程度上增检测；声束偏转使合成的波阵面具有一定的指向加了检测难度，目前，针对FSW焊缝缺陷的无损检角，不移动探头或少移动探头可扫查复杂工件的各测技术还处于探索的阶段。个区域，提高实际的扫查范围，有效地解决了空间超声相控阵检测技术作为无损检测的一种新限制和声束可达性的问题。[5]型的超声检测方法，是近几年来无损检测的热点，主要体现在对结构复杂工件、深度方向检测能力、缺陷识别能力、检测速度等方面具有突出的优势。目前，超声相控阵技术主要应用于航空航天、核电站、锅炉压力容器、电力、石油管道和铁轨等检测中，相控阵技术在无损领域应用具有广阔的前景[6-7]。常规检测方法易受到外界因素和缺陷结构影(a)声束聚焦响，如渗透检测易受工件表面状态影响，且只能检测表面开口缺陷，对于未开口的近表面缺陷及其它内部缺陷无法检测；射线检测成本较高，其中胶片成像检测对异种材料以及衰减系数与焊缝材料差异小的界面缺陷检测效果差，对面积型缺陷容易漏检；而超声相控阵检测相对于以上两种手段优越性为易于发现工件内部微小缺陷及紧密结合界面和(b)声束偏转检测成本低、检测速度快、准确定量、安全性高及图1相控阵聚焦和偏转控制示意图无污染等优点。相控阵检测对焊缝缺陷定位，通过斜探头对焊1相控阵检测原理缝进行扫查，在缺陷存在区域探头接收到缺陷回波超声相控阵检测技术是通过电子系统控制换信号，进行相应的计算获得缺陷的相关参数。图2能器阵列中的各个阵元，按照一定的延迟时间规则为检测扫描示意图，由图可知，相控阵相关的扫查发射和接收超声波，从而动态控制超声束在工件中方式，B扫描(侧视图):探测仪荧光屏上纵坐标的偏转和聚焦来实现材料的无损检测方法。换能器表示波的传播时间，横坐标表示探头的水平位由多个晶片构成，每个晶片受独立电磁脉冲激发，置，反映缺陷的水平延伸情况，B扫能直观显示1 缺陷在纵截面上的二维特性，获得截面直观图；设备为自制的龙门式搅拌摩擦焊机；相控阵超声波C扫描(顶视图):缺陷回波在荧光屏上为被检测检测设备为OmniScanMX2便携式相控阵检测仪，选对象中缺陷的水平投影位置，但不能确定缺陷用探头为5L64，耦合剂为机油。试验过程采用A扫、的深度；S扫描(端视图)：是超声数据的二维视S扫和C扫，扫查角度为35°～75°，通过调节相控图，显示在角度扇区或扫查范围内有聚焦法则阵设备的聚焦深度、焦点尺寸、相位延迟等参数对生成的所有A扫描，以生成工件的截面图。结搅拌摩擦焊接中的小尺寸、不同取向、多种类的未合各扫查图所获得的信息，扫查轴-步进轴-超知缺陷进行统一检测，使用与设备匹配的软件对试声轴实测数据，直观的给出缺陷在空间中的存验结果进行分析。在位置、尺寸、分布情况。以搅拌摩擦焊典型的疏松、包铝、孔洞缺陷为研究对象。为了减少试验的重复性，进行前期的模拟，针对不同厚度的铝合金采用ESBeamTool模拟软件获得较合适的参数，主要包括探头前沿距焊缝中心距离及初始激发晶片，使检测声波能够覆盖整个焊缝，如图3所示。实际检测中观察波幅的变化，对焊缝缺陷的检出部位标记、定量，确定缺陷类型。图2相控阵扫描示意图图35L64探头模拟示意图2试验材料及方法检测试样尺寸分别为300×100×10mm、300×100×8mm、300×100×6mm铝合金板材，焊接15mm25mm2.5mm4mm图4标块测试示意图3试验结果及分析叠加区，声波强度最大，测量过程中入射角度尽可3.1探头灵敏度测试能与缺陷的取向垂直。因此，通过调节聚焦深度和图4为相控阵检测仪对A型标块上不同深度、直扫查角度可直观的在扇扫上观察到缺陷位置，移动径Φ=1mm的横通孔测量示意图。根据波的叠加原理闸门选取不同深度时A扫的最高波峰，读取测量深压电晶片受激发产生频率相同、相位差恒定的超声度；试验发现，采用5L64探头对深度分别为15mm、波在介质中传播，相遇处出现波的叠加，相干波的17.5mm、20mm、22.5mm、25mm、直径为Φ=1mm的人2 工缺陷能够检出，同时对比测量深度与实际深度，到塑化状态，处于塑化状态的金属在搅拌针的挤压得出两者之间平均误差小于3‰，而深度25mm以下和搅拌作用下迁移至搅拌头后方形成的沟槽内，并[9]缺陷波峰值较小；由于声波在传播过程中不断衰在热―力作用下与周围的金属形成稳定的连接。减，深度较小的缺陷易检出，声波的反射率大，波焊接过程中，由于焊接工艺参数的选择不当，热量峰值高，而随深度的增加，声波的传播距离增加，的输入不足，金属的塑化状态较差，流动不充分，信号的衰减较快，造成回波的峰值逐渐降低，信号易造成焊后试样内部出现不同的缺陷。如由许多微变弱，因此，在深度大于25mm缺陷的回波观察到的小的孔洞聚集构成的大体积疏松缺陷；焊缝内部出信号回波较模糊，调节增益补偿，可以观察到缺陷，现的包铝迁移面。对缺陷信号记录区所标记部位进但同时周围杂波的波峰较高，易造成误判。行解剖、观察缺陷的形貌，FSW典型焊缝缺陷如图5(a)～(c)所示。3.2搅拌摩擦焊焊缝典型缺陷搅拌头与被焊工件摩擦产热，使焊缝区金属达(a)(b)(c)porosityaluminumcavity4mm4mm4mm图5FSW焊缝缺陷横截面形貌(a)孔洞横截面形貌(b)包铝横截面形貌(c)疏松横截面形貌检测三块不同缺陷的试板，图6中A扫和S扇的缺陷，由众多微小孔洞组成的疏松，形状不规则，扫图像表明，不同缺陷对超声波信号的波幅有一定内部结构比较复杂，对反射声波的干扰大，易发生程度的影响，图6a此处A扫上出现单一波形F1，漫反射现象，声波在缺陷内部折射、反射等造成声波峰尖锐，周围无其他波峰存在，通过S扫上定位波的透射率增加，反射率减小。得出缺陷的测量深度、扫查角度、缺陷距探头前沿(a)距离，信号F1来自焊缝区微小气孔对声波的反射，F1传播介质声阻抗相差较大（空气声阻抗远小于金F1属），声强反射率较高，此处峰值较高；通过调节扫查角度值至出现最高波峰值，可以明显观察到缺陷，图6b中F2为对应缺陷的波幅，s扫查中可以看(b)到两个亮点，A扫中几簇波峰紧贴，分析认为：由F2F2于在搅拌针的旋转作用下，表面的纯铝迁移至焊缝内部，形成了纯铝/铝合金结合面，剖析后缺陷对应于图5b包铝界面，包铝层的声阻抗与母材非常接近，紧贴两侧界面，声波反射率减弱，透射率增(c)加,而底部杂波波峰明显，试件表面粗糙所致；检F3F3测条件不变情况下图6c回波波峰最低，调节增益补偿,使波幅超过满屏的40%，可以明显观察到缺陷，发现图6c中A扫中出现多个波峰F3，底部的杂波较多，S扫中可以看到多个亮点分布区域较大，图6不同类型焊缝缺陷的回波信号测量深度方向位于轴肩变形区底部，步进轴方向偏(A型显示和S型显示)向于焊缝中心位置，解剖后对应于图5c中紊流区(a)孔洞回波信号(b)包铝回波信号(c)疏松回波信号3 4结论（1）超声相控阵探头灵敏度较高，准确检测出深度在25mm以上、直径Φ=1mm的横通孔，测量误差较小，同时结合S扫查、C扫查的情况能够对缺陷能够准确定量。（2）缺陷形状及其分布情况不同，声波在缺陷内部的反射、折射，回波信号衰减程度各异，造成波形的变化；孔洞缺陷为单一尖锐波峰，峰值较高；包铝及疏松缺陷波形呈现多束聚集的波峰，而波峰高度及其缺陷分布情况有所差异；因此，超声相控阵技术检测FSW焊缝缺陷具有一定的优越性。参考文献：1柯黎明,邢丽,刘鸽平.搅拌摩擦焊工艺及其应用[J].焊接技术,2000,29(2):7-8.2MishraRS,MaZY.Frictionstirweldingandprocessing[J].MaterialsscienceandEngineeringR,2005(58):1041-1046.3刘松平,刘菲菲,利乐刚,等.铝合金搅拌摩擦焊缝的无损检测方法[J].航空制造技术，2004，(3):81-84.4BirdC,QualitycontrolofFrictionstirweldsbythethapplicationofnon-destructivetesting[C].4internationalSymposiumFrictionstirwelding,PartCity,Utah,USA,2003.5钟志民，梅德松．超声相控阵技术的发展与应用．无损检测，2002，24(2)：69～71．6GarciaA,TanarroA．Ultrasonicinspectionusingarraytransducers．Insight，1998，40(12)：841～844．7LineD．Rapidinspectionusingintegratedultrasonicarrays．Insight，1998，40(8)：53～57．8PaulAMeyer,JWAnderson.UltrasonicTestingUsingPhasedArrays.15thWCNDT,Rone,Italy,2000.9KumarK.,KailasSA.TheroleofFrictionstirweldingtoolonmaterialflowandweldformation[J].MaterialScienceandEngineeringA,2008,485(1-2):367～3744 5