搅拌摩擦焊焊缝缺陷的超声相控阵检测技术

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1、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

2、、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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