楊秋萍,林 剛,樂洪甜,胡博文,黃春平,夏 春
(1.江西省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)檢測(cè)研究院,南昌 330029;2.南昌航空大學(xué) 航空制造工程學(xué)院,南昌 330063)
攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding,簡稱FSW)是英國焊接研究所在20世紀(jì)90年代初發(fā)明的一種的固相焊接技術(shù),特別適合于鋁、鎂、銅及其合金材料的焊接,具有接頭質(zhì)量優(yōu)良、焊接效率高、焊接變形小以及無污染等優(yōu)點(diǎn)。目前,F(xiàn)SW已在航空航天、壓力容器、艦船、汽車、高速鐵路列車等領(lǐng)域的多種結(jié)構(gòu)形式的鋁合金構(gòu)件焊接中得到越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。但是,在FSW過程中,由于攪拌頭設(shè)計(jì)或工藝參數(shù)選取不當(dāng)?shù)纫蛩?,仍然?huì)產(chǎn)生諸如飛邊、溝槽、未焊透、未焊合、S線和隧道型孔洞等焊接缺陷。其中,未焊透缺陷是指在焊縫底部未形成連接或不完全連接的缺陷,常見于攪拌針長度不足或攪拌頭下壓量不夠時(shí)導(dǎo)致的在FSW焊縫根部產(chǎn)生母材未完全結(jié)合或弱結(jié)合[4],其具有緊貼細(xì)微、取向復(fù)雜等特點(diǎn)[5-6]。
目前,應(yīng)用于FSW焊縫未焊透缺陷的無損檢測(cè)技術(shù)主要是渦流[7]、滲透[8]等表面檢測(cè)技術(shù)。然而,當(dāng)FSW應(yīng)用于壓力容器等領(lǐng)域,必然存在大量的封閉焊縫,表面檢測(cè)并不適用于此類缺陷的檢測(cè)。同時(shí),對(duì)于緊貼細(xì)微的FSW缺陷,常規(guī)超聲可以得到較好的信號(hào)反饋,但當(dāng)缺陷形態(tài)較復(fù)雜時(shí),僅通過機(jī)械的方式改變超聲入射角以提升檢測(cè)能力的方式并不合適。超聲相控陣作為一種新型的無損檢測(cè)方法,在微小、復(fù)雜缺陷識(shí)別能力、檢測(cè)速度等方面具有突出的優(yōu)勢(shì),比較適合于FSW焊縫的無損檢測(cè)[9-11]。本文采用A掃描加S掃描的檢測(cè)模式,主要研究檢測(cè)方向與未焊透長度對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊焊縫超聲相控陣檢測(cè)信號(hào)的影響,并通過提取檢測(cè)信號(hào)的紋理特征以通過圖像識(shí)別的方式判斷缺陷類型及大小。
試驗(yàn)材料為5083鋁合金,試樣尺寸為200mm×150mm×8mm。攪拌摩擦焊試驗(yàn)采用兩塊試樣對(duì)接,試驗(yàn)用攪拌頭軸肩直徑φ26mm,采用左旋螺紋攪拌針,攪拌針長度分別為5.5mm、5.7mm和6.2mm,以獲得不同長度未焊透缺陷。
通過線切割截取焊縫橫截面后,進(jìn)行打磨、拋光,再利用Keller試劑進(jìn)行腐蝕,用 Olympus PM-T3 型光學(xué)顯微鏡觀察攪拌摩擦焊焊縫缺陷形貌。超聲相控陣檢測(cè)則使用Olympus公司生產(chǎn)的OmniScan MX2相控陣探傷儀,選用5MHz橫波相控陣探頭,耦合劑為機(jī)油,采用A掃描加S掃描的檢測(cè)模式。
圖1為不同攪拌針長度下攪拌摩擦焊焊縫未焊透缺陷形貌。從圖1中可發(fā)現(xiàn),未焊透界面呈微細(xì)及復(fù)雜取向的形態(tài);在焊縫底部,界面沿焊縫中心基本呈豎直形態(tài),靠近攪拌針部位由于金屬塑性遷移的影響,未焊透界面發(fā)生彎曲并最終朝返回邊取向;隨攪拌針長度的增加,未焊透長度減小,攪拌針長度為5.5mm、5.7mm和6.2mm時(shí),對(duì)應(yīng)的豎直段未焊透長度分別為1.0mm、0.85mm和0.38mm。
圖1 攪拌針長度對(duì)未焊透長度的影響:(a) 5.5mm;(b) 5.7mm;(c) 6.2mm
攪拌摩擦焊焊縫分為攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與焊接方向一致的前進(jìn)邊以及兩者方向相反的返回邊。圖2為攪拌針長度為6.2mm時(shí),分別從前進(jìn)邊和返回邊離焊縫中心11mm進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)的掃描圖像。檢測(cè)表明,在整條FSW焊縫均有明顯的缺陷回波檢測(cè)信號(hào)。
圖2包括白色背景的檢測(cè)角度51°時(shí)的A掃圖像(左側(cè))和黑色背景的檢測(cè)角度在45-70°范圍的S掃圖像(右側(cè))。從圖2中可發(fā)現(xiàn),從前進(jìn)邊和返回邊檢測(cè)的A掃圖像都呈現(xiàn)單束形態(tài),缺陷回波尖銳,單束回波底部相當(dāng)干凈基本沒有雜波;從S掃圖像中可以發(fā)現(xiàn),前進(jìn)邊和返回邊的檢測(cè)圖像均呈深色的扁長條形態(tài),顏色變化趨勢(shì)是內(nèi)部顏色更深而向外逐漸變淺。
從圖2中還可看到,從前進(jìn)邊和返回邊進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)的A 掃和S掃回波信號(hào)均比較明顯,但針對(duì)同樣試樣,不同檢測(cè)方向得到的信號(hào)強(qiáng)度不一,從返回邊檢測(cè)的回波信號(hào)明顯幅值要強(qiáng)于從前進(jìn)邊檢測(cè)。由于離焊縫中心距離均為11mm,而未焊透缺陷界面沿焊縫中心呈豎直態(tài),可以認(rèn)為超聲波探頭離缺陷的距離一致、從前進(jìn)邊和返回邊激發(fā)的聲束角度也一樣,影響回波信號(hào)強(qiáng)弱的只可能是由未焊透界面的反射特性或者前進(jìn)邊與返回邊的組織差異而引起的。根據(jù)未焊透缺陷的特征,其主要呈豎直形態(tài)(如圖1(c)),從前進(jìn)邊和返回邊進(jìn)入的聲束反射特性應(yīng)該基本相同,故前進(jìn)邊與返回邊組織結(jié)構(gòu)差異是影響信號(hào)強(qiáng)度的主要原因。由于前進(jìn)邊攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與焊接方向一致,所承受的摩擦力大于返回邊,而摩擦生熱是攪拌摩擦焊的主要產(chǎn)熱機(jī)制,因此前進(jìn)邊試樣的溫度要高于返回邊,導(dǎo)致其熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)范圍相應(yīng)更大。攪拌摩擦焊焊縫熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)較焊核區(qū)受攪拌頭晶粒破碎作用更弱,其晶粒較為粗大,導(dǎo)致前進(jìn)邊更大范圍的熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)使超聲聲束的散射衰減程度增大,因此前進(jìn)邊檢測(cè)的回波信號(hào)強(qiáng)度要弱于返回邊。
圖2 檢測(cè)方向?qū)z測(cè)信號(hào)的影響:(a) 前進(jìn)邊;(b) 返回邊
圖3為攪拌摩擦焊焊縫不同未焊透長度對(duì)超聲相控陣檢測(cè)的影響。從圖3中可看到,隨未焊透長度的增加,其檢測(cè)回波信號(hào)的幅值相應(yīng)提高,未焊透豎直段長度為1mm、0.8mm和0.38mm所對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)幅值分別為全屏的83.4%、73.2%和24.3%。
圖3 未焊透長度對(duì)檢測(cè)信號(hào)的影響:(a) 1mm;(b) 0.8mm;(c) 0.38mm
根據(jù)聲波的傳播特性,金屬是聲波的良好介質(zhì),當(dāng)聲波在傳播過程中受障礙物(如焊接缺陷)阻擋,會(huì)發(fā)生波的衍射與反射現(xiàn)象。其中,波的衍射是聲波在障礙物邊緣發(fā)生方向的改變,即聲波繞過障礙物后繼續(xù)行進(jìn),在波的衍射過程中聲波的能量會(huì)有所降低;超聲波從金屬入射到焊接缺陷,還會(huì)在其界面處發(fā)生反射。超聲波的傳播與障礙物尺寸和檢測(cè)靈敏度相關(guān),當(dāng)障礙物尺寸遠(yuǎn)小于檢測(cè)靈敏度(一般超聲檢測(cè)的靈敏度約為λ/2)時(shí),此時(shí)波的衍射強(qiáng)、反射弱;當(dāng)障礙物尺寸遠(yuǎn)大于檢測(cè)靈敏度時(shí),此時(shí)反射強(qiáng)、衍射弱。超聲波波長λ與頻率和波速的關(guān)系為:
基于灰度共生矩陣(GLCM)提取紋理特征是一種常用的統(tǒng)計(jì)分析方法。超聲相控陣檢測(cè)圖像包含了缺陷界面形態(tài),其大小影響紋理特征,可通過這種特性以輔助有效辨識(shí)焊縫缺陷[12]。圖4為攪拌摩擦焊焊縫不同未焊透長度對(duì)GLCM特征參數(shù)的影響,取0°、45°、90°和135°四個(gè)方向,其中二階矩(能量)反映了圖像灰度分布均勻性,對(duì)比度表述圖像清晰度,相關(guān)性衡量GLCM的元素在行/列方向上的相似度,熵則用來描述圖像紋理的復(fù)雜度[13]。
圖4 未焊透長度對(duì)GLCM特征參數(shù)的影響
從圖4(a)中可看到,隨未焊透長度的減少,二階矩?cái)?shù)值增大,這與檢測(cè)信號(hào)的幅值有關(guān),隨信號(hào)強(qiáng)度的降低,圖像灰度值范圍減小使其更為集中,導(dǎo)致二階矩?cái)?shù)值增大,從GLCM二階矩參數(shù)可初步判斷缺陷的大小。與此同時(shí),90°方向下不同未焊透長度的二階矩?cái)?shù)值均明顯大于其他方向,這表明在豎直方向灰度最不均勻,缺陷具有明顯的方向性,與未焊透缺陷相對(duì)應(yīng)。
從圖4(b)和圖4(c)中可發(fā)現(xiàn),與二階矩相比,隨未焊透長度的減小,不僅不同方向的對(duì)比度數(shù)值下降而相關(guān)性數(shù)值增大,而且數(shù)值的差異與未焊透長度的差異成正比,即未焊透長度相差越大,其對(duì)比度和相關(guān)性數(shù)值的差距也越大。當(dāng)未焊透長度減少到0.38mm時(shí),缺陷尺寸較小,檢測(cè)信號(hào)較弱,對(duì)比度較差且圖像灰度值范圍小,相似度大,說明通過GLCM對(duì)比度和相關(guān)性可較有效地判斷未焊透長度的大小。
圖4(d)的熵值大小同樣與檢測(cè)信號(hào)有一定關(guān)系,但未焊透長度為0.8mm和0.38mm時(shí),兩者GLCM的熵值差異卻不明顯,表明對(duì)于尺寸較小的未焊透缺陷用熵值去區(qū)分并不合適。
(1)對(duì)于攪拌摩擦焊焊縫未焊透缺陷進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)時(shí),由于前進(jìn)邊與返回邊的組織差異,從返回邊檢測(cè)的波衰減更小,其回波信號(hào)更強(qiáng),檢測(cè)效果更佳。
(2)對(duì)于長度大于超聲檢測(cè)靈敏度的攪拌摩擦焊未焊透缺陷,隨未焊透長度的增加,波的反射更強(qiáng),其檢測(cè)的回波信號(hào)相應(yīng)增強(qiáng),可以通過檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)弱判斷攪拌摩擦焊焊縫未焊透長度。
(3)通過超聲相控陣結(jié)合其灰度共生矩陣特征參數(shù),可通過二階矩辨識(shí)未焊透缺陷的存在,通過對(duì)比度和相關(guān)性的大小判斷未焊透缺陷長度。