張香然 翟 烜 蔡彥強(qiáng) 白立江

(中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 河北 唐山 063035)

隨著對(duì)高速動(dòng)車(chē)安全性、舒適性、美觀(guān)性要求的提高，新型的加工工藝也逐漸應(yīng)用到了動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)制造中。攪拌摩擦焊作為新型的鋁合金焊接技術(shù)，具有對(duì)被焊材料損傷小、焊接變形低、焊接強(qiáng)度高和綠色制造等優(yōu)點(diǎn)，在高速動(dòng)車(chē)組鋁合金車(chē)體焊接中逐步得到應(yīng)用，它是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑性化，當(dāng)攪拌頭沿著焊接界面向前移動(dòng)時(shí)，被塑性化的材料在攪拌頭的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力作用下由前部流向后部，并在攪拌頭的擠壓下形成致密的固相焊縫。作為一種新型的固相連接技術(shù)，能夠避免傳統(tǒng)熔化焊造成的冶金缺陷，但由于焊接時(shí)攪拌頭移動(dòng)速度、旋轉(zhuǎn)速度及壓力等工藝參數(shù)影響，也會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部焊接缺陷。

攪拌摩擦焊的板厚度在3～80 mm區(qū)間，為了車(chē)體的輕量化，部分采用薄板焊接；但為了增加強(qiáng)度，薄板大多數(shù)采用型材(見(jiàn)圖1)。結(jié)合受力分析，部分?jǐn)嚢枘Σ梁负缚p需要進(jìn)行內(nèi)部檢測(cè)。厚板可以用常規(guī)超聲進(jìn)行檢測(cè)，但對(duì)于薄板型材的攪拌摩擦焊焊縫，不能進(jìn)行常規(guī)超聲和射線(xiàn)檢測(cè)。本文針對(duì)這種薄板型材焊縫，制定出可行的檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)其內(nèi)部檢測(cè)。

圖1 薄板型材攪拌摩擦焊焊縫

1 薄板型材的焊縫缺陷

攪拌摩擦焊的內(nèi)部缺陷與熔化焊的常見(jiàn)缺陷不同，主要內(nèi)部缺陷有4種。在焊接過(guò)程中，焊縫金屬經(jīng)攪拌后雖發(fā)生緊密接觸，但未形成有效連接的缺陷為弱結(jié)合缺陷；由焊縫中一個(gè)個(gè)空洞連接而成，外形像蟲(chóng)子的一種缺陷為隧道缺陷，也叫蟲(chóng)形空洞缺陷；沿?cái)嚢桀^旋轉(zhuǎn)方向，在對(duì)接面附近形成的一條若隱若現(xiàn)的雜質(zhì)沉積帶為結(jié)合面氧化物缺陷；攪拌摩擦焊過(guò)程中，焊縫根部未形成有效連接而發(fā)生的缺陷，稱(chēng)為未焊透。任一缺陷的存在都將影響焊縫強(qiáng)度，所以標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)每種缺陷的存在都有限制?？梢?jiàn)，攪拌摩擦焊內(nèi)部缺陷除未焊透外，其他3種和傳統(tǒng)熔化焊常見(jiàn)的裂紋、未熔合、氣孔、夾渣有很大區(qū)別。

圖1為動(dòng)車(chē)組車(chē)體用薄板型材的主要形式，圖1(a)中兩條紅線(xiàn)之間為攪拌摩擦焊焊縫，兩面對(duì)稱(chēng)，焊接薄板的厚度為3 mm，焊縫將近20 mm，兩邊分布加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的距離大約為28 mm。

2 確定檢測(cè)方法

2.1 射線(xiàn)檢測(cè)

從結(jié)構(gòu)上分析，型材狀態(tài)下攪拌摩擦焊焊縫上下對(duì)稱(chēng)分布，如果射線(xiàn)檢測(cè)垂直透照雙臂雙影時(shí)兩條焊縫完全重合，不能辨別缺陷具體位于哪條焊縫，所以行不通；由于加強(qiáng)筋距離焊縫較近，傾斜透照雙臂單影也不可行。

2.2 常規(guī)超聲檢測(cè)

如果使用常規(guī)超聲的橫波檢測(cè)，要檢測(cè)全部焊縫及熱影響區(qū)，通常需要2KT+探頭后沿(大概20 mm)的探頭掃查范圍，因?yàn)榘搴褫^薄，導(dǎo)致探頭K值較大，這就導(dǎo)致需要更大的掃查空間，共算下來(lái)焊縫邊緣向兩側(cè)延伸至少35 mm才有可能檢測(cè)全部的焊縫，從圖1可以看出檢測(cè)焊縫下面兩側(cè)加強(qiáng)筋的存在，掃查空間顯然不夠；雖然焊縫表面是磨平的，但如果在焊縫上面掃查，不管斜探頭還是直探頭，都存在近表面盲區(qū)(一般認(rèn)為盲區(qū)為6 mm)，整條焊縫全在盲區(qū)之內(nèi)，可見(jiàn)超聲檢測(cè)也行不通。

2.3 相控陣超聲檢測(cè)

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是利用延遲電路的電子技術(shù)來(lái)控制相控陣探頭合成，以實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射、接收的方法。相控陣探頭有多個(gè)小晶片，其每一個(gè)晶片被獨(dú)立激發(fā)，根據(jù)各晶片相對(duì)于被檢目標(biāo)的不同聲程施加不同的延遲時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)聲束的角度和聚焦點(diǎn)的變化。這不僅可以提高檢測(cè)靈敏度，又可以提高檢測(cè)信噪比，使缺陷信號(hào)識(shí)別更加容易。

相控陣聲束掃描模式主要有電子線(xiàn)性?huà)呙?E掃描)、扇形掃描(S掃描)、電子動(dòng)態(tài)聚焦3種，電子線(xiàn)性?huà)呙柰ㄟ^(guò)多路技術(shù)以相同的聚焦法則，沿陣列探頭長(zhǎng)度方向進(jìn)行平移掃描；扇形掃描(S掃描)通過(guò)探頭的波束偏轉(zhuǎn)來(lái)控制，晶片激發(fā)的時(shí)間不同，從而產(chǎn)生不同角度的波束偏轉(zhuǎn)；電子動(dòng)態(tài)聚焦通過(guò)電子焦距長(zhǎng)度調(diào)整，可以使同一個(gè)探頭在聲束軸線(xiàn)上的不同深度實(shí)現(xiàn)波束聚焦[1]。相控陣檢測(cè)還有很多優(yōu)點(diǎn)，如：能夠分別控制并形成幾個(gè)不同的虛擬探頭(VPA)，而且一個(gè)虛擬探頭可以設(shè)定一定的角度范圍，從而發(fā)現(xiàn)不同方向的缺陷；探頭在安裝楔塊之后對(duì)表面檢測(cè)幾乎不存在盲區(qū)等等。基于相控陣這些優(yōu)點(diǎn)，決定采用相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)薄板型材焊縫進(jìn)行檢測(cè)。

3 檢測(cè)方案的制定

3.1 掃查類(lèi)型

由于線(xiàn)性?huà)呙枰韵嗤臅r(shí)間延遲規(guī)律施加在相控陣探頭中的不同晶片組使聲束在同一軸線(xiàn)上，每組激發(fā)晶片產(chǎn)生某一特定的聲束角度，通過(guò)改變起始激發(fā)晶片的位置，使該聲束沿晶片陣列方向前后移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似常規(guī)手動(dòng)超聲波檢測(cè)探頭前后移動(dòng)的檢測(cè)效果(見(jiàn)圖2)。圖1所示上下同樣寬度且比較薄的焊縫結(jié)構(gòu)，選擇線(xiàn)性?huà)呙璺绞奖容^適合。只需把探頭放在固定位置，聲束即可全部覆蓋攪拌摩擦焊焊縫及熱影響區(qū)，無(wú)須前后移動(dòng)探頭掃查。掃查工具使用公司現(xiàn)有的奧林巴斯OmniScan MX2型相控陣探傷儀。

3.2 確定參數(shù)

從圖2可以看出，使用線(xiàn)性?huà)卟椋枰_定的參數(shù)有：探頭型號(hào)、探頭角度、起始陣元及陣元數(shù)、步進(jìn)偏置、楔塊型號(hào)等。由于板厚僅為3 mm，允許存在的最大缺陷為0.6 mm，需要選擇頻率較高的5 MHz的探頭；大多數(shù)相控陣探頭的晶片數(shù)在16～128之間，晶片數(shù)量多，聚焦及聲束偏轉(zhuǎn)能力強(qiáng)，同時(shí)聲束覆蓋面積大。但是晶片數(shù)多的相控陣探頭價(jià)格昂貴，通過(guò)對(duì)比、工藝試驗(yàn)研究，模擬覆蓋范圍，選定了64晶片的探頭，檢測(cè)時(shí)使用全部晶片，16晶片為1組，共19組。最后確定了和探傷儀匹配的探頭型號(hào)為：5L64A12；楔塊型號(hào)：SA12N55S；掃查角度：45°；步進(jìn)偏移：31 mm，如圖3所示。

圖2 相控陣線(xiàn)性?huà)卟?/p>

圖3 檢測(cè)參數(shù)

3.3 調(diào)整靈敏度

由于鐵路行業(yè)沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的靈敏度調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)，所以參考QJ 20045《鋁合金攪拌摩擦焊超聲相控陣檢測(cè)方法》并結(jié)合實(shí)際情況，采用不同深度且直徑為1 mm的橫孔做TCG曲線(xiàn)，Φ1-3 dB作為基準(zhǔn)靈敏度，Φ1-9 dB為掃查靈敏度。TCG曲線(xiàn)是在探傷儀上DAC曲線(xiàn)的不同顯示，DAC是一條距離幅度曲線(xiàn)，同一當(dāng)量的缺陷隨著深度的增大，受信號(hào)衰減、聲束擴(kuò)散以及其他因素的影響，其回波幅度呈指數(shù)下降趨勢(shì)，因此把不同深度、同一當(dāng)量的人工缺陷的反射回波幅度連成的曲線(xiàn)即是DAC曲線(xiàn)；而用這條DAC曲線(xiàn)沿深度方向的下降趨勢(shì)對(duì)不同深度的反射回波幅度進(jìn)行補(bǔ)償，這時(shí)探傷儀在TCG模式下工作，將所有的深度補(bǔ)償值連成一條曲線(xiàn)，即TCG曲線(xiàn)。

4 驗(yàn)證方案

用以上方案對(duì)編號(hào)為7645的試件進(jìn)行相控陣檢測(cè)，箭頭部位的掃查圖中分別出現(xiàn)了如圖4(b)白框中的點(diǎn)狀顯示,后對(duì)試件進(jìn)行切割，用射線(xiàn)對(duì)有顯示的部位進(jìn)行檢測(cè)，雖然射線(xiàn)檢測(cè)顯示不是特別突出，但在同樣位置也出現(xiàn)了如圖4(c)的顯示，白圈內(nèi)某一點(diǎn)的黑度大于其他地方的黑度，表明存在孔類(lèi)的缺陷。將點(diǎn)狀顯示位置進(jìn)行取樣，經(jīng)打磨拋光后在顯微鏡下觀(guān)察，可以發(fā)現(xiàn)如圖4(d)的缺陷形貌?？梢宰C明，相控陣發(fā)現(xiàn)缺陷的位置存在系列的空洞焊接缺陷。

圖4 7645試件的系列顯示

隨后，在對(duì)編號(hào)為7646的試件進(jìn)行相控陣掃查時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了線(xiàn)狀的缺陷顯示，如圖5(b)所示，對(duì)此試件切割后進(jìn)行射線(xiàn)檢測(cè)，底片顯示如圖5(c)所示，在圖中的白圈中隱約可以看到缺陷顯示；同樣，對(duì)顯示部位切割取樣，打磨拋光后在顯微鏡下觀(guān)察，可以看到較長(zhǎng)的缺陷形貌。

圖5 7646試件的系列顯示

通過(guò)相控陣掃查、射線(xiàn)檢測(cè)及顯微鏡下觀(guān)察的方法驗(yàn)證，可以證明用相控陣超聲檢測(cè)的方案可行，后續(xù)開(kāi)展攪拌摩擦焊焊縫實(shí)物件的檢測(cè)，在初期檢測(cè)的258條焊縫中，不合格焊縫13條，不合格率高達(dá)5%，后經(jīng)過(guò)對(duì)焊接工藝的改善，不合格率有所降低。

5 結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)閿嚢枘Σ梁负缚p長(zhǎng)而且數(shù)量也將日益增多，手工相控陣檢測(cè)的效率已經(jīng)難以滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要，后期將研究高效的檢測(cè)工裝，或?qū)?shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)，提高攪拌摩擦焊焊縫的檢測(cè)效率。