搅拌摩擦焊缺陷分析及其无损检测现状

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科技论 坛
搅 拌摩擦焊缺 陷分析及其无损检测现状
郑 波
（ 建 锅 炉 压 力容 器检 验 研 究 院 ， 建 福 州 ３ ０ ０ ） 福 福 ５ ０ ０
摘 要： 搅拌摩擦 焊具有焊接质量高的显著特点 ， 但工艺参数 选择不 当时仍会存在焊接 缺陷。依 据国 内外学者 对搅拌摩擦焊缺 陷分 析及检测方 面的研究 ， 文总结搅拌摩擦焊过程可能产生的缺陷种 类和原 因， 本 及缺 陷检 测方法现状 ， 具体 包括孔洞 、 沟槽 、 未焊透 和 ｚ线 等 四大类缺 陷。 目前对搅拌摩擦焊缺 陷的研 究， 主要是从焊缝成形过程 方面进行研 究， 对缺陷的形成规律及影 响因素之 间的 关系和检测 方法有待进 一步研 究， 最终 实现对缺陷的控制。 关键词 ： 搅拌摩擦焊 ； 缺陷 ； 影响因素； 无损检测现状
１ 述 概 中并 呈现半连续状 ， 被称为 Ｚ线或 Ｓ线 。要避免焊接 过程 中出现 Ｚ 搅 拌摩擦焊 （ｒ ｔｎ Ｓ ｒＷｅ ｉ ， Ｆｉ ｉ ｔ ｌ ｎ 简称 Ｆ 是一种 新型 固相 线，在焊接开始前要对工件表面彻底清洗 和打磨，以去除表面油污 ｃｏ ｉ ｄｇ ｓ 焊接工 艺 ， 是英 国焊接研 究所 于 １９ 年开发 的专利技术 。Ｆ Ｗ 适 和氧 化 层 。 ９１ Ｓ 于连接 同质或异质的多种结构材料 ， 尤其适 于连接常规焊接工艺难 ３缺 陷产 生 的 影 响 因 素 以焊接 的高强铝合金 ； 它具有焊接 温度低 、 焊件变形 小 ， 接头机械性 从 国内外学者对 Ｆ Ｗ 工艺参数和接头组织及性 能的研 究结果 Ｓ 能好不产生类似熔焊接头 的铸造组织缺陷 ， 并且焊缝组织 由于塑性 来看 ， 多因素能对 Ｆ Ｗ 接头组织造成影 响 ， 很 Ｓ 如搅拌头 的形状和尺 流动而细化等优点。 对熔焊方法易于焊接的材料 ， 使用 Ｆ Ｗ 也可显 寸、 转速度和焊接速度 、 Ｓ 旋 搅拌针 扎入 的深度和倾斜 角度 、 对接板 间 著提高接头的性能 ｌ 目前 Ｆ Ｗ 的研究主要集中于不 同材料 Ｆ Ｗ 隙等 。当工艺参数选择不当时 ，Ｓ 接头会 出现典型的孔洞 、未焊 １ ｌ 。 Ｓ Ｓ ＦＷ 工艺参数的优化和接头组织性 能（ 包括拉伸 、 疲劳 、 弯曲等 ） 焊缝 透等缺陷 。 及 检测 的研究上 。虽然 Ｆ Ｗ 能够避免熔焊 中产生 的裂纹 、气孔等缺 Ｓ ３１搅 拌头 。搅拌头是搅拌摩擦焊技术 的核心 ； ． 因此 ， 在焊接前 陷，但是若焊接参数选择不当也会 引入新 的缺陷，例如孔洞、 沟槽 、 合理选择 搅拌头的形状和尺寸 、扎入深度 和倾 斜角度 ，将 有利于 未焊透和 ｚ线等 。依据国内外学者对 Ｆ Ｗ 焊缝缺陷分析及检测方 Ｆ Ｗ 焊缝成形 ， Ｓ Ｓ 从而 降低焊缝出现缺陷 的可能。 法 的研究 ，本文总结 Ｆ Ｗ 过程产生的缺陷种类和原因及缺陷检 测 Ｓ ３２工艺参数 。 ． 若搅拌头固定不变时 ， 搅拌头的旋转速度 ｒ焊接 ｘ 方法 。 速度 ｖ 和焊接压力 Ｐ等 工艺参数 的选取 ，也会 直接影 响焊 缝 的成 ２ Ｆ Ｗ 缺 陷分 析 Ｓ 形 ， 以要避免如孔洞 、 所 沟槽和吻接等危 害性缺 陷的产生 ， 当更慎 应 Ｆ Ｗ 焊接过程中产生 的缺 陷主要有以下几种 ： Ｓ 孔洞 、 沟槽 、 未焊 重地选择这些焊接工艺参数。 透 、 等缺 陷。缺陷产生 主要是 由于在焊接过程 中， 同部位的焊 ｚ线 不 ３３对接板 的间隙。 ． 对接板的间隙也会影响焊缝成形 ； 若对接板 缝金属经历不 同的热机过程过热或塑性材料流动 不足都会导致 缺 的间隙越大越不利于热量向焊核 区扩散 ，导致热影 响区温度升高 ， 陷 的形成。 若将 焊缝分成顶部 、 中部和底部三个部分 ， 只有输入焊缝 晶粒尺寸变大。 间隙越大 ， 焊缝 区出现的孔 洞越大 ， 甚至会在焊缝 中 底部的热量最少而输 出最大 ， 以当焊接工艺参数或焊具尺寸选 择 出现隧道型缺 陷； 所 是由于间隙的存在使得焊缝连接所需的塑性金属 不 当时底部最容易产生焊接缺陷。 减少 ， 在没有塑性金属补充 的情况下焊缝 中只能形成隧道型缺 陷。 ２１孔洞 。孔洞 的形成 主要是 由于焊接过程 中热输 入不 够 ， ． 使 Ｆ Ｗ 焊缝缺陷的产 生是 由多种 因素共 同作用 的结果 ， Ｓ 对于不同 达到塑性 化状态 的材料不足 ， 材料流动不充分而导致在焊缝 内部形 的焊接材 料和焊接工艺 ， 各种因素是相互影响 的。 成材料未完全闭合现象 。 若采用不带螺纹的柱状 或锥状搅拌针进行 ４ Ｆ Ｗ 缺陷的无损检测方法研究现状 Ｓ 焊接更容易产生孔洞缺陷。 该类缺 陷通常位于接 头前进侧的中下部 随着 Ｆ Ｗ 技术在各个领域 的推广应用 ，对焊缝 的成形 质量有 Ｓ 以及 焊 缝 表 面 附近 。 位 于 焊缝 表 面附 近 的 孔洞 方 向与 焊 接 方 向一 更高的要求 。Ｆ Ｗ 焊缝缺陷具有明显的紧贴 、 若 Ｓ 微细和取 向复杂等特 致， 在焊缝 长度方 向上延 伸较 长时也被称为隧道型缺 陷； 它是 Ｆ Ｗ 点 ， Ｓ 这对焊缝缺陷的无损检测有更高的要 求。 目前 ， 国内外 Ｆ Ｗ 的 Ｓ 过程中 比较典 型而且危害最大的一种缺陷。 如果想要避免该类缺 陷 无损检测技术处于缺陷表征 与检测方法探索及技 术积 累阶段 。 通常 除 了要选择适 当的焊接工艺参数外 （ 搅拌头转速 、 焊速 、 压力 ） 还要 采用常规无损检测技术 以及 金相 观察 等方法进行检测 ； 伴随着微机 保证适 当的搅拌 头倾 角一般为 １ 。 ０≤４５’另外还要避免待焊 与 电子技术 的发展 和应用 ，近年来无损检测技术 得到 了快 速的发 ．≤ ５ ． Ｕ 件 之 间存 在 间 隙 。 展， 从而产生了一些高效率 的检测新 方法 。 ２ ． ２沟槽 。沟槽是搅拌头在对接板表面机械搅动后未形成连接 ４１Ｘ射线 。胶片射线照相技术是射线源发出的射线透过被检 ． 的一种严 重缺 陷， 常位于前进侧焊缝表面。它的产生 主要是 由于 物体 ， 通 利用被检物体与其 内部缺陷介质对射线强度衰减的程度不 同 焊接过程中压力过小 ， 导致热输人严重不足发生塑性变形 的材料 大 来携带被检物体 内部信息 ， 并用射线胶片记录下来 ， 经显影 、 定影等 量减少 ， 而且材料流动性 能降低 ， 造成焊缝前进侧 的塑性材料从后 处理 ， 在胶片上形成透视投影影像 ， 通过对影像 的识别来评定被 检 退侧绕流以后不能 回填到前进侧 ， 从而在前进侧焊缝表 面附近形成 物体内部是否存在不连续性 的一种射线无损 检测方法 。 该检测方法 孔洞 ；当材料流动能力进一步 降低时形成孔洞 的范围发生扩展 ， 对材料没有 限制 ， 由于 Ｆ Ｗ 缺 陷可能存在于任意方 向， 得射线 最 但 Ｓ 使 终贯穿焊缝上表面形成 沟槽 。 照射方向很难保持与缺 陷平行 ， 这样 的缺 陷很难被检测 出来 。 ２ ． ３未焊透 。未焊透是 Ｆ Ｗ 焊缝背 面最 常见 的焊接缺陷， Ｓ 是指 洛克希德 马丁公司使用胶 片和数字方法 完成对搅 拌摩擦焊 测 在焊缝底部未形成连接或不完全连接而 出现的“ 裂纹状 ” 缺陷 ， 由于 试板材的射线检验结果显示 具有 ９ ％的概率或 ９ ％的信心能够检 ０ ５ 采用长度 略小于接头厚度 的搅拌头压人 焊缝结合面 ， 利用 搅拌头 测大于或等于材料 厚度 ３ ％的不连续性 未焊透然而 ，在异 种合 金 ０ 轴肩与焊缝表面的摩擦 热进行加 热 、 搅拌而形成连接，所 以总存在 焊接射线胶片方面遇到了严重 的问题 ， 结果 表明探 测不 连续 性的未 定厚度 的未焊透 。 焊接压力过小时容 易形成根部未焊合 。 Ｆ Ｗ 焊透缺陷的能力是有限的。 在 Ｓ 主要的原因是铜和锂 的焊件具有不同的 过程中 ， 如果搅拌针长度 比正常尺寸短，搅拌针在焊接过程 中不能 化学成分 。 ４２渗透 。 ． 渗透是采用毛细管作用 的原理 ， 检测 固体材料及其制 完全搅拌 焊缝厚度方 向上的材料 ， 尤其是接头下部的材料 ， 加上板 材对接 面氧化物 的存 在，在焊接后接头根部 会出现 “ 裂纹状 ” 的未 件的表面与近表 面缺 陷。渗透检测用于检测焊接件 的表面 开 口裂 焊透 缺 陷 。 纹 、 氏体钢和有色金属， 奥 具有检测速度快 、 作简便缺 陷显示 直观 操 ２４ Ｚ线 。 ． 由于焊前表面氧化膜 的存在 ， 焊后在焊缝表面可能形 且检测灵敏度较高等特点 。 渗透检测的主要不 足之处是表面粗糙度 成一层与焊缝 内部不 同的氧化物层 。 由于对接表 面氧化膜在焊接过 影响缺陷的检 出率 以及难以定量控制检验操作的程序。 程中可能未被完全搅拌打碎 ， 氧化物颗粒沿着晶界 分布残 留在焊缝 Ｋｎｈ ｎ ｉ ｅ 研究 了在蚀刻条件 下对 Ｆ Ｗ 测试板材进行渗透检查 ， ｃ Ｓ