铝合金搅拌摩擦焊焊缝射线检测白色影像评定方法

刘 昆 崔建盟 钟国江 刘延平 薛 泉 王照禹 张利红

(1.天津航天长征火箭制造有限公司，天津300462；2.首都航天机械有限公司，北京100076)

铝合金具有密度小、重量轻、比强度高、电导与热导性好且具有较好的耐蚀性等特点[1]，广泛应用于航天贮箱产品的生产中。贮箱产品作为火箭动力源泉的关键部件，其装载承压能力直接决定了火箭推力大小和火箭箭体的有效载荷。目前火箭贮箱主要连接技术为焊接技术，由于搅拌摩擦焊焊缝综合性能优于熔焊焊缝，搅拌摩擦焊技术代替熔焊技术已经成为未来航天焊接的发展趋势。

目前，铝合金搅拌摩擦焊焊缝主要的无损检测方式为射线检测和超声相控阵检测两种。射线检测由于其检测结果显示缺陷形貌直观，对缺陷尺寸和性质判断比较容易，成为了判定焊缝质量的关键手段[2]。本文针对在铝合金搅拌摩擦焊焊缝射线检测过程中发现的四种典型白色影像开展分析研究，并确定了该白色影像的评定方法，为后续检测工作提供参考借鉴。

1 理论分析

1.1 射线检测工艺布置

由于铝合金搅拌摩擦焊焊缝弧度较大，可近似为平板焊缝处理，因此射线检测时选取射线源位于焊缝一侧，胶片紧贴在焊缝另一侧，根据不同焊缝厚度调节射线机管电压，保证射线能穿透焊缝，通过调节曝光量确保底片黑度和检测灵敏度满足标准要求，具体检测方式如图1所示。

1.2 白色影像分析

底片上出现白色线性影像，在确定缺陷性质时，流程一般第一步排除伪缺陷的影响；第二步，根据影像出现的部位及焊接工艺过程，初步确定影像的可能性质；第三步，根据影像的特征，同时参考其他验证方式，最终定性。

2 白色影像评定方法

射线检测中产生白色影像的材料密度一般高于母材基体密度，因此对射线吸收率高，反应到底片上即呈现白色影像，本文分别选取了以下四种常见典型白色影像开展分析。

2.1 搅拌针脱落物影像

在某次检测过程中发现如图2的白色影像，该影像亮度与母材反差大、形貌轮廓较清晰，并呈现上侧影像边界锐利，边界线条整齐，存在类似机加工边缘；下侧影像边界不规则，呈起伏状；左右两端影像边界类似于撕裂物边界，断口平滑。

搅拌摩擦焊焊接过程是用一个圆柱体或其他形状的搅拌针伸入工件的接缝处，通过搅拌针的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接过程[3]。核查焊接设备和工艺后发现，焊接该产品所使用的搅拌针出现断裂，其针头在搅拌过程中无法承受母材的剪切力，针头一侧外皮脱落，残留在搅拌摩擦焊焊缝中。

图3 多余物影像
Figure 3 Residue image

图4 试片X射线检测结果
Figure 4 X-ray test results of test piece

图5 焊缝根部热影响区附着物
Figure 5 Attachments to heat affected zone of weld root

(a)(b)

图6 析出相影像
Figure 6 Precipitation phase image

此类影像一般出现在使用搅拌针超过服役期，搅拌针设计存在缺陷，搅拌针材料不满足要求，搅拌针选择不当等情况下。该类影像比较容易判别，但补焊处理时需要先将缺陷排除干净，再进行补焊，处理过程较复杂。

2.2 多余物影像

检测过程中发现图3所示影像，该影像成不同大小分散状分布，且长度不同，但宽度基本相同，形貌轮廓边界稍模糊，影像分散情况无规律。

核查焊接工艺后发现，焊接前的一道清理工序中，需要使用钢丝刷对焊接区域表面进行清理，而钢丝刷所用钢丝直径与影像中宽度相近。检查所用钢丝刷发现钢丝均存在不同程度的锈蚀，测试实验时发现钢丝锈蚀后韧性下降，在清洁实验试片时可见脱落钢丝。将钢丝刷中的钢丝放置在潮湿环境中加速锈蚀生长，轻轻按压钢丝，钢丝即发生断裂，断裂后情况与底片中形貌基本一致。对其他已完成钢丝刷清理工序的产品进行检查，多次发现板材缝隙中存在脱落的钢丝，形成焊接多余物。因此判定此影像由钢丝脱落后夹在焊接缝隙中形成的多余物造成，焊接时被搅拌针打碎，呈无规律地分布在焊缝内。

此类缺陷一般出现在焊缝清理不彻底，且清理焊缝所用钢丝刷出现锈蚀的情况之下。该类影像与脱落钢丝长短关系较大，判别有一定困难，补焊前也需要先将打断的钢丝排除，补焊工序复杂。

2.3 焊缝根部热影响区附着物影像

在检测过程中发现如图4影像，该影像形貌不规则，亮度变化明显且呈现层叠状，所在位置接近焊缝边缘处于热影响区范围内。

搅拌摩擦焊焊接过程中，工件要刚性固定在背垫上，焊透边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对运动。检查产品表面时，发现焊缝根部存在如图5的附着物，该附着物形貌与底片影像完全一致，因此可以判断此影像由根部附着物造成。核查附着物来源时发现背垫上附着多余物，产品背面也存在杂物，因此可以推断此类附着物来源有二：其一，背垫上出现锈蚀起皮情况，在焊接过程中被压入产品焊缝根部热影响区，因此未被搅拌针打断，或搅拌进焊缝内；其二，母材转运过程中，异物粘贴或压入母材，在搅拌摩擦焊接过程中又被背垫挤压，被压缩进入焊缝根部热影响区中。

此类缺陷一般出现在背垫不干净或者焊接前清理不彻底的情况之下。此类影像一般对根部进行打磨处理即可排除，但要注意焊缝减薄量应控制在合理范围以内。

2.4 析出相影像

检测过程中发现图6所示影像，该影像成团聚状分布，亮度与母材差别明显，且形状不规则。

(a)(b)

图7 焊缝剖面图Figure 7 Weld section

核查焊接工艺后未发现问题。对以上两处焊缝进行剖切和成分检查。图7中可以看到焊缝剖面上存在局部灰黑区域较正常区域颜色更深。能谱成分分析见表1，可以看出局部颜色较深处铜元素较正常区域多，基本为二倍关系，因此推测此为Al2Cu相富集，拉伸试验证明Al2Cu相对搅拌摩擦焊焊缝强度无影响，因此该白色影像可不做缺陷判定。

此类影像由于铝和铜元素熔化温度不同导致，在某些区域形成铜元素富集，并无明显规律。该类影像一般成团聚状，形貌较自然，判别较容易，无需补焊。

3 结论

本文针对铝合金搅拌摩擦焊焊缝中出现的四种典型白色影像进行深入分析研究，得出了各种影像的评定方法：

(1)搅拌针脱落物影像，影像亮度与母材反差大、形貌轮廓较清晰，需要排除后补焊处理；

(2)多余物影像，影像成大小不同无规律分散状，需要排除后补焊处理；

(3)焊缝根部热影响区附着物影像，影像形貌不规则，亮度变化明显且呈现层叠状，所在位置接近焊缝边缘处于热影响区范围内，需要排除处理；

(4)析出相影像，影像成团聚状分布，亮度与母材差别明显，且形状不规则，此影像不属于焊接缺陷，可不做处理。