搅拌摩擦焊的缺陷类型及其检测技术探析

摘 要：随着工业科技的发展，工程制造对焊接工艺提出了更高的要求，搅拌摩擦焊作为一种高质量的焊接技术，被广泛应用在航空制造领域。但在焊接过程中，可能会出现孔洞、沟槽等焊接缺陷，严重制约着该项技术的推广，文章就搅拌摩擦焊的缺陷类型和检测技术进行了深入剖析，实

1 概述

随着科学技术的快速发展，搅拌摩擦焊技术得到了快速发展，已经在很多领域得到广泛应用，并发挥着非常重要的作用，尤其在航空制造业领域得到广泛应用。该技术自上世纪九十年代初问世以来，得到了世界各国相关行业的重视，不断加大对其技术的研究力度，从而使该工艺技术得到了迅速发展，以高质量焊接技术被迅速推广应用开来。但该项技术在工艺参数选择不当时，还是会出现孔洞、沟槽等等焊接缺陷。基于此，文章首先对搅拌摩擦焊工艺特点、应用领域进行了简要介绍，进而对搅拌摩擦焊接中可能出现的缺陷进行了深入研究，并对缺陷的形成原因进行了剖析，在文章的最后对检测缺陷的技术方法做了进一步总结研究，以便能够使人们对搅拌摩擦焊的缺陷类型和检测技术有更为详细的认识，同时也使搅拌摩擦焊技术充分发挥出其应有的作用和价值。

2 搅拌摩擦焊技术

2.1 搅拌摩擦焊

搅拌摩擦焊自1991年在英国焊接研究所问世以来，以高质量焊接效果被各工程制造企业所追捧，在近几十年得到快速发展，成为了一种较为成熟的低熔点合金焊接技术。在传统焊接技术中，由于焊接温度较高，对低温合金材料焊接时，会因材料熔化而造成热裂缝等焊接缺陷，但在搅拌摩擦焊接过程中，由于焊接温度始终低于材料的熔点，可以实现低温焊接，这一焊接效果解决了低温合金焊接的难题，在低熔点有色金属焊接中，可以应用于接头焊接和不同焊接位置的连接。

2.2 工艺特点

搅拌摩擦焊技术在经过近几年的快速发展，工艺逐渐完善成熟，在焊接过程中，省去了传统焊接中的焊条、保护气等消耗性材料，实现了绿色焊接，另外在焊接效果方面，以低损伤、高强度的优点，被称为是焊接领域的革命性改变。搅拌摩擦焊接与传统焊接不同，传统焊接是利用焊条的高温熔化被焊接材料，进而实现材料焊接，这种传统焊接工艺，因焊条温度较高，在被焊接材料熔化冷却过程中，容易形成热裂缝和气孔等焊接缺陷。搅拌摩擦焊技术是利用搅拌头高速摩擦被焊接材料产生的少量热能，软化被焊接焊接材料的表面，在整个过程中，焊缝的温度较低，可以有效避免传统焊接缺陷的产生。

2.3 应用领域

搅拌摩擦焊技术作为一种高质量的材料焊接方法，具有良好的应用前景，目前主要是应用在航天、航空及船舶制造等高端制造领域。搅拌摩擦焊的最初应用是解决铝合金等低熔点材料的焊接问题，目前在航空铝合金焊接领域应用较为广泛。目前航空用的新材料铝合金Al2195拥有更高的强度和更小的重量，体现出了更好的性能，但在焊接中容易出现缺陷问题，这是因为铝合金的熔点较低，在高温焊接条件下，容易出现热裂缝。搅拌摩擦焊技术在焊接合金时，由于焊接温度低于材料的熔点，可以有效避免因高温造成的焊接缺陷，被广泛应用在铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金等高强合金焊接领域。

3 搅拌摩擦焊存在的缺陷类型及成因

在采用搅拌磨檫型焊进行焊接时，可能会产生孔洞、沟槽、未焊透、Z线以及飞边等焊接缺陷。产生这些缺陷的主要原因在于，在焊接的过程当中，在不同的焊缝部位，金属材料所经受的加热机理过程是不相同的，由于温度过高或者材料自身性质产生的流动性差异等等，这些因素都会导致焊接缺陷的产生。如果我们将焊缝按物理深度的不同，可将其分成顶部焊缝、中部焊缝和底部焊縫，我们知道焊接过程中只有传入底部的热能是最少的，但是其输出却是最大的，因此，当焊接工艺流程和参数或者焊接工具的尺寸选择不合理时，焊缝的底部是最有可能出现焊接缺陷的。

3.1 孔洞

焊缝孔洞缺陷形成的主要原因就是焊接过程中热量的输入程度不够，这使得材料达到塑性状态的数量不足，使得材料的流动能力没有充分形成，因而导致了在焊缝内部出现材料不能完全合闭的情况发生。如果使用没有螺纹的柱形或者针形搅拌针进行焊缝的焊接，就会更加容易出现空洞缺陷，这类的缺陷通常出现在端头接触侧的中偏下部位及焊缝表面周围。如果在焊缝表面周围孔洞的方向与焊接的方向相同，在焊缝的长度方向延长距离较远时也被称为隧道类型的空洞缺陷，这是搅拌磨檫焊进行过程中出现的较为典型且危害最严重的一种缺陷。除了选择合适的焊接工艺流程和参数能够避免这种缺陷外，还要保证适当的倾角，倾角一般在1.5°≤Φ≤4.5°最为适宜，除此之外，还要尽量使焊接件之间不出现间隙。

3.2 沟槽

沟槽这种缺陷则是由于搅拌头在焊接材料表面机械搅拌之后没有形成连接而产生的，该缺陷常常存在于前进侧的焊缝表面。产生这种缺陷的原因主要是因为焊接进行当中的压力较小，以至于热输入严重缺少，使得材料塑性变形的量大为减少，进一步使得材料的流动性降低，造成焊接缝前进侧的材料从后退一侧环绕流动过后不能够环流到前进侧，从而在焊缝表面周边凝结成孔洞，当材料的流动性进一步下降时，孔洞范围进一步扩大，最后贯穿了焊缝上表皮形成沟槽。

3.3 未焊透

未焊透这种缺陷则是搅拌摩擦焊的焊缝背面最为常见的情况，这是一种“裂纹形状”的缺陷，是由于焊接过程中在焊缝的底部范围内没有连接在一起或者没有完全连接在一起而产生的。根本原因是采用的搅拌焊接接头厚度大于其长度，并用这样的接头压入焊缝的结合面部，利用搅拌头的端边部位和焊缝的表面进行摩擦产生的热量进行加热、搅拌进而形成连接，所以，总会存在一定范围厚度的搅拌头没有被焊透。还有，焊接的压力过小的时候容易出现根部没有焊合好的情况。在这种形式的焊接过程中，如果针的长度比一般的尺寸短，那么焊接过程中的焊接材料的厚度方向不能完全搅拌，加上焊接板材料对接面还有氧化物的存在，在焊接后就会有很大一部分可能在接头的根部出现“裂纹形状”的未焊透性质的缺陷。

3.4 Z线

Z线指的是在搅拌摩擦焊接过程中，在焊缝中残留的半连续状的焊接材料氧化物。在对金属材料进行搅拌摩擦焊时，如果金属材料表面存在金属氧化物，这些金属氧化物会随着搅拌头的摩擦而变形，氧化物颗粒进入到焊缝中，这些氧化物颗粒不同于合金焊缝处新形成的氧化物，两者无法有效融合在一起，于是会在焊缝处形成Z型或S型线状焊接缺陷。在搅拌摩擦焊中，为了有效避免Z线这种焊接缺陷的产生，一般都是在焊接前采取清洗或打磨材料表面，保持被焊接材料表面的洁净。

3.5 飞边

飞边在搅拌摩擦焊中是一种较为常见的焊接缺陷，主要形成于焊缝表面，这与飞边的形成原理有关。在进行搅拌摩擦焊时，如果选择的工艺参数不当，尤其是搅拌头的旋转速度和焊接速度以及焊接压力等主要参数选择不当，在焊接表面因摩擦产生的热量，会使焊接材料发生热塑性流动，当焊接压力过大时，材料的热塑性流动增强，会造成部分材料被搅拌头挤压出去，热塑性金属冷却后在焊缝两边形成翻卷状金属，这就是飞边。避免飞边缺陷的产生，重点是选择好工艺参数。

4 缺陷检测技术

4.1 目视检测

目视检测方法简单、操作方便，是各种检测技术中最基础、最常用的方法。目视检测可适用于飞边、槽沟、孔洞等多种焊接缺陷的检测，这些焊接缺陷大都是因为选择工艺参数不当造成的，如冲击力较小或较大、搅拌头的摩擦速度过快或过慢、搅拌头的移动速度偏差较大等，这些焊接缺陷在焊缝处可用目视检测确定其有无及程度。在采用目视检测时，需要对焊缝进行检查前的处理工作，一般使用的处理方法是“侵蚀法”，将焊缝附近的表面区域进行简单的机械加工，然后使用特定的化学试剂对焊缝做“侵蚀”处理，在侵蚀过程中，化学试剂可以清楚明了的显示焊缝处的缺陷情况，专业人员可根据侵蚀工艺在焊接部位表明形成的洁净现象和热影响现象，对焊接缺陷做出推断和确认。

目视检测的优点是检测条件容易实现，操作性强，对检测环境要求较低；缺点是目视检测对经验的要求较高，由于没有仪器显示确切的数据或结果，只能凭借工作人员的自身工作经验去做判断，容易引起人为因素造成的检测误差，所以目视检测对检测人员的专业性技术要求较高。此外，目视检测的范围仅限于被焊接材料的表面或浅层部位，对焊缝深层的缺陷情况检测误差较大，不建议采用此检测技术。目视检测在实际运用中一般用于要求不高的检测项目上，或仅作为初步参考性检测项目上。

4.2 渗透检测

渗透检测可分为P135E和P6F4两种检测方法，这两种渗透检测方法可适用于单一侵蚀、双重侵蚀或未侵蚀状态下的焊接缺陷检测，未侵蚀指的就是没有经过侵蚀工艺处理，单一侵蚀指的是用侵蚀液去除焊接材料表面0.005mm～0.010mm厚度的金属层，而双重侵蚀则是在此基础上进一步完成0.005mm厚度的去除。使用侵蚀液的目的是为了去除焊接部位的表面金属层，改善检测环境，这样可以有效提高渗透检测结果的准确度。

使用渗透检测技术对未做侵蚀处理的焊缝进行缺陷检测时，虽然理论上可以用该检测技术，但由于检测背景条件较差导致检测结果误差较大，因此，在实际检测中一般不会采用这种方法检测未侵蚀状态的焊接缺陷。在对单一侵蚀和双重侵蚀状态下，采用渗透检测可以有效检测出焊接处根部的未焊透缺陷，P135E和P6F4是两种不同的渗透剂，在使用中可根据检测要求使用相应的渗透剂，P6F4渗透剂可以实现1.270mm深度的检测，而P135E渗透剂可完成最大深度1.626mm的未焊透缺陷，使用P135E渗透剂比使用P6F4渗透剂检测的深度更大，可以满足更高要求的检测标准。研究表明，去除焊缝表面的金属层，可有效提高检测率，但使用显影剂并不能取得明显效果，延长渗透时间同样无法取得明显效果，如图1所示。

4.3 超声波检测

随着搅拌摩擦焊工艺的改进，各国相继发明了新式搅拌摩擦焊设备，这些新设备在完成更佳焊接工艺的同时，也对无损探伤研究提出了新的挑战，新工艺中的未焊透缺陷更为隐秘，深度更大，想要完成更深程度的无损检测，需要采用超声波检测技术实现这一目标。未焊透缺陷作为焊接中最严重的缺陷，在超声波检测中可以检测到焊接材料1/5厚度，在检测深度方面有了更大的进步，对深层的焊接裂缝有更清楚的检测结果。经过近几年的改进发展，各国相继提出了相控阵超声波检测技术，这种检测技术采用多个超声波探头，对焊缝进行全方位扫面检测，相控阵中的超声波探头可发射出包括剪形波在内的多种探测波形，通过多角度传感器接收探测波的扫面信号，在电子光栅上形成超声波图像，显示出焊缝深处的焊接情况，采用相控阵超声波检测技术可以实现对材料厚度1/4至1/3处焊接缺陷的检测。

4.4 X射线检测

X射线检测技术是通过使用X射线照射搅拌摩擦焊的试件，将照射图像以照片的形式体现出来，专业人员根据照片中提供的成像信息，判断被焊接处的缺陷情况，该种检测方法的优点是：（1）准确度高，统计结果表明，采用X射线检测技术的准确度高达94%；（2）检测深度大，由于X射线的强穿透性，使得该种检测技术可以检测到金属材料厚度的1/3处。

但这种检测方法也存在着局限性：（1）无法有效检测合金材料的焊接缺陷，这是由于在合金材料搅拌摩擦焊接过程中，合金会随着摩擦而有形变，合金材料中两种金属的分配密度不均匀，X射线在不同金属中的穿透性不同，无法获得清晰的成像照片，给缺陷判断工作带来难度；（2）在搅拌摩擦焊的焊接接头处，不同合金的混合在摩擦过程中会形成更为紧密的焊接裂缝，这给X射线检测造成了更为严重的检测困难，使得检测难度进一步提高。这是由于X射线检测的特点，使得X射线在单金属搅拌摩擦焊中应用较为广泛，在合金中应用较为稀少。

4.5 涡流与传导性检测

涡流与传导性检测属于新式的搅拌摩擦焊缺陷检测技术，该技术处于扩展推广应用阶段，但在一定条件下可以取得较为理想的检测结果，因此在某些领域中也有应用。涡流与传导性检测是洛克希德·马丁公司提出的搅拌摩擦焊缺陷检测技术新概念，在最初研究该检测技术时，对相同合金的焊缝只进行了涡流检测，检测结果表明可以实现对相同合金1.65mm处的未焊透缺陷检测，在当时取得了较高成就。然而在后续的检测中发现，涡流检测对不同合金的搅拌摩擦焊进行缺陷检测时，无法实现对不同合金的搅拌摩擦焊缺陷检测，原因在于涡流无法区别不同合金焊接试件是否存在未焊透缺陷。在得知这一局限性后，洛克希德·马丁公司做了进一步的研究，在涡流检测的基础上，添加了传导技术，利用涡流相应和传感器传导相结合的方法，实现了对不同合金的未焊透缺陷检测，再经过近些年的完善改进，该技术已经逐渐完善，在检测技术上弥补了其他检查技术的检测空白，进一步提高了对搅拌摩擦焊缺陷的检测率。

5 结束语

随着工业化的快速发展，搅拌摩擦焊技术应用越加广泛，对其焊缝的缺陷检测要求也越发严格。在之前的国内外研究中，大多是针对搅拌摩擦焊的焊接接头及性能的，在焊缝缺陷的形成机理及检测技术方面较为缺乏。因此，加强检测技术方面的研究，必然促进搅拌摩擦焊技术的发展，同时也会带动无损检测技术的发展。

参考文献

[1]戴启雷.焊接速度对AA6082搅拌摩擦焊接头根部缺陷及性能的影响[J].焊接学报，2015（8）.

[2]高双胜.搅拌摩擦焊接头体积型缺陷的无损检测与成因分析[J].焊接，2013（5）.

[3]孔凡校.铝合金搅拌摩擦焊接缺陷分析及工艺优化[J].铸造技术，2014（9）.

[4]周法权.搅拌摩擦焊焊缝激光检测与焊接轨迹自动修正[J].焊接技术，2014（12）.

[5]郑德根.基于激光超声的铝合金搅拌摩擦焊典型缺陷检测及分析[J].焊接学报，2015（9）.

[6]路浩.搅拌摩擦焊接缺陷相控阵探测技术研究[C].2014轨道交通先进金属加工及检测技术交流会，2014.

[7]李继忠.根部未焊透对搅拌摩擦焊接接头力学性能的影响[J].电焊机，2014（4）

[8]胡志华，邢丽，杨成刚.搅拌摩擦焊未焊透缺陷的渦流阻抗特征研究[J].热加工工艺，2011（11）.

[9]孟永乐.搅拌摩擦焊缺陷的无损检测技术研究[D].南昌大学，2011.

作者简介：刘波（1971-），男，辽宁盘锦人，本科学历，讲师，工程师，研究方向：焊接技术应用。