国内铝合金焊缝PAUT技术应用现状.pdf

第 卷第期 年 月造 船 技 术Z a o c h u a nJ i s h uV o l N o O c t,作者简介:陆雷俊(),男,高级工程师,研究方向为船舶和电力行业无损检测、理化、焊接技术及工艺研究文章编号:()D O I:/j i s s n 国内铝合金焊缝 P PA AU UT T 技术应用现状陆雷俊,吉莉红,闵少松,滑林(上海船舶工艺研究所,上海 ;海军工程大学 舰船与海洋学院,湖北 武汉 )摘要:随着铝合金材料的普及使用,作为先进数字化检测手段的相控阵超声波检测(P h a s e dA r r a yU l t r a s o n i cT e s t i n g,P AUT)技术应用备受关注.近年来,在先进超声波技术发展和应用需求结合下,陆续开展的相关试验研究为铝合金搅拌摩擦焊焊缝P AUT技术提供指导和规范引领,并形成相关行业应用标准.铝合金气体保护焊P AUT技术的应用需求逐渐显现,但相关研究和标准尚在起步阶段.梳理国内铝合金焊缝P AUT技术应用现状,可为推动铝合金焊缝P AUT技术研究、扩展应用场景提供技术基础.关键词:铝合金焊缝;P AUT;应用现状;搅拌摩擦焊;气体保护焊中图分类号:U 文献标志码:AA p p l i c a t i o nS t a t u so fD o m e s t i cP A U TT e c h n o l o g yi nA l u m i n u mA l l o yW e l d sL UL e i j u n J IL i h o n g M I NS h a o s o n g HUAL i n 敭 S h a n g h a i S h i p b u i l d i n gT e c h n o l o g yR e s e a r c hI n s t i t u t e S h a n g h a i C h i n a 敭 C o l l e g eo fN a v a lA r c h i t e c t u r ea n dO c e a nE n g i n e e r i n g N a v a lU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g W u h a n H u b e i C h i n a A b s t r a c t W i t ht h ew i d e s p r e a du s eo f a l u m i n u ma l l o ym a t e r i a l t h ea p p l i c a t i o no fP h a s e dA r r a yU l t r a s o n i cT e s t i n g P AUT t e c h n o l o g ya sa na d v a n c e dd i g i t a l t e s t i n gm e a n s i sa t t r a c t e dm u c ha t t e n t i o n 敭 I nr e c e n ty e a r s u n d e r t h ec o m b i n a t i o no fa d v a n c e du l t r a s o n i ct e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o nn e e d s t h er e l e v a n tt e s tr e s e a r c h e sa r es u c c e s s i v e l yc o n d u c t e dt op r o v i d eg u i d a n c ea n ds t a n d a r dg u i d a n c ea n dt of o r m t h er e l e v a n ti n d u s t r ya p p l i c a t i o ns t a n d a r d sf o rP AUT t e c h n o l o g yo fa l u m i n u m a l l o yf r i c t i o ns t i r w e l d i n g w e l d s 敭T h ea p p l i c a t i o nn e e d so fP AUTt e c h n o l o g yi na l u m i n u m a l l o yg a ss h i e l d e d w e l d i n ge m e r g e sg r a d u a l l y b u tt h er e l e v a n tr e s e a r c ha n ds t a n d a r d s a r e s t i l l i n t h e i n i t i a l s t a g e 敭 T h e a p p l i c a t i o ns t a t u so f d o m e s t i cP AUTt e c h n o l o g yi na l u m i n u ma l l o yw e l d sa r es o r t e do u t w h i c hc a np r o v i d e t e c h n i c a l b a s i s f o rp r o m o t i n gt h er e s e a r c ho fP AUTt e c h n o l o g y i na l u m i n u ma l l o yw e l d sa n de x p a n d i n gt h ea p p l i c a t i o ns c e n e s 敭K e yw o r d s a l u m i n u ma l l o yw e l d P AUT P h a s e dA r r a yU l t r a s o n i cT e s t i n g a p p l i c a t i o ns t a t u s f r i c t i o ns t i rw e l d i n g g a ss h i e l d e dw e l d i n g0 0引言超声波检测(U l t r a s o n i cT e s t i n g,UT)技术作为四大常规无损检测技术之一,在工业和国防等质量监控领域发挥着重要作用.近年来,随着相控阵超声波和时差衍射法超声波等超声波新技术的发展,传统的超声波方法开始向可视化、可记录、数字化和智能化逐步发展,结合计算机技术和人工智能等技术的智能UT技术预计将会到来.传统的UT广泛用于碳钢和低合金钢等声速均匀的材料及其焊缝检测,铝合金与常规钢材的声学特性存在差异,其焊缝的缺陷特征与常规钢材焊缝的缺陷特征存在 不 同.开 展 铝 合 金 焊 缝 相 控 阵 超 声 波 检 测(P h a s e dA r r a y U l t r a s o n i cT e s t i n g,P AUT)技术应用讨论,有利于提高P AUT技术检测铝合金焊缝的质量可靠性,推动相关标准体系建立,并结合超声波新技术发展,促进P AUT技术在更多的工业领域开展应用.1 1P PA AU UT T 工作原理UT主要采用频率高于 k H z的机械波在介质中传播,利用其发射、衍射和透射等声学特征,检测介质中的缺陷存在情况.P AUT技术在计算机技术和先进超声波技术优势结合下发展成熟,与传统UT相比,P AUT在换能器和数字化图形处理与显示方面具有明显的技术进步.P AUT的换能器由若干独立收发的晶片按一定顺序排列组成,每个晶片称为阵元,P AUT技术核心在于每个阵元的发射与接收相位调节.在相控阵阵元发射时,各阵元被同一频率的脉冲信号激发,在电子系统控制下按一定的延时法则发射超声波,不同阵元发射的超声波具有不同的相位,在介质空间中叠加和干涉,形成不同的波阵面(合成声束),实现声束偏转和聚焦;在接收时,在各阵元接收超声波回波后,依据回波时间差,仪器对回波信号进行补偿计算,合成相关信号,最终按一定的显示方式进行呈现,实现P AUT的数字化和可视化.传统UT的显示方式为振幅扫描(Am p l i t u d eS c a n,A扫)视图显示,一般横坐标为传播时间,纵坐标为波幅高度的平面显示.除A扫外,P AUT可实现扇形扫描(S e c t o rS c a n,S扫)、亮度扫描(B r i g h t n e s sS c a n,B扫)、动态深度扫描(D y n a m i cD e p t hS c a n,D扫)和 恒 定 深 度 扫 描(C o n s t a n tD e p t hS c a n,C扫)等视图显示.P AUT视图显示如图所示.图P A U T视图显示示例2 2铝合金材料和铝合金焊接工业用铝合金材料主要分变形铝合金和铸造铝合金两大类.变形铝合金牌号是以为开头的位编码,开头牌号为纯铝材料.铸造铝合金牌号以Z L为开头,分别以元素含量(质量分数)不同和工艺不同进行分类.铝和铝合金焊接方法分为搅拌摩擦焊、氩弧焊、手工电弧焊、电阻焊、激光焊、激光电弧复合焊和电子束焊等.铝和铝合金对各种焊接方法的适应性不同,各种焊接方法具有各自的应用场合.铝合金具有质量轻、比强度高、耐腐蚀性能好、无磁性、成型性好和低温性能好等特点,广泛用于各种焊接结构产品,采用铝合金代替钢板材料焊接,结构质量可减轻 以上.但铝和铝合金焊缝容易出现气孔、难熔氧化膜、热裂纹和接头软化等缺陷,同种铝合金接头检测截面的声速和衰减变化较大,加上不同牌号铝合金材料金相组织差别较大,会形成UT的声速和衰减等变化,导致在铝合金焊缝UT实际应用中,对缺陷的有效发现并合理显示一直是难点.P AUT利用超声波声束聚焦和多角度等技术优势,结合多视图显示,在铝合金焊缝P AUT中可部分识别声速误差和衰减影响,提高缺陷检测率,提升铝合金焊缝质量无损检测的可靠性.3 3铝合金焊缝 P PA AU UT T 研究 铝合金搅拌摩擦焊焊缝和铝合金气体保护焊焊缝铝合金材料硬度小,打磨平整困难;铝合金焊缝在成型过程中熔池流动性大,形成的焊缝宽度较大.针对UT可达性而言,铝合金焊缝分为两类:无余高焊缝(搅拌摩擦焊等)和带余高焊缝(气体保护焊等).搅拌摩擦焊焊缝典型结构为无余高.在进行P AUT时,焊缝与母材齐平,可采用平行与非平行方式在焊缝和母材区域自由扫查,轻松实现检测区域 覆盖下的多角度扫查,并可采用水浸和接触等方式进行检测,如图所示.图搅拌摩擦焊焊缝P A U T扫查示例陆雷俊,等:国内铝合金焊缝P AUT技术应用现状气体保护焊焊缝典型结构为带余高.由于焊缝余高存在,因此一般仅可在焊缝两侧开展斜入射平行扫查或斜平行扫查,如图所示.图气体保护焊焊缝P A U T扫查示例 铝合金搅拌摩擦焊焊缝P A U T随着国内工业的飞速发展,铝合金结构应用越来广泛,铝合金搅拌摩擦焊焊缝具有可适应较薄构件、质量控制稳定和表面平整一次成型等特点,其高可靠和高精度的内部质量检测要求推动P AUT技术的研究和应用.缺陷显示特征铝合金搅拌摩擦焊焊缝P AUT缺陷显示特征试验和研究是提高检测率、降低误检率的有效手段,国内相关大学、行业研究和累积较多,大多针对隧道状孔洞缺陷、未焊透和疏松等常规缺陷开展,建立相关的规律总结和技术基础,为现场应用提供强力的支撑.余亮等针对不同厚度的铝合金搅拌摩擦焊焊缝,采用 L 探头,开展检测灵敏度和缺陷回波信号 特 征 等 研 究.结 果 表 明:对 于 深 度 小 于 mm、直径为 mm的横通孔,测量误差较小,测量深度和实际深度误差小于,可对横通孔缺陷进行精准定位;实物孔洞缺陷回波显示为单一尖锐波峰,峰值较高;包铝和疏松缺陷呈现多束聚焦的波峰,波峰高度随缺陷分布有所差异.胡博文等针对 mm厚的 A 铝合金搅拌摩擦焊焊缝的不同形态未焊透和隧道状孔洞缺陷,制备 缺 陷 试 块 开 展 铝 合 金 搅 拌 摩 擦 焊 缺 陷P AUT及其图像特征识别研究.观察缺陷界面形态对检测的影响,结合S扫模式的检测图像、信号和检测图像的纹理分析,对不同界面形态的缺陷进行辨别.结果表明:取向杂乱的隧道状孔洞界面A扫为一个主峰和多个次峰;稳定型隧道状孔洞界面容易产生衍射,S扫为同一水平位置的个色带,通过色带的位置可区分隧道状孔洞和未焊透;平直未焊透界面信号强度与声束和界面垂直程度呈反比;弯曲未焊透界面信号强度与曲率呈反比,在下部平直位置急剧升高,上部取向角由锐角向钝角转变部位的声束分为两个方向反射,信号急剧降低.戴忠晨等采用 L 探头,以直接接触方式开展 A铝合金搭接焊缝P AUT,提出一套适用于P AUT图像处理和特征识别的方法,采用滤波二值化和C a n n y算子图像边缘检测技术,测量缺陷的等效长度、宽度和面积,并对焊接缺陷进行定量分析.翟烜等针对复兴号动车组小于 mm厚的铝合金搅拌摩擦焊,采用改变聚焦等设置方法,对隧道状孔洞缺陷和弱结合缺陷的P AUT成像特点进行分析研究.结果表明:采用 mm聚焦深度的线扫方式,以一次波为主评定,可检测隧道状孔洞等体积型缺陷;观察缺陷信号位置,采用横波线扫描弱结合二次波信号的综合评定方法,开展弱结合缺陷检测识别效果较好;精准控制焊缝中心矩,对焊缝 飞 边 等 外 观 结 构 固 定 位 置 信 号 进 行 有 效识别.检测工艺为提升铝合金搅拌摩擦焊P AUT在实际应用中的检测可靠性,国内多行业开展相关检测工艺迭代试验研究,主要针对具体应用对象开展检测工艺参数优化,解决大部分的现场实际问题,为检测标准的建立、规范和优化提供较多的技术基础.王飞等针对某薄壁结构件 mm厚的 铝合金搅拌摩擦焊锁底焊缝,开展P AUT工艺试验,采用内置 楔块相控阵探头,迭代相关检测工艺参数,解决该结构件装机条件下的空间狭小和厚度薄等复杂架构检测难点,结合缺陷图像特征和焊接工艺对隧道状孔洞和疏松缺陷成因进行分析,为质量控制和改进提供参考.张亚荣等针对 mm厚的薄规格铝合金板材对接搅拌摩擦焊焊缝裂纹和隧道状孔洞缺陷,采用设计试块和优化P AUT工艺方式,在焊缝平整的条件下开展P AUT信噪比和检测效果等技术研究,并与X射线的检测结果进行对比,得到检测频率和偏转角度等工艺参数,并证明P AUT与 射 线 检 测(R a d i o g r a p h y T e s t i n g,R T)的 等效性.杨书勤等针对小于 mm厚的 T 造 船 技 术第 卷第期搅拌摩擦焊焊缝,采用 L 探头,设计自动扫查装置和 mm厚的斜台板试块,试验确定P AUT探头参数、楔块、扫描角度、扫描方式和显示方式,对 mm以下斜台板搅拌摩擦焊焊缝开展P AUT,取得良好检测效果.铝合金气体保护焊焊缝P A U T与搅拌摩擦焊相比,铝合金气体保护焊焊缝具有不规则表面,导致P AUT探头只能在焊缝两侧开展斜入射扫查,而不能直接在焊缝上开展平行扫查,检测难度相对较高.该类焊缝的内部质量高可靠性检测的需求明显存在和迫切.国内相关行业针对该类焊缝的应用研究处在试验和对比阶段,取得一些进展,但基于无检测标准和客户无强制要求等现实情况,大规模应用没有开展.李来平等 针对 mm厚的 铝合金氩弧焊焊缝,采用 L 探头,以焊缝两侧扫查方式试验设计聚焦深度等工艺参数,对气孔和裂纹等实物缺陷开展铝合金焊缝缺陷深度定位开展P AUT试验研究,并与缺陷微观测量和宏观测量结果进行对比,证实相关的有效性和精度.李小欣等 针对 mm厚和 mm厚的 壳体铝合金气体保护焊焊缝,设计相关自然缺陷试块,迭代研究P AUT探头参数选择和楔块等工艺参数,以焊缝两侧扫查方式开展缺陷检测和定位误差等试验研究.结果表明:mm厚的焊缝缺陷采用自聚焦探头,mm厚的焊缝缺陷采用常规 L 探头,分别具有较好的检测效果和定位精度,可 用 于 气 体 绝 缘 金 属 封 闭 式 组 合 电 器(G a s I n s u l a t e d M e t a l E n c l o s e d S w i t c h g e a r,G I S)和气体绝缘金 属封闭式输 电线路(G a s I n s u l a t e dM e t a l E n c l o s e dT r a n s m i s s i o nL i n e,G I L)等设备焊接外壳的P AUT,以提高检测效率、降低射线带来的辐射危害.黄军等 针对铝合金天然气储罐气体保护焊焊缝,采用 L 探头,设计制作对比试块和焊缝试块,以焊缝两侧扫查方式开展P AUT,并与R T、常规UT和 现 场 实 物 分 解 结 果 进 行 对 比,得 出P AUT与R T和UT结果一致的结论.战丽丽 针对某项目G I L螺旋管焊缝,采用 L 探 头,以 充 水 耦 合 方 式 设 计 专 用 工 装,对 m标 长 制 作 管 段 mm厚 的 焊 缝 开 展P AUT,达到安全、准确和高效的检测效果,为组织制定P AUT缺陷判定标准提供相关技术基础.罗宏建等 针对G I S角焊缝检测需求提出一种P AUT方法,采用C I VA仿真软件,开展全覆盖和典型缺陷等仿真研究,并在 mm壁厚的焊缝中设计人工缺陷,迭代优化相关P AUT工艺,开展实物试验验证,确定G I S角焊缝质量的有效管控.4 4铝合金焊缝 P PA AU UT T 标准制定国内建立的铝合金焊缝P AUT技术标准主要针对搅拌摩擦焊,基于焊缝平整的实际情况,一般采用在焊缝上平行检测,采用接触法和水浸耦合方式,相关应用规模较大,技术成熟度较高.气体保护焊铝合金焊缝P AUT技术的大规模应用鲜见于相关报道,该类铝合金焊缝P AUT技术标准在国内未见发布使用.国内铝合金母材、铸件和锻件常规UT标准主要为 变 形 铝、镁 合 金 产 品 超 声 波 检 验 方 法(G B/T )和 变形铝合金铸锭超声检测方法(Y S/T )等,国内铝合金焊缝UT技术标准主要为 铝和铝合金制及钛承压设备对接 接 头 超 声 检 测 方 法 和 质 量 分 级(N B/T )附录H等,适 用 于 大 于 或 等 于 mm厚的焊接接头UT.铝合金搅拌摩擦焊最初被航天领域规模成熟应用.为提高搅拌摩擦焊焊缝质量控制可靠性,国家国防科技工业局 于 年发布 铝合金搅拌摩擦焊超声相控阵检测方法(Q J ),该标准规定采用P AUT技术检测铝合金搅拌摩擦焊的检 测 要 求 和 检 测 结 果 分 级,适 用 于 mm厚的铝合金搅拌摩擦焊对接接头的检测与评定,并规定其他结构形式和其他厚度的接头检测与评定可参照执行.该标准主要针对国防航天领域逐渐大规模使用的铝合金搅拌摩擦焊焊缝质量高精度和高可靠性检测,提出P AUT具体人员、设备、试块和方法等要求,采用直径为 mm的横通孔作为标准反射体,并推荐相关P AUT工艺参数,并在附录中推荐基于箭体贮箱结构对接接头的分级.该标准在国内开始对铝合金焊缝P AUT方法的规范使用提出要求,在国防领域被广泛使用,并在高铁和材料工业等领域借鉴使用.近年来,随着国内有色金属工业的发展,铝合金使用场合越来越广泛,搅拌摩擦焊焊缝质量的P AUT技术应用越来越被重视.陆雷俊,等:国内铝合金焊缝P AUT技术应用现状中车集团于 年发布 搅拌摩擦焊焊缝相控阵超声检测(Q/C R R C J ),检测厚度下限定为 mm.中国焊接协会 于 年发布 铝合金搅拌摩 擦 焊 体 积 型 缺 陷 相 控 阵 超 声 检 测 规 范(T/CWAN ),规定采用P AUT技术检测铝合金搅拌摩擦焊接头体积型缺陷的检测要求和检测结果分级,适用于 mm厚的铝合金搅拌摩擦焊接头的P AUT与评定,并规定其他接头形式和其他厚度的接头检测与评定可参照执行.该标准提出的P AUT方法和分级可用于工业领域众多行业,具体提出人员、设备、试块和方法等要求,采用直径为 mm的横通孔作为标准反射体,并推荐相关P AUT工艺参数.该标准正在被工业领域众多行业参照使用.5 5结语铝合金焊缝P AUT技术在国内得到越来越广泛的应用.相关文献表明,国内铝合金搅拌摩擦焊一般采用单线阵探头检测技术,双线阵、双面阵、动态聚焦和全聚焦等技术未能开展研究和使用,有待进一步拓展.搅拌摩擦焊焊缝表面平整,可采用焊缝表面平行与非平行扫查方式开展的接触式和充水式P AUT技术,技术成熟度较高,可进行全体积和多角度检测,在最大程度上发挥P AUT技术的优势,结合各行业的缺陷特征与工艺优化研究,在国内各行业形成大规模应用趋势.相关行业和企业标准的建立与使用,对铝合金搅拌摩擦焊P AUT工艺参数和验收分级起到规范和引领作用,满足铝合金搅拌摩擦焊焊缝和热影响区的质量可靠性检测需求,应用成熟度较高.对于铝合金气体保护焊焊缝而言,由于存在表面不平整不能进行表面平行扫查和壁厚较薄、焊缝较宽、相控阵专用探头设计等实际问题,因此其P AUT技术的研究和应用在国内进展较为缓慢,行业和集团(公司)的P AUT标准未见发布,且在铝合金气体保护焊焊缝P AUT技术研究和应用实例中未见大规模应用报道.但该类焊缝P AUT技术应用需求在压力设备和电器设备等行业中陆续显现.随着数字化和智能化检测需求的提升,作为先进数字化检测技术手段之一的铝合金气体保护焊焊缝P AUT技术,会越来越得到重视,相关的技术和工艺迭代优化研究会明显增加,最终将形成相关的P AUT技术基础,满足各行业多类别铝合金焊缝质量监控提升需求.参考文献国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会变形铝及铝合金化学成分:G B/T S 赵雪梅铝合金搅拌摩擦焊接头超声信号特征与质量评价方法D哈尔滨:哈尔滨工业大学,余亮,陈玉华,黄春平,等搅拌摩擦焊焊缝缺陷的超声相控阵检测技术J焊接学报,():胡博文,黄春平,夏春,等搅拌摩擦焊焊缝缺陷形态对超声相控阵检测的影响J中国有色金属学报,():戴忠晨,孟宪伟,付宁宁,等铝合金搅拌摩擦焊焊缝的超声相控阵扫描图像处理算法J焊接技术,():翟烜,于丽丽薄壁双轴肩铝合金搅拌摩擦焊相控阵检测研 究 C“伊 萨 杯”先 进 焊 接 技 术 交 流 会 文集 王飞,涂俊,危荃,等某薄壁构件搅拌摩擦焊锁底焊缝的超 声 相 控 阵 检 测 J无 损 检 测,():张亚荣,陈鑫薄规格铝合金搅拌摩擦焊缝超声波相控阵检测C第九届中国航空学会青年科技论坛论文集 杨书勤,钟丽英,张亚荣,等厚度小于mm的搅拌摩擦焊焊缝相控阵超声检测J无损检测,():李来平,周建平,危荃基于相控阵超声的铝合金熔焊缝缺陷深度定位技术研究J宇航材料工艺,():李小欣,赵利军,郑延召,等铝合金板材焊接接头的相控阵超声检测J无损检测,():黄军,黄均亮,魏运强,等相控阵超声检测技术在铝合金液化天然气储罐焊缝检测中的应用J无损检测,():战丽丽浅谈相控阵超声检测技术在苏通管廊铝合金外壳的应用J科技资讯,():罗宏建,张浩,邹君文,等 G I S壳体角焊缝的相控阵超声检测方法J浙江电力,():国家国防科技工业局铝合金搅拌摩擦焊超声相控阵检测方法:Q J S 中国焊接协会铝合金搅拌摩擦焊体积型缺陷相控阵超声检测规范:T/CWAN S 造 船 技 术第 卷第期