北京中麗制機(jī)工程技術(shù)有限公司 王富強(qiáng) 王隆泉/文

在汽車、航空制造、石油鉆桿和工具等行業(yè)，摩擦焊焊接質(zhì)量要求百分之百的可靠，接頭質(zhì)量的檢測是必不可少的。雖然各企業(yè)進(jìn)行了各種質(zhì)量保證措施，但焊接缺陷卻總是不可避免。檢驗(yàn)焊接接頭的方法分為破壞性檢驗(yàn)和無損檢驗(yàn)兩大類，無損檢測又分許多種，每種檢測方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

長襯套是化纖設(shè)備的核心零部件，支撐絲餅高速旋轉(zhuǎn)又承重載，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。它的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)特征是一頭粗另一端細(xì)，而且粗的部分占很小一部分。長襯套毛坯直徑必須大于左端圓環(huán)的直徑，而且由于右端細(xì)長部分中間有110mm長的細(xì)孔，所以其毛坯必須為棒料而不能用空心管料。一直以來，長襯套都是以圓鋼為原材料加工而成。

為了節(jié)能減耗，將長襯套零件（圖1所示）拆分為兩個(gè)零件(如圖2所示)，件一為圓環(huán)或圓板，件二為細(xì)軸，采用摩擦焊焊接成一體。這樣原來必須用一根粗料車成的零件，就變成了由一根細(xì)長料和一個(gè)短粗堵頭焊為一體的結(jié)構(gòu)，不僅可以降低切削量、節(jié)省材料，而且節(jié)省這些材料的加工工時(shí)，從而大幅降低生產(chǎn)成[1]。

摩擦焊接頭的焊接缺陷主要是未焊透和焊接裂紋，前者發(fā)生在焊接表面上，后者在焊縫表面和母材上都有可能產(chǎn)生。在正常生產(chǎn)過程中，因檢測成本制約等原因，對大型零件進(jìn)行破壞性檢測顯然是不可行的檢測方案，合理的檢測方法應(yīng)當(dāng)是無損檢測。本文就是針對長襯套這一加工工藝的變化，分析解決長襯套摩擦焊接頭焊接質(zhì)量的無損檢測方法。

圖1 長襯套結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 長襯套結(jié)構(gòu)示意圖-摩擦焊版

1、無損檢測方法的適宜性分析

對于必須檢驗(yàn)的大型零件進(jìn)行無損檢測是相對可行的檢測方案，常用的無損檢測方法有如下幾種：

（1) X射線檢測

射線檢測是利用射線檢測被檢測部位的內(nèi)部缺陷，射線穿過金屬，對內(nèi)部進(jìn)行檢測，所以屬于無損檢測方法。射線檢測適用于所有金屬、非金屬材料，只要是材質(zhì)均勻，均可使用，而且檢驗(yàn)靈敏度高[2]。射線檢測的基本原理：射線發(fā)生機(jī)產(chǎn)生射線，通過窗口發(fā)射出來。射線可以穿過被檢工件，由于缺陷處的密度，即對射線的吸收程度不同，所以射線穿過有缺陷的部位和沒缺陷的部位，射線的穿透量不同，缺陷越大，射線穿透量越多，在成像裝置上呈現(xiàn)出明顯的黑白色。有缺陷的地方射線多，曝光量大，顯影裝置為黑色；相反，沒有缺陷的地方，透光量一致，且透過量較少，顯影裝置上呈現(xiàn)出一片淺色。就這樣一黑一白，有缺陷和沒缺陷的地方被區(qū)分開來。采用射線檢測，顯影直觀，位置明確，大小可以量化，目前得到大量推廣。

（2) 著色滲透檢測

著色檢測方法共分四步：第一步，用專用清洗劑將工件待檢面擦洗干凈，所有鐵削、油污、水等雜物都必須去除，用抹布擦洗干凈；第二部，待清洗面晾干以后，將具有高滲透作用的液體涂抹在工件表面，放置足夠長的時(shí)間，讓滲透劑滲入表面開口的缺陷內(nèi)部。放置期間工件表面不能干，遇風(fēng)大、高溫天氣干燥較快時(shí)，可以補(bǔ)加一些滲透劑，保證工件表面的液體可以流動。該液體橙紅色，顏色鮮艷。第三步，滲透15～20分鐘后，滲透基本完成，此時(shí)應(yīng)擦除工件表面的滲透劑，只留滲透進(jìn)缺陷里的滲透劑。所以這一步比第一步重要，對操作的技術(shù)性要求較高。不僅要求擦出干凈表面的滲透劑，又不能擦干滲進(jìn)缺陷的滲透劑，只能往一個(gè)方向擦，不能往復(fù)擦，工件表面不能有肉眼可見的滲透劑殘留。第四步，在第三步結(jié)束后迅速展開，不能間隔時(shí)間長，否則滲進(jìn)缺陷內(nèi)部的液體會被風(fēng)干，這樣就無法檢測了。在距離工件300～400mm的位置噴顯像劑，薄薄的一層白色。該物質(zhì)迅速粘貼的工件表面，而且能把缺陷里殘存的滲透劑吸出來，使工件表面呈現(xiàn)出紅色。這樣白底紅印對比鮮明，可以清洗地發(fā)現(xiàn)缺陷位置和大小，因此滲透檢測是一種有效的無損檢測方法，但他只能檢測表面開口的缺陷，因?yàn)楸砻娌婚_口的缺陷不能吸收滲透劑。該檢測方法的基本原理是毛細(xì)現(xiàn)象、滲透和潤濕等。

具體方法如下：長襯套焊接后外表面和內(nèi)孔都需要車削加工，通過車削加工，去除焊接翻邊，然后對接頭處進(jìn)行滲透檢測，此時(shí)采用滲透檢測方法可以發(fā)現(xiàn)工件表面未焊透、未熔合等裂紋類缺陷。

（3) 超聲檢測方法

超聲波檢測應(yīng)用廣泛，常見的使用場所為醫(yī)院體檢，A掃、B掃，成像不同。超聲波的一大特性是聲音沿直線傳播，遇到界面后發(fā)生反射，類似光的傳播特征。檢測時(shí)，發(fā)射與接收一般都在同一個(gè)裝置上，發(fā)射裝置通過耦合劑與被檢測物體（人或者工件）連接，超聲波順利進(jìn)入被檢測工件內(nèi)部。超聲波在工件內(nèi)部遇到缺陷后，由于缺陷的密度與工件不同，或者缺陷與工件之間存在空氣的材質(zhì)不同的界面，那么超聲波就會被絕大部分地反射，波束沿原路返回，發(fā)射裝置接收到發(fā)射信號后，傳回控制器。超聲波收發(fā)裝置是一種轉(zhuǎn)換器，可以將高頻的機(jī)械振動轉(zhuǎn)換成超聲波，也能將超聲波轉(zhuǎn)換成電信號，轉(zhuǎn)換器進(jìn)行著聲壓轉(zhuǎn)換?？刂破魍ㄟ^時(shí)間差計(jì)算出缺陷的距離。檢驗(yàn)員通過移動探頭位置，尋找缺陷的最大位置和邊緣位置，最終確定缺陷輪廓和缺陷的中心。即使是點(diǎn)缺陷，超聲檢測也可以通過當(dāng)量計(jì)算出缺陷的大小。

超聲波檢測使用方便，成本低，運(yùn)行成本也低，耗材少，耦合劑可以用水代替，無污染效率高，可以探測所有晶粒細(xì)小的金屬材料。超聲波檢測和射線檢測并稱為內(nèi)科檢測，因?yàn)樗饕脕頇z測工件內(nèi)部的缺陷。

圖3 超聲檢測模擬試塊

圖4 超聲檢測回波信號

（4) 相共陣超聲檢測法

相共陣超聲檢測又稱作TOFT，是多探頭檢測。檢測原理：一個(gè)探頭發(fā)射超聲信號，同時(shí)有多個(gè)探頭從不同角度不同位置接收反射信號，這樣一次性就可以接收到缺陷全方位信息，對缺陷定位方便，而且直觀。但是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備精良，維護(hù)成本和一次性購買成本都比較高，目前推廣比較慢。只是在航空領(lǐng)域得到一些應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)室也有一些應(yīng)用。

（5) 磁粉探傷

磁粉檢測的基本原理是利用鐵磁性材料在磁場中可以被磁化，而且被磁化的部位如果有缺口，缺口部位就會產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象，當(dāng)被檢測工件被灑上磁粉或者是一定濃度的磁粉水溶液，這時(shí)，磁粉就會被吸附在缺口位置。因此使用電磁鉗對工件進(jìn)行磁化，近表面的缺陷就會被顯示出來。

有以上分析可知，磁粉檢測有很大的限制：首先是材料必須是可以被磁化的材料，像不銹鋼、鋁合金這些材料無法使用磁粉檢測。然后是被檢測的缺陷必須是近表面的，開口與否無所謂，這樣才能產(chǎn)生漏磁現(xiàn)象，顯示缺陷的位置和大小。所以只能用于一些特殊的場合，比如焊縫的表面檢測，表面復(fù)雜工件的檢測等[3]。

（6) 金相覆膜

隨著科技的不斷進(jìn)步，新的檢測技術(shù)不斷出現(xiàn)，比如金相覆膜技術(shù)就是其中之一。對于一些體積較大的工件如果需要檢測金相，就必須進(jìn)行破壞性檢測，檢測之后工件就會被報(bào)廢，而金相覆膜技術(shù)，可以在不破壞工件的前提下，通過對工件進(jìn)行預(yù)處理，然后獲得工件的金相照片，方便、無損、成本低，然后將照片帶回實(shí)驗(yàn)室分析。

適用于長襯套摩擦焊接頭檢測的無損檢測方法分析：長襯套摩擦焊接頭缺陷既有內(nèi)部缺陷也有表面開口的缺陷。根據(jù)上面對幾種常見的無損檢測方法的分析可知，這些無損檢測方法中，滲透檢測和磁粉檢測都無法檢測內(nèi)部缺陷，射線檢測和超聲檢測不僅能夠檢測表面缺陷也能夠檢測內(nèi)部缺陷。但射線檢測不能夠檢測這種厚壁變徑管狀結(jié)構(gòu)。如果采用射線檢測管子，透照時(shí)還要采用斜方向、雙壁單影，操作難度非常大，拍出的片子很難分辨缺陷，檢驗(yàn)成本也很高，這種方法用于批量生產(chǎn)肯定不適合。

超聲檢測有許多的優(yōu)點(diǎn)，缺陷定位準(zhǔn)確、缺陷性質(zhì)分析較清晰、缺陷檢測結(jié)果可記錄、檢測效率高，成本低，因此本文將重點(diǎn)進(jìn)行超聲無損檢測方法的有效性；探討斜探頭和直探頭兩種超聲檢測的優(yōu)劣。

2、超聲檢測工藝分析

目前，許多單位采用超聲波檢驗(yàn)方法來檢測摩擦焊接頭的缺陷，使用方便，成本低，已經(jīng)取得了良好的使用效果，但是超聲探傷受工件材料和接頭形狀的限制。超聲檢測對被測件的表面粗糙度有較高要求，工件表面必須光滑，無焊瘤、飛濺、氧化皮等，因此超聲檢驗(yàn)前必須對工件進(jìn)行基本的處理。從材質(zhì)方面考慮，使用超聲檢測的工件不能是不銹鋼、鋁等大晶粒金屬，因?yàn)槌暡ㄔ谶@類工件內(nèi)部傳播時(shí)聲強(qiáng)損耗特大，傳播距離近，無法正常使用，但是這一點(diǎn)對于長襯套來說不成問題，長襯套使用的材料屬于低合金鋼，晶粒細(xì)小均勻，因此長襯套適合超聲檢測。

為了方便分析超聲檢測工藝，根據(jù)相關(guān)資料提示，設(shè)計(jì)并投產(chǎn)超聲檢測缺陷模擬試塊，如圖 3所示[4]。此模擬試塊內(nèi)側(cè)有三段凹槽，每個(gè)槽的深度不同，模擬不同深度的表面裂紋，又可以用于校準(zhǔn)儀器靈敏度，分別是3×1槽、3×2槽、3×3槽。三個(gè)槽各占四分之一，還有四分之一沒有凹槽，代表沒有缺陷。該模擬試塊的創(chuàng)意在于將不同深度的人工缺陷加工在同一個(gè)工件上，不僅使用方便而且保存也很方便。

第一次測試時(shí)，采用5P20型號直探頭在實(shí)際工件左端端面檢測，無法發(fā)現(xiàn)缺陷。分析原因是這種探頭僅適用于檢測工件內(nèi)部缺陷，而摩擦焊試驗(yàn)初期的焊接裂紋總是從表面開裂，向內(nèi)部擴(kuò)展，但是直探頭無法檢測長襯套內(nèi)外表面的裂紋。表面裂紋的有無和裂紋深度都是很重要的信息，對控制焊接質(zhì)量有重要意義。

第二次測試時(shí)，在模擬試塊上采用13×13K2、13×13K1.5、14×14K2三種斜探頭檢測人工缺陷，無論如何調(diào)試都無法順利檢測到人工缺陷。分析原因是，由于焊縫剛好在工件變徑處，焊縫缺陷和干擾信號疊加在一起，檢測屏幕上信號雜亂，很難區(qū)分缺陷波和干擾信號，如圖 4a所示。

超聲檢測中探頭的選擇一般包括探頭的型式（種類）、前沿尺寸、探頭頻率、晶片尺寸以及K值等因素。經(jīng)過前面的分析，我們選擇了斜探頭，接下來從探頭的近場長度方面探討一下其對檢測結(jié)果的影響。近場區(qū)聲場是很復(fù)雜的，沒有規(guī)律，不能用于檢測，近場區(qū)一般是檢測盲區(qū)；在遠(yuǎn)場區(qū)聲強(qiáng)變化趨于平穩(wěn)，探傷結(jié)果更準(zhǔn)。因此，當(dāng)工件尺寸小，應(yīng)當(dāng)采用近場距離較小的探頭，避免缺陷處于探頭的近場區(qū)。

超聲探頭的近場距離計(jì)算方法為：

N=L2/4λ （1-1）

其中N：近場區(qū)長度；L：探頭直徑；λ：波長（λ=c/f）；f：頻率；c：材料中的聲速

本工件的壁厚只有5mm，導(dǎo)致缺陷距離探頭很近。普通斜探頭的近場區(qū)較大，缺陷位于近場區(qū)。減小近場區(qū)的方法：減小探頭直徑、減少探頭頻率均可縮短近場長度。根據(jù)以上分析，制定新的超聲檢測工藝為：采用斜探頭檢測，探頭為6×6K1P5型，用一次波和二次波檢測。

第三次測試時(shí)，采用探頭為6×6K1P5型的斜探頭，新的檢測工藝不僅能夠檢測到缺陷而且回波很清晰，如圖 4b所示。

3、結(jié)論

目前使用超聲檢測已經(jīng)能夠清晰地探出人工缺陷，每一根長襯套都可以在焊后采用該超聲檢測工藝進(jìn)行超聲波無損檢測，我們可以信心百倍地將產(chǎn)品交付到用戶手中。由于此項(xiàng)技術(shù)，我們?yōu)殚L襯套摩擦焊正式投入使用提供了技術(shù)保障，操作者可以采用全檢或根據(jù)焊接參數(shù)監(jiān)控曲線提示進(jìn)行抽檢，保證焊縫質(zhì)量。