閆 彧

(中國(guó)航發(fā)北京航科發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)科技有限公司，北京 102200)

異種金屬擴(kuò)散焊接，例如鋼-銅擴(kuò)散焊接等，是通過(guò)擴(kuò)散焊接的方式將不同力學(xué)、耐磨等性能的金屬材料連接在一起的一種焊接技術(shù)，此種焊接技術(shù)可以綜合兩種材料的使用性能，充分發(fā)揮兩種材料的優(yōu)勢(shì)。然而在實(shí)際應(yīng)用中，擴(kuò)散焊接接頭會(huì)存在多種類(lèi)型的缺陷，這些缺陷嚴(yán)重影響焊接結(jié)構(gòu)的完整性，從而影響零部件本身的使用性能。

對(duì)于擴(kuò)散焊接接頭質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)考慮擴(kuò)散焊接接頭的位置及缺陷特性，擴(kuò)散焊接的缺陷主要出現(xiàn)在零件內(nèi)部。常規(guī)的表面無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，如滲透、磁粉檢測(cè)無(wú)法檢測(cè)零件內(nèi)部的缺陷。射線(xiàn)檢測(cè)可以檢測(cè)內(nèi)部缺陷，其利用厚度差形成的影像黑度差來(lái)判別缺陷，而擴(kuò)散焊接多為面積型缺陷，厚度差過(guò)小，所以射線(xiàn)檢測(cè)效果不好。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)擴(kuò)散焊接的主要檢測(cè)方法為超聲檢測(cè)[1]。相較于其他無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，超聲檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)明顯：① 超聲檢測(cè)基本不受制于試件的材料，可對(duì)金屬、非金屬、復(fù)合材料等多種材料進(jìn)行檢測(cè)；② 采用超聲波發(fā)射信號(hào)和接收回波信號(hào)的特點(diǎn)，可對(duì)零件內(nèi)部缺陷的大小、位置、走向、埋藏深度，甚至性質(zhì)等進(jìn)行正確評(píng)估；③ 檢測(cè)可覆蓋零件的全部區(qū)域，并且對(duì)試件從一側(cè)進(jìn)行檢測(cè)即可完成；④ 超聲檢測(cè)設(shè)備可存儲(chǔ)零件的檢測(cè)參數(shù)及波形信息。

筆者采用超聲檢測(cè)對(duì)鑄造錫青銅ZCuSn10Pb2Ni3和結(jié)構(gòu)鋼2Cr3WMoVA兩種材料的擴(kuò)散焊接接頭的不同類(lèi)型缺陷進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)其檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析。

1 檢測(cè)對(duì)象

零件由鋼-銅擴(kuò)散焊接而成，焊接所用鋼材料為結(jié)構(gòu)鋼2Cr3WMoVA，銅材料為鑄造錫青銅ZCuSn10Pb2Ni3。零件焊接時(shí)，將一件鋼材料與一件銅材料組裝后，在兩側(cè)施加一定的預(yù)緊力載荷，然后浸入鹽浴爐中焊接，再進(jìn)行機(jī)械加工。零件經(jīng)加工后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。零件直徑為20 mm，總高度為12 mm，銅合金厚度為1.8 mm,實(shí)施超聲檢測(cè)時(shí)，使超聲波垂直于鑄造錫青銅面入射。

圖1 加工后零件結(jié)構(gòu)示意

2 檢測(cè)設(shè)備及檢測(cè)參數(shù)

超聲檢測(cè)是基于材料狀態(tài)對(duì)超聲波聲場(chǎng)的影響來(lái)檢測(cè)的，超聲波在不同介質(zhì)中傳播會(huì)產(chǎn)生衰減，當(dāng)聲波傳播至固、液、氣等界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射、折射等，通過(guò)分析回波信號(hào)的變化來(lái)獲取被檢對(duì)象的質(zhì)量信息[2]。檢測(cè)設(shè)備為水浸式超聲C掃描成像系統(tǒng)，型號(hào)為UTSCAN-1，設(shè)備硬件由4個(gè)單元構(gòu)成，分別為：機(jī)械傳動(dòng)單元、電器控制單元、超聲探傷單元和信號(hào)采集處理單元等。設(shè)備水槽尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為800 mm×800 mm×200 mm。采用GE ALPHA系列ISS型水浸聚焦探頭，探頭直徑為15 mm，聚焦類(lèi)型為點(diǎn)聚焦，探頭頻率為10 MHz，晶片尺寸為6 mm，焦距為20 mm。

超聲波垂直于銅合金面入射，銅合金為鑄造銅合金，主要成分為Cu，Sn，Pb，密度為8.9 g·cm-3，縱波聲速大約為4 250 m·s-1。超聲檢測(cè)主要參數(shù)如表1所示。

表1 超聲檢測(cè)主要參數(shù)

3 檢測(cè)試樣

對(duì)擴(kuò)散焊接接頭質(zhì)量的檢測(cè)要求為可檢測(cè)0.5 mm平底孔當(dāng)量以上的缺陷，超過(guò)2 mm平底孔當(dāng)量的缺陷即為不合格，并要求能定位缺陷的準(zhǔn)確位置。擴(kuò)散焊接的內(nèi)部缺陷主要為鋼-銅焊接界面的未焊合等面積型缺陷，因此在零件上使用電火花加工制作人工平底孔。人工缺陷試樣外觀(guān)及超聲檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 人工缺陷試樣外觀(guān)及超聲檢測(cè)結(jié)果

超聲檢測(cè)成像時(shí)，檢測(cè)深度在閘門(mén)范圍內(nèi)，回波高度超過(guò)設(shè)定的閘門(mén)高度時(shí)，回波最高點(diǎn)的位置會(huì)以圖2(c)所對(duì)應(yīng)的代表深度的色塊顯示出來(lái)。圖2(b)的藍(lán)色環(huán)狀表示零件本身的結(jié)構(gòu)鋼基體反射回波，說(shuō)明焊接接頭處未存在缺陷；中心沒(méi)有顏色的位置，表示超聲波從零件內(nèi)部穿過(guò)，沒(méi)有界面反射。黃色的區(qū)域?yàn)槿斯て降卓罪@示，反射波形明顯。從圖2(d)可以得出，人工平底孔位置距銅表面深度為1.99 mm，檢測(cè)結(jié)果與預(yù)制的人工缺陷大小和深度相吻合，同時(shí)與焊接結(jié)合面位置相吻合。試樣檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

4 檢測(cè)結(jié)果及分析

采用超聲檢測(cè)方法對(duì)含有不同聲學(xué)表征的擴(kuò)散焊接接頭進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)缺陷位置進(jìn)行定位，然后將零件剖切后對(duì)焊接接頭處的缺陷進(jìn)行金相檢驗(yàn)。結(jié)合金相檢驗(yàn)的分析結(jié)果,驗(yàn)證焊接接頭多種類(lèi)型缺陷的超聲檢測(cè)準(zhǔn)確性。

選取試樣1,2,3號(hào)為3件聲學(xué)表征不同的零件，由圖3(a)所示，黃色區(qū)域?yàn)槌暀z測(cè)的缺陷顯示，3個(gè)零件的缺陷類(lèi)型分別為圓周缺陷、單側(cè)缺陷、中心缺陷，超聲波從垂直于零件鑄造錫青銅表面入射，在焊接接頭處產(chǎn)生反射回波，證明焊接接頭處存在缺陷；藍(lán)色區(qū)域?yàn)槁暡ǚ謩e穿過(guò)鑄造錫青銅、焊接接頭及結(jié)構(gòu)鋼基體，由鋼基體底面入射至水時(shí)產(chǎn)生的反射回波，該區(qū)域表明焊接接頭處完好。

對(duì)缺陷位置進(jìn)行剖切并使用金相顯微鏡進(jìn)行觀(guān)察。金相顯微鏡對(duì)缺陷的性質(zhì)、形貌顯示較為直觀(guān)，可對(duì)缺陷進(jìn)行初步的評(píng)定。對(duì)上述1,2,3號(hào)試樣分別選取零件邊緣、二分之一半徑以及中心等共5處位置進(jìn)行對(duì)比，檢測(cè)結(jié)果及金相剖切位置如圖3所示。

圖3 3個(gè)試樣的超聲檢測(cè)結(jié)果及金相剖切位置示意

圓周缺陷(試樣1)金相檢驗(yàn)及超聲檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，由金相檢測(cè)結(jié)果可知，焊接接頭處擴(kuò)散良好，未見(jiàn)未焊合、裂紋等缺陷，中間活化層(鎳層)測(cè)量厚度約為7 mm16 μm，焊接接頭處鑄造銅合金再結(jié)晶晶粒尺寸約為100 μm。其中試樣1的①，⑤號(hào)位置在鑄造錫青銅上可見(jiàn)裂紋缺陷，其余位置未見(jiàn)缺陷。試樣1的超聲檢測(cè)結(jié)果為零件外周存在缺陷顯示，缺陷回波較高，界面反射波較強(qiáng)，超聲檢測(cè)缺陷深度為1.63 mm，鑄造錫青銅本身厚度為1.8 mm，超聲檢測(cè)深度小于鑄造錫青銅本身的厚度，可確定缺陷位于鑄造錫青銅基體上，且與焊接接頭存在一定距離。

圖4 1號(hào)試樣金相檢驗(yàn)與超聲檢測(cè)結(jié)果

分析結(jié)論為該焊接接頭擴(kuò)散良好，焊接接頭處未見(jiàn)未焊合缺陷，而零件外周缺陷的產(chǎn)生原因?yàn)楹附討?yīng)力過(guò)大導(dǎo)致焊接后鑄造錫青銅開(kāi)裂，開(kāi)裂位置起源于零件外邊緣，受焊接應(yīng)力的影響，逐漸向內(nèi)側(cè)延伸。

單側(cè)缺陷(試樣2)金相檢驗(yàn)及超聲檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，焊接接頭處可見(jiàn)裂紋，中間活化層(鎳層)測(cè)量厚度約為6 mm13 μm，再結(jié)晶晶粒尺寸為70 μm左右。試樣2的①號(hào)位置焊接接頭發(fā)生開(kāi)裂，開(kāi)裂位置為焊接接頭部位鑄造銅合金與中間活化層(鎳層)的結(jié)合面處。由于裂紋縫隙過(guò)大，金相腐蝕反酸嚴(yán)重，未能得到裂紋處金相組織的圖片，其余位置未見(jiàn)缺陷。試樣2超聲檢測(cè)結(jié)果為零件的一側(cè)存在缺陷，缺陷回波較高，界面反射波較強(qiáng)，超聲檢測(cè)缺陷深度為1.78 mm，略小于鑄造錫青銅本身厚度1.8 mm，可確定該處缺陷位于焊接接頭處。

圖5 2號(hào)試樣金相檢驗(yàn)與超聲檢測(cè)結(jié)果

試樣2的焊接接頭處可見(jiàn)裂紋，缺陷產(chǎn)生原因?yàn)閿U(kuò)散焊接過(guò)程中，焊接應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致銅/鎳焊接接頭處產(chǎn)生裂紋，裂紋位置起源于零件一側(cè)外邊緣，受焊接應(yīng)力的影響，逐漸向內(nèi)側(cè)延伸。

中心缺陷(試樣3)金相檢驗(yàn)與超聲檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，3號(hào)試樣的①，⑤號(hào)位置焊接接頭處擴(kuò)散良好，焊接接頭處鑄造錫青銅上存在輕微開(kāi)裂現(xiàn)象。3號(hào)試樣的③號(hào)位置焊接接頭擴(kuò)散較差，存在未焊合的現(xiàn)象，未焊合處中間活化層(鎳層)厚度約為21.65 μm。邊緣處再結(jié)晶晶粒尺寸約為50 mm100 μm。由超聲檢測(cè)結(jié)果可知，3號(hào)試樣的③號(hào)位置處超聲檢測(cè)缺陷回波較高，界面反射波較強(qiáng)，缺陷深度為1.74 mm，略小于鑄造錫青銅本身厚度1.8 mm，可確定該處缺陷位于焊接接頭處。

圖6 3號(hào)試樣金相檢驗(yàn)與超聲檢測(cè)結(jié)果

分析結(jié)論為零件中心處中間活化層(鎳層)較厚，焊接接頭元素?cái)U(kuò)散較差。在固有的擴(kuò)散焊接條件下，原子的界面擴(kuò)散不完全，中心位置結(jié)合力較弱，從而形成未焊合缺陷。未焊合缺陷在焊接過(guò)程中不足以抵抗焊接應(yīng)力，又導(dǎo)致焊接接頭開(kāi)裂的情況，裂紋位置起源于零件中心位置，并在應(yīng)力的作用下向外圓延伸。

5 結(jié)語(yǔ)

(1) 零件經(jīng)擴(kuò)散焊接后，會(huì)存在不同類(lèi)型的缺陷。采用超聲檢測(cè)技術(shù)，可以有效地檢測(cè)出平行于焊接接頭的內(nèi)部缺陷，如未焊合、銅合金開(kāi)裂等。

(2) 通過(guò)對(duì)不同超聲檢測(cè)結(jié)果表征的缺陷進(jìn)行剖切,結(jié)合金相檢驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步分析，表明通過(guò)超聲檢測(cè)的掃描圖像及回波波形顯示可以對(duì)焊接接頭缺陷的位置、大小、性質(zhì)進(jìn)行定性。

(3) 該分析結(jié)果有效地確認(rèn)了超聲波檢測(cè)擴(kuò)散焊接接頭內(nèi)部缺陷的準(zhǔn)確性。結(jié)合焊接過(guò)程中各參數(shù)的實(shí)際控制情況，可以有效分析出焊接缺陷的類(lèi)型及成因。檢測(cè)可對(duì)零件焊接接頭部位完全覆蓋，實(shí)現(xiàn)100%檢測(cè)。