固相焊作为一种新的固相连接工艺 ,已显示出较好的发展前景 ,但其在使用中由于工艺控制的不当或焊接规范的波动 ,难免会产生一些焊接缺陷 ,这将严重影响接头质量 ,因此寻求有效的接头质量检测方法已成为其在应用中亟待解决的关键问题。焊合率是评价接头质量的关键指标 ,对其大小的测定也即研究界面处焊接缺陷大小及其分布特征。本文采用超声 C扫描成像检测系统 ,对异种钢的恒温超塑性固相焊焊接过程中界面的焊合率进行检测与评价。1 超声成像检测系统<1 >超声成像检测系统充分利用系统集成技术 ,以计算机为核心 ,以传统的超声探伤仪为基础 ,集成计算机技术、信号处理技术、数字图像处理技术、数控技术、超声无损检测与评价技术于一体 。该系统由超声图像数据采集通道、超声波发射和接收系统、精密数控扫查系统、系统软件和打印机等组成。系统的物理模型见图1。2 超声成像检测的原理超声成像检测以水为耦合介质 ,利用超声无损探伤的原理即基于超声波对缺陷和整体材料的反射时间差 ,来提取垂直于声束指定截面的回波信息 ,运用现代信号和图像处理技术在计算机屏幕上直观地显示含有缺陷形状、位置及大小等信息的灰度或伪彩色的 C超声图像 ,从而达到评价焊接质量的目的。超声 C扫描是在无损检测中发展最早并得到广泛应用的超声成像技术 ,沿垂直于声束的横断面的二维扫描方式 ,显示被测试件的横断面图像。水浸聚焦技术为实现自动 C扫描提供了技术保证 ,从而使检测精度和效率得到大大提高。固相焊接头质量的超声检测过程中的关键是焊合率的计算 ,焊合率是评价接头结合质量的一个最重要的指标 ,计算公式为 <2 >Rb =Ar/At (1 )式中 ,Ar 为实际焊合面积 ;At为理论结合面积。实际结合面积是根据缺陷灰度阈值对 C扫描图像进行计算的。以 f ( x,y)表示图像灰度值 ,ft表示阈值 ,当 f ( x,y)≤ ft时对应的图像面积即为实际焊合面积。以像素比值表示时 ,结合率为Rb =PLMi Mj (2 )式中 ,PL 为图像中低于阈值的像素数 ;Mi、Mj分别为图像水平、垂直像素数 ;Mi Mj为平面 (x,y)的像素数。以面积比值表示时 ,则焊合率为Rb =PLKAt (3 )式中 ,K为图像中每像素所占的空间扫描面积。PL 由系统软件对图像进行扫描统计自动给出。3 固相焊接头的超声检测3.1 超塑性固相焊接头的制备将国产供应态热轧 40 Cr、T1 0 A圆钢制成1 5 mm的试样。在 1 0 0 k W的 GP1 0 0 - 3型高频感应加热装置上对试样待焊面表层实施高频淬火的组织超细化预处理工艺后 ,将试样待焊面磨光 ,用丙酮清洗干净 ,配成对裹好置于压接装置内。用控温精度为± 2℃的 3k W电炉加热。取 5 6.6MPa预压应力将试样压紧 ,并加热至 75 0℃的超塑变形温度保温 1 0 min,在 2 .5× 1 0 - 4s- 1超塑初始应变速率下经 0～ 2 4 0 s短时压接卸载空冷。用JTUIS- 超声成像检测系统测定焊接过程中界面的焊合率 ,并结合接头抗拉强度试验来评价焊接效果 ,其中接头抗拉强度试样尺寸为 5 mm×2 5 mm。3.2 超塑性固相焊接的优越性本文所研究的棒材具有良好的压缩超塑性 ,因此可进行恒温超塑性固相焊接。由于它可与塑性成形同步而同时完成零部件的成形与焊接 ,焊接变形小 ,易实现精密焊接 ,上述特点是其它固相压接技术 (如一般的闪光对焊 )所不能比拟的 ,因而具有广泛的工业应用前景和明显的技术经济效益。3.2 超声检测参数的确定超塑性固相焊接头的结构图见图 2 ,为了便于超声探头的检测 ,实际检测时采用频率为1 0 MHz,焦距 F为 2 0 mm的聚焦探头。图 3为 C图 2 固相焊接头结构图 图 3 C扫描路径示意图扫描的路径示意图。由检测得到的焊接面超声 C扫描图像 ,根据所用的检测规范 ,并结合焊接面焊合率的定量金相检测结果及系统的缺陷分辨率 ,可确定出合理的缺陷阈值。其中 ,焊接面焊合率的定量金相检测是随机截取焊后试样的 5个纵剖面 ,用冷酸浸蚀法 <3> 显示焊缝上的焊接缺陷 ,并测量其总长度 L ,设焊缝总长为 L0 ,则焊合区的线分数 Ll=( L0 - L ) /L0 。从定量金相学可知 ,由大量测定的随机剖面焊合区线分数 Ll 的统计平均值应等于焊缝处焊合区的面积分数 Af。4 焊合率的检测与分析图 4所示焊接过程中压接时间为 80 s时焊接界面的超声检测图像。由于图像中灰度信息与实际缺陷的位置、大小及形状特征密切相关 ,因此可由图中的灰度信息来判断缺陷并计算焊合率的大小。图像分为 2 5 6级灰度图像或 2 5 6级伪彩色图像 ,其灰度值越高此时图像中颜色多为白色或粉色等代表缺陷的声波反射强度越大 ;而黑色和深蓝色等代表缺陷的声反射强度较小则对应的灰度值较低。由图 4可见 ,图像中出现的颜色种类较多 ,且不同颜色区域出现的位置、呈现出的形状及所占比例呈明显的不均匀随机分布特征。据此图像中的灰度信息 ,如何界定缺陷的位置、大小及形状等特征 ,是一项既关键又复杂的工作 ,需要结合大量试验结果进行理论标定。图 4 超塑性固相焊界面 C超图像通过对大量焊接面焊合率的定量金相检测 ,并根据检测系统具有的缺陷分辨率 ,确定了合理的缺陷灰度阈值。对焊接过程中不同压接时间试样沿焊接面和垂直于焊接面解剖表明 ,超塑性固相焊焊接面的主要缺陷是未焊合、夹杂和显微空隙等 ,并呈明显的不均匀分布特点。一般来说显微空隙缺陷的尺寸较小 ,通常为几个微米 ;而未焊合和一些氧化物夹杂缺陷的尺寸则较大 ,有几十微米甚至更高 ,如图 5中 A处为焊接面断口中的大尺寸未焊合缺陷 ,显然该处虽经超塑变形 ,但其原始界面痕迹仍清晰可见。由上述试样的超声成像检测及解剖结果发现 ,C超图像中对应于灰度值较高的颜色区域如白色和粉色 ,其焊接面断口均为未焊合等焊接缺陷尺寸较大的区域 ,并可进一步由超声图像中出现上述颜色的位置、大小及形状等特征来判断缺陷的相关信息 ;而具有较小尺寸的焊接缺陷如显微空隙则由于该系统的检测分辨率所致难以被检测出来。综上所述取缺陷的灰度阈值为 1 2 0。由此阈值经超声成像检测 ,图 4的焊合率为 70 .4% ,未焊合的区域主要出现在右下侧并沿径向分布。图 5 超塑性固相焊焊接面断口的 SEM照片图 6为压接过程中界面焊合率的超声图像检测结果。由图 6可见 ,采用两种不同检测方法 ,焊合率有 3%～ 6%的差别。当压接时间为 0时 ,由于超声图像检测的分辨率所致使得较小尺寸的焊1.超声图像检测 2 .定量金相检测图 6 压接过程中界面焊合率的检测结果接缺陷如显微空隙检测不到而在定量金相观测时能发现 ,两者就产生了 3%差别。显然随压接时间的延长 ,一些较大尺寸的未焊合和夹杂缺陷会因扩散现象而变得越来越小并超出超声图像检测分辨率的范围 ,这样两者差别由原来的 3%逐渐增至 6%。上述误差可通过对缺陷灰度阈值的校正如降低灰度阈值以使超声图像检测出结果更接近于真实的焊合率。但因对于该超塑焊接头强度达到 40 Cr母材性能时 ,和文献 <4>报道的一些铁基合金扩散焊情况类似 ,接头中仍有近 2 0 %的界面未焊合。因此从对该类接头质量控制要求角度考虑 ,上述误差不用校正也完全可满足实际应用需要。在焊接接头强度达到 40 Cr母材性能前 ,压接过程中接头抗拉强度σb 与超声成像检测出界面焊合率 Af 的关系见图 7,经曲线拟合两者符合线性关系 :σb=2 .83 2 8Af+3 47.83 (R2 =0 .9941 ) (4 )经对式 ( 4 )进行实验验证 ,其呈现出良好的吻合性。这样由超声无损检测系统实时检测出界面焊合率 Af,可直接按式 ( 4 )近似地推算出其接头强度 ,具有很大的实用价值。图 7 压接过程中接头抗拉强度与界面焊合率关系5 结论采用超声成像无损检测系统 ,能准确、可靠和快速地检测出异种钢恒温超塑性固相焊接界面焊合状况 ,并与实际测试出的界面缺陷分布情况具有较好的一致性 ,这不仅对提高超塑性焊接接头质量具有重要意义而且也扩大了超声成像检测系统的适用范围。检测 出的超塑焊焊接过程中界面焊合率与其接头抗拉强度呈线性关系基于恒温超塑性固相焊接头的超声无损评价技术@陈怀东$西安交通大学!西安市 710049
@张柯柯$河南科技大学!洛阳市 471039
@曹宗杰$西安交通大学材料科学与工程系
@王久洪$西安交通大学材料科学与工程系
@王裕文$西安交通大学材料科学与工程系
@薛锦$西安交通大学材料科学与工程系固相焊;;焊合率;;超声检测;;无损评价采用超声成像无损检测系统对固相焊接头质量进行检测 ,基于大量焊接面解剖、焊合率的定量金相试验 ,确定了合理的缺陷灰度阈值 ,进而对异种钢超塑性固相焊界面焊合率进行了系统检测与分析。试验结果表明 ,该系统能较准确、可靠和快速地检测出超塑性固相焊界面的焊合状况 ,并与实际测试出的界面缺陷分布情况具有较好的一致性 ,对于提高超塑性固相焊接头质量具有重要意义<1> 马宏伟,张广明,陈自强,等.超声C扫描成像在高压开关触头钎焊质量检验中的应用.高电压技术,1998,24(1):59～63
<2> 陈自强,梅林,陈怀东,等.高压开关触头超声C扫描图像缺陷阈值的标定.高电压技术,1999,25(2):74～78
<3> 上海交大《金相分析》编写组.金相分析.北京:国防工业出版社,1985
<4> <美>美国金属学会.金属手册-焊接、硬钎焊、软
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