高速列車薄壁型材激光-MIG復(fù)合焊對(duì)接焊縫檢測(cè)

周慶祥，劉 芳，李經(jīng)明，李建奎，張雙楠，蔡桂喜

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)工程部，山東 青島 266111; 2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 分析測(cè)試中心，遼寧 沈陽(yáng) 110016)

隨著現(xiàn)代交通工具的快速發(fā)展，高速列車提速對(duì)車體輕量化提出了越來(lái)越高的要求[1-2]。鋁及其合金制品因其質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、可塑性高，性能接近甚至超過(guò)了一些優(yōu)質(zhì)鋼材，易實(shí)現(xiàn)其型材的大型寬體化等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。近幾年鋁合金薄壁型材作為關(guān)鍵構(gòu)件大量應(yīng)用于高速列車制造中，已部分代替了傳統(tǒng)鋼鐵材料，列車車體的鋁合金焊接方法已成為軌道交通制造領(lǐng)域研究的基礎(chǔ)問(wèn)題[3]。

激光—熔化極惰性氣體保護(hù)(Metal Inert Gas，MIG)復(fù)合焊是將激光與MIG電弧復(fù)合在一起，在激光焊的能量密度高、熱影響區(qū)小、焊接速度快等優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，通過(guò)MIG較好的指向性提高焊接適應(yīng)性，使焊接過(guò)程更穩(wěn)定，焊縫橋聯(lián)性好，熱效率高以及允許更大的焊接裝配間隙，同時(shí)由于MIG焊自身具有較為穩(wěn)定的填絲性能，可以改善焊縫金屬的微觀組織，進(jìn)而提升焊縫的力學(xué)性能[4-5]。但是，激光和MIG焊是2種性質(zhì)完全不同的焊接熱源，在參數(shù)選擇的問(wèn)題上增加了復(fù)雜程度。研究表明，選擇不合理的參數(shù)將會(huì)導(dǎo)致一些缺陷的形成。常見(jiàn)的缺陷有以下幾種類型：焊縫成形不良、熱裂紋缺陷、氣孔、夾渣、未熔合、未焊透缺陷等[6]，其中裂紋、未焊透、未熔合等面積型缺陷會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中、危害性較大，這些缺陷的存在直接影響到焊縫的強(qiáng)度和高速列車運(yùn)行安全性。為保證焊接質(zhì)量迫切需要對(duì)激光-MIG復(fù)合焊的焊縫性能進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和質(zhì)量評(píng)定研究。

本文根據(jù)高速列車車體薄壁型材對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析現(xiàn)有檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和超聲檢測(cè)方法，提出針對(duì)薄壁型材激光-MIG復(fù)合焊焊縫質(zhì)量檢測(cè)的超聲爬波檢測(cè)工藝，即設(shè)計(jì)對(duì)比試塊、排除焊接結(jié)構(gòu)對(duì)爬波檢測(cè)的影響，利用該爬波檢測(cè)工藝對(duì)實(shí)際焊接試板的焊縫進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)采用X射線檢測(cè)法、拉伸試驗(yàn)和焊縫斷口觀測(cè)進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證。

1 鋁合金薄壁型材對(duì)接焊縫檢測(cè)方法

鋁合金車體焊接結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為帶墊板型材插接式，在單面采用激光-MIG復(fù)合焊焊接而成的對(duì)接焊縫結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中：d1和d2為2個(gè)薄壁型材厚度；b為焊縫寬度。由圖1可見(jiàn)：薄壁型材厚度較薄(2～4 mm)，焊縫熔寬約10 mm，焊縫區(qū)域與型材結(jié)構(gòu)支撐板相距很近，由于板厚和檢測(cè)空間的限制，常規(guī)焊縫焊接質(zhì)量無(wú)損檢測(cè)方法不易實(shí)施。

圖1 激光-MIG復(fù)合焊薄壁型材結(jié)構(gòu)

1.1 現(xiàn)有檢測(cè)方法

目前現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22087—2008 《鋁及鋁合金的弧焊接頭缺欠質(zhì)量分級(jí)指南》與GB/T 22085.2—2008 《電子束及激光焊接接頭 缺欠質(zhì)量分級(jí)指南 第2部分：鋁及鋁合金》為激光-MIG復(fù)合焊焊縫提供了指導(dǎo)性的焊接質(zhì)量參考標(biāo)準(zhǔn)。在焊接質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面，ISO 10675-2—2017《Non-destructive testing of welds─Acceptance levels for radiographic testing─Part 2: Aluminium and its alloys》，和NB/T 47013.2—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第2部分：射線檢測(cè)》中規(guī)定了鋁合金熔化焊接頭射線檢測(cè)結(jié)果評(píng)定和質(zhì)量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。但是，射線檢驗(yàn)法在軌道車輛生產(chǎn)車間由于安全防護(hù)和效率等原因，無(wú)法全面地應(yīng)用于激光-MIG復(fù)合焊焊縫的質(zhì)量檢驗(yàn)。因此，采用先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)鋁合金薄板激光焊縫進(jìn)行高效、可靠、準(zhǔn)確地檢測(cè)及評(píng)價(jià)是非常必要的。

超聲檢測(cè)方法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，且對(duì)面積性缺陷具有較高的檢測(cè)靈敏度，在板材對(duì)接焊縫檢測(cè)方面得到了廣泛應(yīng)用，且已經(jīng)形成了諸多檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)；其中NB/T 47013.3—2015《承壓設(shè)備無(wú)損檢測(cè) 第3部分：超聲檢測(cè)》和GB/T 11345—2013《焊縫無(wú)損檢測(cè) 超聲檢測(cè)技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》分別規(guī)定了母材厚度不小于6 mm和母材厚度不小于8 mm的對(duì)接焊縫超聲橫波檢測(cè)法。然而標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的橫波檢測(cè)法無(wú)法應(yīng)用于薄壁型材對(duì)接焊縫檢測(cè)，原因在于：①薄壁型材厚度較薄，橫波的直射波和一次反射波的聲程短，基本處于探頭聲場(chǎng)的近場(chǎng)區(qū)，信號(hào)混疊或處于檢測(cè)盲區(qū)中，結(jié)果分析難度極大；②焊縫余高影響，橫波檢測(cè)對(duì)接焊縫時(shí)易形成“山形”偽缺陷干擾波，影響缺陷的判定，尤其在薄板檢測(cè)時(shí)影響更為明顯；③利用橫波的多次反射波進(jìn)行檢測(cè)，會(huì)因反射次數(shù)增加，能量衰減大，使檢測(cè)靈敏度降低。

其他幾種常見(jiàn)超聲波檢測(cè)方法，如相控陣檢測(cè)方法一般用于摩擦攪拌焊焊接質(zhì)量檢測(cè)，因受焊縫余高影響較大，檢測(cè)時(shí)須打平余高；超聲Lamb波檢測(cè)方法由于Lamb對(duì)焊縫形貌變化敏感，且在傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生模態(tài)轉(zhuǎn)換、頻散和能量衰減，檢測(cè)結(jié)果分析難度大；超聲表面波檢測(cè)方法對(duì)表面缺陷敏感，焊縫余高和焊道的不平整都會(huì)干擾檢測(cè)結(jié)果分析。綜上所述，對(duì)于板厚小于6mm的薄壁型材對(duì)接焊縫的超聲檢測(cè)方法還有待完善和開(kāi)發(fā)新的檢測(cè)技術(shù)。

1.2 超聲爬波檢測(cè)技術(shù)

超聲爬波檢測(cè)技術(shù)在薄壁管對(duì)接焊檢測(cè)方面試驗(yàn)研究及應(yīng)用較多[7-9]，國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10]與電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[11]對(duì)厚度范圍為4～8 mm的薄壁管爬波檢測(cè)進(jìn)行了規(guī)定。然而，在2～4 mm厚鋁板對(duì)接焊縫檢測(cè)方面應(yīng)用研究較少，且本文研究對(duì)象薄壁型材結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在焊道表面凹凸不平狀況，對(duì)爬波檢測(cè)效果有一定影響。

鑒于以上分析提出薄壁型材對(duì)接焊縫超聲爬波檢測(cè)工藝：設(shè)計(jì)相關(guān)對(duì)比試塊，提前在檢測(cè)設(shè)備上標(biāo)定焊道自身干擾和型材結(jié)構(gòu)干擾的信號(hào)位置和幅度，檢測(cè)時(shí)通過(guò)設(shè)置閘門位置和檢測(cè)增益等參數(shù)排除檢測(cè)結(jié)果中非缺陷信號(hào)干擾，采用這種超聲爬波檢測(cè)工藝檢測(cè)鋁合金薄板激光-MIG復(fù)合焊焊縫，同時(shí)采用X射線檢測(cè)法和拉伸試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比和驗(yàn)證，為鋁合金薄板焊接接頭無(wú)損檢測(cè)提供借鑒。

爬波在薄壁型材結(jié)構(gòu)中的激勵(lì)及傳播示意圖如圖2所示。由圖2可見(jiàn)：采用鋁合金用超聲爬波探頭，其入射角αi約為26°時(shí)，在鋁合金薄板中會(huì)形成折射角約90°的掠入射的縱波(longitudinal wave)，簡(jiǎn)稱L波。爬波探頭以臨界入射角在鋁合金薄板中形成折射縱波L并在板中傳播，當(dāng)縱波傳播到位置①時(shí)，縱波L波線為弧形，在板的上下表面產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換形成折射角約30°的橫波(Shear wave)，簡(jiǎn)稱S波；隨著縱波向前傳播，縱波L不斷衍生出橫波S，S波也在薄板中傳播；當(dāng)縱波L傳播到位置②時(shí)，其衍生的橫波S傳播到薄板的相對(duì)側(cè)，再次產(chǎn)生波型轉(zhuǎn)換形成縱波L，最終形成如圖中所示的X型波結(jié)構(gòu)。2個(gè)縱波波前的間距約為1.73d(d為板厚)。傳播中的縱波衍生出的橫波S，也稱為頭波，頭波是以縱波波前與側(cè)壁的交點(diǎn)為波源[12]。這種掠入射縱波所形成的縱波與頭波同時(shí)在傳播的波型，稱之為爬波。

圖2 爬波在薄壁型材結(jié)構(gòu)中的激勵(lì)及傳播示意圖

根據(jù)爬波的形成機(jī)制和傳播特性可以看出，爬波中的縱波以幾乎平行于板表面的方向傳播，有利于發(fā)現(xiàn)上下板表面間垂直于表面的裂紋；爬波中的頭波相當(dāng)于在板的上下表面有方向相差180°的2個(gè)橫波探頭在自動(dòng)沿板表面掃查，因此也可以檢測(cè)與表面呈傾斜角度的面型缺陷，尤其適合于檢測(cè)坡口角度為30°的側(cè)壁未熔合。

2 試驗(yàn)方法

2.1 焊接試塊

選取如圖1所示接頭形式的3種厚度組合(規(guī)格為A,B和C型)焊接試塊，采用激光-MIG復(fù)合焊焊接而成，均為帶墊板的單面焊對(duì)接焊縫。鋁合金板材料為6106-T6。對(duì)接焊縫規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 對(duì)接焊縫規(guī)格參數(shù)

激光-MIG復(fù)合焊接試塊上焊縫寬度為8～10 mm，焊縫余高約為0.5～0.8 mm。

2.2 X射線檢測(cè)

由于激光-MIG復(fù)合焊接試塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)X射線檢測(cè)方法無(wú)法將上下表面的焊縫分開(kāi)檢測(cè)，為了不破壞試板，采用雙壁雙投影射線檢測(cè)方法。將待檢測(cè)工件平行于地面，射線機(jī)沿一定角度(約55°)放置在1個(gè)可以移動(dòng)的平臺(tái)上，射線在工件的上表面拍攝，底片貼于工件的下表面。這樣通過(guò)射線拍攝，將2條焊縫成像在1張底片上，并且2條焊縫成像不重合，保證成像質(zhì)量。雙壁雙投影射線檢測(cè)方法示意圖如圖3所示，由于該方式檢測(cè)效率低，適合作為復(fù)查驗(yàn)證或抽查時(shí)使用，無(wú)法作為常規(guī)檢測(cè)方法使用。

圖3 雙壁雙投影射線檢測(cè)方法示意圖

檢測(cè)多塊焊接試塊，X射線檢測(cè)的焊縫累計(jì)長(zhǎng)度約為20 m。具有典型特征缺陷的試板檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。按NB/T 47013.2—2015之6.2條，評(píng)定結(jié)果分別為：A型試塊焊縫中存在連續(xù)未焊透缺陷；B型和C型試塊焊縫中均存在斷續(xù)局部未焊透。對(duì)所有經(jīng)X射線檢測(cè)的焊縫再用超聲爬波檢測(cè)驗(yàn)證。

對(duì)長(zhǎng)度近20 m焊縫的射線檢測(cè)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，3種規(guī)格對(duì)接焊縫中主要存在的缺陷為未焊透缺陷，占總?cè)毕?2%，少量為氣孔類缺陷。圖4中方框所示區(qū)域?yàn)橄乱徊接袚p試驗(yàn)試樣的取樣位置，在A型焊縫試樣的未焊透區(qū)取樣，在B型焊縫試樣的無(wú)未焊透缺陷區(qū)取樣，在C型焊縫試樣的局部未焊透區(qū)取樣。

2.3 超聲爬波檢測(cè)

2.3.1 人工缺陷試塊

實(shí)際焊接結(jié)構(gòu)板上的加強(qiáng)筋支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且與對(duì)接焊縫相距較近，加上帶墊板結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)，都給超聲檢測(cè)帶來(lái)不利影響。為了研究薄壁型材復(fù)雜結(jié)構(gòu)對(duì)爬波檢測(cè)的影響，設(shè)計(jì)了模擬焊接結(jié)構(gòu)試塊，用與實(shí)際焊縫牌號(hào)相同的塊體鋁合金為原料，按實(shí)際焊接接頭結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，用線切割加工出相同的接頭結(jié)構(gòu)，如圖5所示，圖中：紅色虛線標(biāo)記了實(shí)際焊接時(shí)理想“焊縫”邊界線的位置。

為測(cè)試爬波檢測(cè)方法對(duì)各種缺陷的檢測(cè)能力，設(shè)計(jì)人工模擬缺陷試塊，試塊的原材料從相應(yīng)規(guī)格的實(shí)際型材焊接試塊上截取，保留焊冠，利用電火花刻槽的方式，在模擬焊縫上表面加工出深0.25和0.50 mm的裂紋缺陷，在模擬焊縫下表面加工出距下表面4.7 mm深和5.2 mm深的根部未焊透缺陷，在焊縫上表面鉆孔的方式模擬焊縫內(nèi)部氣孔類缺陷，試塊尺寸詳圖如圖6所示。

圖4 不同規(guī)格焊接試塊對(duì)接焊縫射線檢測(cè)結(jié)果

圖5 模擬帶墊板焊接結(jié)構(gòu)試塊

圖6 人工缺陷對(duì)比試塊焊縫不同截面示意圖(單位：mm)

2.3.2 檢測(cè)工藝

由于實(shí)際焊接型材樣件如圖1所示，無(wú)法從實(shí)施焊接的對(duì)側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，所以檢測(cè)時(shí)只能選擇單面檢測(cè)；再者，通過(guò)理論分析和實(shí)際檢測(cè)驗(yàn)證，從帶墊板側(cè)檢測(cè)時(shí)，由于墊板影響，結(jié)構(gòu)干擾信號(hào)與實(shí)際缺陷信號(hào)分開(kāi)難度較大，檢測(cè)效果不理想，故實(shí)際檢測(cè)時(shí)，通過(guò)仿真和優(yōu)選試驗(yàn)，特別設(shè)計(jì)制作了晶片振動(dòng)頻率為5 MHz、尺寸為6 mm×4 mm的專用爬波探頭，采用較高頻率的小晶片，以克服因焊縫距離加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)較近(僅約8 mm)而對(duì)缺陷檢測(cè)帶來(lái)的不利影響。由不帶墊板的平板側(cè)向焊接接頭區(qū)域發(fā)射超聲波，探頭前邊沿與焊縫的邊沿對(duì)齊，平行焊縫邊沿進(jìn)行直線掃查。采用EUT-101C型超聲檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，先采集1組由型材結(jié)構(gòu)特征引起的反射波形，作為結(jié)構(gòu)特征信號(hào)，利用儀器的“峰值保持”功能，將結(jié)構(gòu)特征信號(hào)以紅色標(biāo)記在儀器屏幕上，如圖7所示；再將探頭放置在待檢測(cè)的試塊上進(jìn)行同樣的試驗(yàn)，探頭位置、儀器參數(shù)和閘門設(shè)定與焊縫結(jié)構(gòu)分析試塊(JG-01，JG-02)上試驗(yàn)時(shí)的參數(shù)保持一致。根據(jù)缺陷回波與型材結(jié)構(gòu)回波在時(shí)域上的位置不同，可以據(jù)此設(shè)定閘門的位置和長(zhǎng)度，以鑒別爬波檢測(cè)時(shí)的缺陷。

2.3.3 檢測(cè)結(jié)果

參照結(jié)構(gòu)試塊檢測(cè)工藝方式，對(duì)人工模擬缺陷試塊上6個(gè)人工缺陷的進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖8所示。檢測(cè)時(shí)，結(jié)構(gòu)波出現(xiàn)的區(qū)域已利用峰值保持功能顯示在A掃結(jié)果圖中，位置在橫向刻度30 mm左右，據(jù)此設(shè)置閘門；在始波與結(jié)構(gòu)波信號(hào)之間閘門內(nèi)出現(xiàn)的信號(hào)為模擬缺陷信號(hào)。由圖8(a)0.25 mm刻槽檢測(cè)結(jié)果和圖8(b)0.5 mm刻槽檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)：隨著刻槽深度增加，模擬缺陷回波信號(hào)幅值隨之變大；由圖8(c)0.5 mm深孔缺陷檢測(cè)結(jié)果和圖8(d)1.5 mm深孔缺陷檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)：隨著鉆孔缺陷深度增加，模擬回波幅值變化不太明顯，但回波信號(hào)分辨率更高；由圖8(e)4.7 mm深未焊透缺陷檢測(cè)結(jié)果和圖8(f)5.2 mm深未焊透缺陷檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn)：隨著未焊透深度尺寸的增加，模擬缺陷回波信號(hào)幅值隨之變大；由模擬人工缺陷檢測(cè)結(jié)果可見(jiàn):爬波檢測(cè)技術(shù)對(duì)3種模擬缺陷有很好的檢測(cè)效果。

3種規(guī)格焊縫試塊上選取的有損試樣爬波檢測(cè)結(jié)果如圖9所示。圖中：位置1和2代表2個(gè)不同典型信號(hào)的位置，具體位置如圖4所示。

圖7 結(jié)構(gòu)試塊檢測(cè)結(jié)果

圖8 人工缺陷試塊上6個(gè)模擬缺陷檢測(cè)結(jié)果

分析比較圖9(a)—圖9(c)可見(jiàn)：圖9(a)為A型焊接試塊人工模擬試塊上0.5 mm深的刻槽缺陷檢測(cè)結(jié)果，以此參數(shù)設(shè)置，檢測(cè)A型實(shí)際焊接接頭，通過(guò)與紅色的型材焊接結(jié)構(gòu)回波的對(duì)比，在A型帶焊冠余高的焊接試塊焊縫中發(fā)現(xiàn)閘門內(nèi)有缺陷回波，其缺陷信號(hào)幅度與0.5 mm深表面刻槽大小相當(dāng)；由于焊縫表面未見(jiàn)裂紋，這些缺陷信號(hào)可判定性為根部未焊透。

同A型帶焊縫余高的焊接試塊檢測(cè)方式相似，圖9(d)為B型焊接試塊人工模擬試塊上0.25 mm深的刻槽缺陷檢測(cè)結(jié)果，據(jù)此進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，檢測(cè)B型實(shí)際焊接接頭，如圖9(e)和圖9(f)可見(jiàn)，在B型帶余高的焊接試板焊縫中幾乎沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大于0.25 mm深表面刻槽的缺陷回波，因此，該區(qū)域B型焊接試塊未檢測(cè)到缺陷。

從圖9(g)—圖9(i)可見(jiàn)，在C型帶余高的焊接試塊焊縫中，有些區(qū)域發(fā)現(xiàn)缺陷回波，但其信號(hào)幅度大于0.25 mm略小于0.5 mm深表面刻槽的缺陷回波，有些區(qū)域沒(méi)有發(fā)現(xiàn)缺陷回波，因此，C型焊接試塊存在局部較淺的根部未焊透。

圖9 人工缺陷試塊與實(shí)際焊接接頭爬波檢測(cè)結(jié)果

2.4 拉伸試驗(yàn)

為驗(yàn)證超聲爬波檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，進(jìn)行拉伸有損試驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證。將2.3.3所述爬波檢測(cè)試樣，按標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2651—2008/ISO 4136:2001《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》制作成焊接接頭拉伸試樣，并選取與焊縫結(jié)構(gòu)中薄板厚度相同的母材試樣，制作母材拉伸試樣。試樣尺寸如圖10所示。拉伸試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和圖11。

圖10 拉伸試樣加工圖(單位：mm)

表2 力學(xué)拉伸結(jié)果

試樣規(guī)格及編號(hào)試樣厚度/mmd1d2試樣寬度/mm焊縫余高/mm抗拉強(qiáng)度/MPa斷裂位置A型1#2.833.3525.020.8294.264母材位置2#2.833.3724.970.8300.286母材位置B型1#2.362.5625.060.57262.943熱影響區(qū)2#2.362.5625.100.56266.856熱影響區(qū)3#2.362.5625.050.58271.762熱影響區(qū)4#2.362.5625.000.78267.576熱影響區(qū)C型1#2.812.3625.040.78260.689熱影響區(qū)2#2.812.3625.060.73256.841熱影響區(qū)3#2.812.3625.020.82265.611熱影響區(qū)4#2.812.3625.010.77259.629熱影響區(qū)B型母材1#2.4325.00285.2922#2.4325.05281.344C型母材1#2.3625.02288.4412#2.3625.02282.200

圖11 力學(xué)拉伸位移—載荷曲線

由表2可知：A型試樣在母材區(qū)斷裂，B，C型試樣斷裂在熱影響區(qū)，都沒(méi)有斷在焊縫上，說(shuō)明射線檢測(cè)顯示出的帶有氣孔和未焊透缺陷的焊縫不是焊接接頭的最薄弱區(qū)。

根據(jù)鋁合金焊接設(shè)計(jì)要求，焊縫強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到所要求的母材強(qiáng)度指標(biāo)的80%～95%，而母材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度指標(biāo)分別為≥205 MPa和≥245 MPa。由表2可見(jiàn)，B，C型母材均滿足對(duì)母材的強(qiáng)度要求；3種規(guī)格試塊焊縫的抗拉強(qiáng)度也達(dá)到了母材強(qiáng)度80%～95%的要求(196～233 MPa)。

從圖11的拉伸曲線也可看出：各個(gè)焊接接頭相對(duì)于母材，伸長(zhǎng)率有明顯降低，但接頭強(qiáng)度沒(méi)有明顯下降。說(shuō)明前述焊縫中氣孔和未焊透缺陷還不足以影響焊接接頭達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的要求。

2.5 斷口分析

圖9超聲檢測(cè)結(jié)果顯示：A，C型試樣焊縫內(nèi)部存在不同程度的未焊透缺陷，為驗(yàn)證圖9所示超聲檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性，需要查驗(yàn)焊縫中心線處的斷口。對(duì)A，B，C型力學(xué)拉伸后的試樣，再以焊縫中心線為支點(diǎn)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)，得到焊縫斷口，如圖12所示。

由圖12(a)斷口可見(jiàn)：A型試樣對(duì)接板較厚，確實(shí)存在根部未焊透；焊縫截面斷口照片中紅色虛線標(biāo)記即為根部未熔透區(qū)域，經(jīng)測(cè)量未焊透最深為0.75 mm左右，與超聲檢出0.5 mm深當(dāng)量缺陷是相對(duì)應(yīng)的(見(jiàn)圖9(c))。斷面存在多處氣孔型缺陷，這些彌散分布的氣孔對(duì)焊接強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響。

由圖12(b)可見(jiàn)：B型試樣對(duì)接焊縫截面斷口未見(jiàn)根部未焊透缺陷，與超聲檢測(cè)結(jié)果小于0.25 mm深當(dāng)量缺陷是相對(duì)應(yīng)的(見(jiàn)圖9(e))，斷面處存在個(gè)別氣孔型缺陷，個(gè)別氣孔對(duì)焊接強(qiáng)度沒(méi)有明顯影響。

由圖12(c)可見(jiàn)：C型試樣對(duì)接焊縫根部確實(shí)存在局部未熔透缺陷，如圖中紅色虛線所示，與超聲檢出超過(guò)表面0.25 mm深，小于0.5 mm深刻槽當(dāng)量的檢測(cè)結(jié)果基本對(duì)應(yīng)(參見(jiàn)圖9(h)、圖9(i))。

圖12 斷口照片

2.6 有損與無(wú)損檢測(cè)結(jié)果

(1)焊縫中缺陷類型：由斷口截面檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋁合金-MIG復(fù)合焊焊縫中主要存在未焊透缺陷和少量的氣孔類缺陷。

(2)超聲爬波和射線檢測(cè)結(jié)果與斷口截面檢測(cè)結(jié)果吻合度很高。

(3)缺陷對(duì)拉伸強(qiáng)度影響：通過(guò)對(duì)3種不同厚度組合的對(duì)接焊縫焊接質(zhì)量檢測(cè)發(fā)現(xiàn)：A型試樣厚度較大，0.5 mm刻槽深度當(dāng)量的根部未焊透缺陷對(duì)強(qiáng)度沒(méi)有影響；B和C型試樣在熱影響區(qū)斷裂，主要是熱影響區(qū)軟化降低了整個(gè)接頭的承載能力，而不是小氣孔和較淺的未焊透缺陷。另外，未打磨的焊縫加強(qiáng)高(焊冠)在一定程度上會(huì)抵消小氣孔和較淺的未焊透缺陷對(duì)焊接強(qiáng)度的不利影響。

3 結(jié) 論

(1)斷口觀察結(jié)果表明，未焊透是復(fù)合焊縫中發(fā)生概率很高的缺陷，除未焊透之外，還發(fā)現(xiàn)少量尺度很小的彌散分布?xì)饪?，未發(fā)現(xiàn)其它缺陷。X射線對(duì)于氣孔和未焊透缺陷檢測(cè)效果良好，但是由于檢測(cè)方式與防護(hù)特殊，檢測(cè)速度緩慢，不能滿足高速列車車體鋁合金薄壁型材焊接結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需求，可以作為輔助的檢測(cè)手段，必要時(shí)進(jìn)行少量抽查。

(2)薄壁型材對(duì)接焊縫，因焊接結(jié)構(gòu)限制，使得現(xiàn)有各種超聲檢測(cè)技術(shù)都很難實(shí)施有效檢測(cè)，因而提出了爬波檢測(cè)方法，并經(jīng)仿真和優(yōu)選試驗(yàn)設(shè)計(jì)了較高頻率(5 MHz)，小尺寸(6 mm×4 mm)晶片的專用爬波探頭。利用型材焊接結(jié)構(gòu)對(duì)比試塊和帶焊冠的人工缺陷焊接試塊，制定的超聲爬波檢測(cè)工藝，檢測(cè)結(jié)果表明，該檢測(cè)工藝克服了型材焊接結(jié)構(gòu)和焊縫加強(qiáng)高(0.5～0.8 mm)焊冠對(duì)超聲爬波檢測(cè)的不利影響，顯示了爬波技術(shù)檢測(cè)帶焊冠焊縫的優(yōu)勢(shì)。爬波檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)薄壁(2～4 mm)復(fù)合焊縫中當(dāng)量≥0.25 mm的未焊透缺陷。

(3)通過(guò)有損和無(wú)損檢測(cè)結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)爬波檢測(cè)的缺陷回波與射線檢測(cè)和斷口觀察發(fā)現(xiàn)的未焊透缺陷對(duì)應(yīng)關(guān)系良好，未發(fā)現(xiàn)漏檢和誤報(bào)。

(4)拉伸試驗(yàn)表明，當(dāng)量≤0.5 mm的未焊透對(duì)焊縫的拉伸強(qiáng)度無(wú)影響。斷裂發(fā)生在母材或熱影響區(qū)，滿足接頭強(qiáng)度大于母材強(qiáng)度85%的設(shè)計(jì)要求。

(5)為保證高速列車鋁合金薄板型材的激光-MIG復(fù)合焊縫的安全服役，需要對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)；效果較好的檢測(cè)方法是超聲爬波檢測(cè)，重點(diǎn)是檢測(cè)未焊透缺陷。建議以10 mm×0.2 mm×0.5 mm刻痕的回波幅度作為焊縫是否合格的判據(jù)。