一、选题的依据和意义
铝合金是目前最适合搅拌摩擦焊接的材料之一，TWI利用WhorlTM搅拌头对铝合金进行焊接，单面焊时焊接板厚可以为25～40mm，双面焊板厚可达75mm;利用MX TrifluteTM搅拌头焊接进行单面焊时，它可以焊接板厚为6～50mm[1]。在焊接过程中，由于工艺参数（如焊接时搅拌头移动的速度、搅拌头旋转速度及压力等）预定值或出现意外因素的干扰，可能会影响焊缝区的连接质量，严重时会产生工艺和结构上不允许的缺陷。与常规熔焊相比，搅拌摩擦焊属固相焊接，焊缝区具有与母材一致的金相组织，焊接过程中焊缝区的晶粒还会得到细化，在焊缝区产生的缺陷具有明显的紧贴、细微和难检测的特点。搅拌摩擦焊工艺研究需要了解和掌握焊缝区的物理特征、可能产生的缺陷及其成因；工程装机应用需要清楚焊缝的质量和完好性，特别是焊缝存在超过设计允许的缺陷。因此，无损检测已成为近年来国外推广搅拌摩擦焊在重要工业领域中应用的重点研究课题[2-4]。目前在国外，搅拌摩擦焊的无损检测在技术上处于缺陷表征与检测方法探索、技术积累阶段[3，5-6]。
材料的电导率是由金属中的自由电子在正离子晶格点阵中的运动状况决定的，其大小取决于金属晶格点阵中散射电子的能力及散射源的密度。不同的组织状态对电子散射作用不同，特别时组织中的固溶体有序化后，晶体离子势场呈对称分布，电子散射率会大为降低，电导率明显上升。电导率还对点缺陷密度的变化特别敏感，而材料的点缺陷密度和组织状态与材料经历的热过程密切相关[7]。针对搅拌摩擦焊工艺特点，使用涡流电导率方法进行检测具有简单、灵敏、无损等优点，可以弥补硬度或强度检测必须破坏零件或受零件形状、重量及材料表面状态限制的优点[8]。由于目前缺乏相应的电导率检测标准[9]，将电导率涡流检测技术应用于铝合金质量控制过程，还需要大量的研究探索。如果能够从实验和理论的结合上去探讨电导率对搅拌摩擦焊接头性能的影响，从而揭示该影响在实际检测中的应用，对铝合金电导率测试方法的标准制定将有着极其重要的作用。
二、国内外研究概况及发展趋势
2.1搅拌摩擦焊的简介
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding简称FSW）是英国焊接研究所（The Welding Institute简称TWI）于1991年发明的一种固相连接技术。它采用特型搅拌头在待焊工件中旋转、摩擦产生热，并挤压以形成焊缝，属于一种新的固态连接方法，如图1。采用搅拌摩擦焊取代传统的氩弧焊，不仅能完成材料的对接、搭接、丁字接等多种接头方式，而且还能用于高强铝合金、镁合金的焊接，大大提高了焊接接头的力学性能，并且排除了熔焊缺陷产生的可能性。搅拌摩擦焊工艺在飞行器铝合金结构制造中的推广应用，在国外已显示出强劲的技术创新活力，对传统制造工艺带来了革命性的改造[10-17]。
2.2搅拌摩擦焊接头的缺陷特征及类型
2.1.2搅拌摩擦焊接头的缺陷特征
搅拌摩擦焊接时，由于工艺参数的偏离或意外因素的影响，在焊接过程中可能会产生焊接缺陷，已有的研究结果和应用实践表面，在搅拌摩擦焊接过程中可能产生的缺陷具有以下特征：（1）缺陷多位于焊缝区与母材连接界面区;（2）缺陷取向复杂，缺陷取向随着焊缝区与母材连接界面在搅拌过程中形成的流线生成和发展；（3）缺陷紧贴、细微，具有明显的面积取向；（4）焊缝区与母材主要材质相同，但晶粒度不xx相同，焊缝区的晶粒在搅拌过程中还会得到细化[18]。
针对以上搅拌摩擦焊缝中可能产生的缺陷和其特征，使用合理的无损检测方法，就可以解决焊缝区中的缺陷检测问题。
2.2.2搅拌摩擦焊接头的缺陷类型
2.3常用的无损检测方法及其特点
目前，常用于检验焊缝质量的无损探伤方法有磁粉、渗透、超声、射线和常规涡流等检测技术。这些技术各有其优缺点，如磁粉法现场应用非常简单，直接检测表面缺陷，但如被检工件表面有涂层或潮湿，检测可靠性将大为降低，所以必须先去除涂层，擦干表面；渗透法对表面开口裂纹检测灵敏度很高，但对表面有涂层及潮湿的工件就不理想，且对缺陷的判定有赖检验人员的经验；超声法对工件表层下缺陷的检测很有效，但检测时需耦合剂，效率较低，对缺陷的判定也有赖技术人员的经验；射线法对工件表层下缺陷的检测很有效，但射线辐射危险人体，检测时必须进行安全防护，且有些工况不易实施；常规涡流技术对表面开口裂纹很灵敏，在表面涂层、潮湿和水底等恶劣环境下也能开展检测工作，但对缺陷的判定同样有赖于技术人员的工作经验[20]。
2.4涡流电导率检测法
2.4.1涡流电导率检测法的基本原理
当载有交变电流的检测线圈靠近xx区构件时，由于线圈磁场的作用，构件中会感生出涡流，其大小、相位及流动形式受到构件性能(如存在电导率变化、裂纹)的影响；而交变的涡流又会产生反作用磁场，使得检测线圈的阻抗和电流发生变化[21]。因此，测定线圈阻抗和电流的变化，就可得出构件缺陷的存在情况。电导率是由金属中的自由电子在正离子晶格点阵中的运动状况决定的，其大小取决于金属晶格点阵中散射电子的能力及散射源的密度[8，22]。电导率对点缺陷密度的变化很敏感，而焊接热过程造成的显微组织变化对材料的电导率影响很大。不同组织状态对电子散射作用不同，特别是组织中的固溶体有序化后，晶体离子势场呈对称分布，电子散射率会大为降低，电导率明显上升[9]。材料的点缺陷密度和组织状态与材料经历的热过程是密切相关的，因此可以通过对材料电导率的测量来分析材料焊接过程中存在的缺陷。
2.4.2涡流电导率检测法的优点
电导率是铝合金材料的重要指标之一，在其生产和研究中，要经常测试电导率。结合强度试验，可评估产品其它性能和热处理状态；结合硬度试验，可对批量产品进行质量检验。涡流测试方法是无损检测铝合金电导率的基本方法。涡流电导仪是无损检测铝合金板材电导率的常用一起，操作简单，测试可靠，不需要特殊加工试样，仅在时间的自然表面上找出一个能容下电导仪探头的平面，探头中心到边缘的距离不小于探头半径的3倍就能直径测试出试样的电导率[23]。因此可知，涡流电导率检测法通过电磁感应的原理，将电导率数值化地表现出来，从而间接地判定材料是否存在焊接缺陷，具有操作方便、高效、准确等优点，对材料不会造成任何损伤，所以在对搅拌摩擦焊焊接接头的检测中具有特殊的优越性。
2.5课题研究现状及发展趋势
JENTEK Sensors公司[24]的开发出了一种特殊形式的涡流阵列探头—MWM阵列探头，利用该探头可以对焊缝近表面各点电导率进行测量以形成焊缝表面电导率分布图，并利用材料电导率与焊缝微观组织的关系进行焊缝缺陷探测及质量评估。该探头拥有一个蜿蜒的激励线圈绕组，穿插于激励绕组之有多个用于检测磁通量变化率的检测元件。因为未焊透缺陷区域近表面层的电导率变化同其冶金学特征有着紧密的联系，Neil Goldfine等人利用MWM阵列探头对铝合金FSW焊缝背部的近表面电导率数据进行了采集，对产生的焊缝根部近表面电导率分布图进行了分析，初步归纳了同种材料及异种材料FSW焊缝分别在质量情况良好、有未焊透缺陷时的电导率分布特征，如图2。
在Neil Goldfine的试验中，焊缝根部近表面的电导率分布对于同种材料无缺陷FSW焊缝来说有这样的特点，在动态再结晶区域（dynamically recrystallized zone,简称DXZ）对应的位置，即焊缝中间部位有着一个较宽的，电导率相对较低的且与DXZ在焊根宽度相当的区域，同时在偏离该区域中心还存在一个电导率的最小值，而在DXZ对应的低电导区域的两端会出现对称的电导率的峰值，这两个峰值意味着DXZ组织向热机影响区（thermomechanically affected zone,简称TMZ）的过渡；对于有未焊透缺陷的同种材料FSW焊缝的电导率分布来说，DXZ对应的那个低电导率区域的宽度就会明显的变小，如果此时还有平面型缺陷的出现的话，在焊缝中心位置就会出现一个十分明显的电导率的陡降；无缺陷的异种铝合金FSW焊根近表面电导率分布不像同种材料焊缝那样有对称分布的特征，两边的母材的电导率总会有相对高低之分，在焊缝宽度范围内，电导率从高电导率材料一边开始较快的下降直至进入电导率相对较低的DXZ区域范围，在DXZ区域范围的被其两边的两个微小的电导率峰值所限制，这两个微小的电导率尖峰意味着焊缝从TMZ过渡到了热影响区（heat-affected zone,简称HAZ）；对于带有平面型缺陷的焊缝而言，那个电导率下降的过程变得十分陡急，并且伴随着DXZ对应的低电导率区域宽度的减小。此外，将未焊透区域看作覆盖在DXZ区域上的一层覆膜，在焊缝深度方向上，DXZ区域与未焊透区域的交界处会有电导率的改变，而不同激励频率可以获得不同深度电导率，所以利用多频覆膜层表征算法可以对近表面区域未焊透区域的厚度进行测量[25]。此后，Neil Goldfine等人与NASA及洛克希德马丁公司合作，利用为他们设计的专用MWM阵列探头及焊缝缺陷电导率分布特征对航天飞机外储箱的FSW焊缝进行了缺陷的检测，收到良好的效果，尤其是对于未焊透缺陷，MWM阵列探头技术成为有效的探测工具[26]。
三、研究内容及试验方案
3.1研究内容
本课题主要通过采用涡流电导仪对搅拌摩擦焊焊接接头的电导率进行测量，以及与金相分析相结合，找出焊缝组织及焊接缺陷与电导率的关系，并得到涡流电导率分布与搅拌摩擦焊近表面缺陷特征的规律。
3.2试验设备及条件
使用LY12铝合金在由铣床改制的搅拌摩擦焊机以及自制的焊接夹具上进行试验，电导率测量使用的仪器是由Hocking NDT有限公司生产的Auto Sigma 3000DL电导率测量仪。
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3.3试验方案
3.3.1试样的制备
a. 选用铝合金板作为材料，利用搅拌摩擦焊机进行对接，制备两条背面具有未焊透缺陷的焊缝试样。将焊缝背面分成等宽度的六段用铣床铣成阶梯面，对各阶梯面打磨，制备成检测试样。
b．选用铝合金板作为材料，将每两块板材厚度上一面分别铣成斜面进行对接，制备四条背面具有未焊透的斜焊缝试样，斜焊缝与板材长度方向所成角度分别为：30o,40o,50o,60o。将焊好的试样打磨并制备成检测试样。
具有阶梯面的试样使用电导率测量仪对其各阶梯面进行电导率测量，并记录{zh1}的电导率测量值。对斜焊缝试样使用电导率测量仪测量各焊缝电导率并记录测量结果。
3.3.3组织观察
3.3.4结果分析
对实验结果进行数据处理分析，得出相关结论，分析焊接接头的组织性能，讨论电导率分布与近表面缺陷的规律。
四、目标、主要特色及工作进度
4.1课题目标、主要特色
本课题采用LY12铝合金作为试验材料，通过分别对合格以及未焊透的式样的电导率测量结果进行对比分析，再将其与金相分析结合，找出焊缝组织及焊缝缺陷与电导率之间所存在的关系，并进一步得到涡流电导率分布与近表面焊缝缺陷的规律，以此作为对搅拌摩擦焊接头电导率研究，为电导率检测的标准的制定提供理论和实践依据。
4.2工作进度
1.检索文献，翻译外文资料一篇，完成开题报告
2.制备典型搅拌摩擦焊缺陷试样。
3.制备铝合金涡流检测标准试块。
4.制定用涡流检测方法检测搅拌摩擦焊焊缝缺
陷的试验方案。
5.进行搅拌摩擦焊焊缝缺陷涡流检测实验。
6.提取典型涡流检测的信号。
7.进行数据分析，得到搅拌摩擦焊焊缝缺
陷涡流检测信号的特征。
8.撰写毕业论文，答辩。
五、参考文献
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