對異種金屬焊接試樣的觀察
發(fā)布時間:2025-07-01 閱讀次數(shù)：51次
前言
1研究背景與挑戰(zhàn)
異種金屬焊接（如鋁合金與碳鋼）在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但其接合界面的內(nèi)部缺陷（如碳鋼碎片殘留、孔隙等）直接影響焊接質(zhì)量。傳統(tǒng)檢測手段（如金相切片）需破壞試樣，難以實現(xiàn)原位觀察。X射線計算機斷層掃描（CT）技術(shù)憑借其無損、高分辨率的三維成像能力，成為解決這一問題的關(guān)鍵工具。
2 研究核心問題
1. 如何通過X射線CT技術(shù)無損表征異種金屬焊接試樣中的碳鋼碎片分布及孔隙特征？
2. 如何量化分析缺陷的體積占比及空間分布，為工藝優(yōu)化提供依據(jù)？
3 技術(shù)難點
- 異種金屬密度差異導(dǎo)致CT成像對比度降低，需優(yōu)化掃描參數(shù)以清晰區(qū)分材料邊界。
- 三維圖像重構(gòu)中需精確分割碳鋼碎片與孔隙，避免偽影干擾。
本文利用島津制作所的X射線CT裝置inspeXioTM SMXTM-225CT FPD HR Plus（圖1），對鋁合金和碳鋼的焊接試樣進行觀察和分析。具體方法如下：
實驗設(shè)計與方法
1 試樣制備
采用攪拌摩擦焊工藝，在相同參數(shù)下制備鋁合金與碳鋼焊接試樣2組（試樣1與試樣2），確保實驗條件一致性。
2 CT掃描條件
使用inspeXioTM SMXTM-225CT FPD HR Plus（圖1）對試樣進行CT掃描，獲取其斷面圖像。
圖1 微焦點X線CT裝置inspeXioTM SMXTM-225CT FPD HR Plus
3 圖像分析
利用專用軟件對CT掃描獲得的斷面圖像進行處理，生成三維圖像，并對焊接試樣中的碳鋼碎片和孔隙進行體積分析。
圖像處理與分析流程
1 三維重構(gòu)
通過VG Studio MAX軟件對CT斷層圖像進行三維重建，生成試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的立體模型。
2 缺陷分割
基于灰度閾值法分離碳鋼碎片與孔隙，并利用形態(tài)學(xué)算法優(yōu)化邊界。
3 定量統(tǒng)計
計算碎片體積占比、孔隙數(shù)量及分布密度，生成三維空間映射圖。
實驗步驟
1 CT掃描
使用X射線CT裝置對試樣進行掃描，獲取其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的斷面圖像。
2 圖像處理
利用圖像分析軟件對CT掃描獲得的斷面圖像進行處理，生成三維圖像。
3 體積分析
對碳鋼碎片的體積進行分析，生成三維圖像，觀察其在鋁合金中的分布情況。
結(jié)果與分析
1 透視圖像分析
試樣1與試樣2的鋁合金區(qū)域均存在黑色斑點（圖2），表明碳鋼碎片在焊接過程中嵌入試樣基體。試樣2的碎片分布更趨近接合界面。
圖2 焊接試樣的透視圖像
2 三維圖像分析
通過半透明渲染（圖5）可見，試樣1和試樣2碎片體積占比相近，圖6統(tǒng)計結(jié)果相同（試樣1：2.22%；試樣2：2.44%）。
圖3 焊接試樣的斷面圖像
圖4 焊接試樣的三維圖像
圖5是試樣的三維圖像。通過將鋁合金設(shè)為半透明顯示，并對碳鋼碎片進行體積著色，可以清晰觀察到不同尺寸的碳鋼碎片分布在鋁合金中。
圖5 碳鋼碎片的體積分析3維圖像顯示
圖6 試樣中孔隙的三維圖像
3 體積分析結(jié)果
碳鋼碎片的體積分析結(jié)果顯示，試樣中的碳鋼碎片大小不一，且在鋁合金中的分布情況也有所不同，但是如圖7所示，碎片體積在鋁合金中的體積占比差異不大?？紫兜捏w積分析結(jié)果表明，試樣之間的孔隙數(shù)量、分布以及體積比例存在差異，如圖8所示。
圖7 碳鋼碎片（體積）柱狀圖
圖8 孔隙（體積）柱狀圖
結(jié)論
本研究通過島津X射線CT技術(shù)，實現(xiàn)了異種金屬焊接試樣內(nèi)部缺陷的無損可視化與定量分析，證實了以下結(jié)論：
1 技術(shù)適用性
X射線CT可精準(zhǔn)表征碎片及孔隙的三維分布，分辨率達微米級，滿足焊接質(zhì)量評估需求。
2 工藝優(yōu)化方向
通過X射線CT的無損觀察和分析，可以為優(yōu)化焊接工藝提供依據(jù)。
最后，感謝日本富山高等專門學(xué)校的岡根正樹教授為本次實驗提供試樣。
原文：島津制作所 橋本繼之助
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