对异种金属焊接试样的观察

异种金属焊接（如铝合金与碳钢）在航空航天、汽车制造等领域应用广泛，但其接合界面的内部缺陷（如碳钢碎片残留、孔隙等）直接影响焊接质量。传统检测手段（如金相切片）需破坏试样，难以实现原位观察。X射线计算机断层扫描（CT）技术凭借其无损、高分辨率的三维成像能力，成为解决这一问题的关键工具。

1. 如何通过X射线CT技术无损表征异种金属焊接试样中的碳钢碎片分布及孔隙特征？ 

2. 如何量化分析缺陷的体积占比及空间分布，为工艺优化提供依据？

- 异种金属密度差异导致CT成像对比度降低，需优化扫描参数以清晰区分材料边界。 

- 三维图像重构中需精确分割碳钢碎片与孔隙，避免伪影干扰。

采用搅拌摩擦焊工艺，在相同参数下制备铝合金与碳钢焊接试样2组（试样1与试样2），确保实验条件一致性。

使用inspeXioTM SMXTM-225CT FPD HR Plus（图1）对试样进行CT扫描，获取其断面图像。

利用专用软件对CT扫描获得的断面图像进行处理，生成三维图像，并对焊接试样中的碳钢碎片和孔隙进行体积分析。

通过VG Studio MAX软件对CT断层图像进行三维重建，生成试样内部结构的立体模型。 

基于灰度阈值法分离碳钢碎片与孔隙，并利用形态学算法优化边界。

计算碎片体积占比、孔隙数量及分布密度，生成三维空间映射图。

使用X射线CT装置对试样进行扫描，获取其内部结构的断面图像。

利用图像分析软件对CT扫描获得的断面图像进行处理，生成三维图像。

对碳钢碎片的体积进行分析，生成三维图像，观察其在铝合金中的分布情况。

试样1与试样2的铝合金区域均存在黑色斑点（图2），表明碳钢碎片在焊接过程中嵌入试样基体。试样2的碎片分布更趋近接合界面。

通过半透明渲染（图5）可见，试样1和试样2碎片体积占比相近，图6统计结果相同（试样1：2.22%；试样2：2.44%）。

图5是试样的三维图像。通过将铝合金设为半透明显示，并对碳钢碎片进行体积着色，可以清晰观察到不同尺寸的碳钢碎片分布在铝合金中。

碳钢碎片的体积分析结果显示，试样中的碳钢碎片大小不一，且在铝合金中的分布情况也有所不同，但是如图7所示，碎片体积在铝合金中的体积占比差异不大。孔隙的体积分析结果表明，试样之间的孔隙数量、分布以及体积比例存在差异，如图8所示。

本研究通过岛津X射线CT技术，实现了异种金属焊接试样内部缺陷的无损可视化与定量分析，证实了以下结论：  

X射线CT可精准表征碎片及孔隙的三维分布，分辨率达微米级，满足焊接质量评估需求。

通过X射线CT的无损观察和分析，可以为优化焊接工艺提供依据。  

最后，感谢日本富山高等专门学校的冈根正树教授为本次实验提供试样。

原文：岛津制作所  桥本继之助