動車組構架異型焊縫超聲相控陣檢測

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(中車唐山機車車輛有限公司，唐山 063035)

動車組的長期運行易導致構架部分焊縫出現疲勞裂紋。為了提高焊縫的強度，部分焊縫采用如圖1所示的結構。但是這類焊縫結構復雜，如何檢測其原始焊接缺陷以防止焊縫開裂，以及在動車組檢修時提前發現影響行車安全的缺陷，已成為一個急待解決的問題。筆者針對這種結構焊縫，闡述了如何確定檢測方案、選擇工藝參數、驗證檢測方案的過程。

圖1 異型結構焊縫外觀

1 檢測方法的確定

此類異型結構焊縫形式為14 HV,即鍛件方向開45°的坡口，另外一邊的蓋板不開坡口，而且焊接工藝上允許存在一定的錯邊。焊接時一邊不開坡口，容易造成蓋板下底邊不能熔透，尤其在存在錯邊的情況下更容易出現此問題，這種不能熔透的現象稱為未熔合，在焊縫中是不允許存在的，而且焊縫中還有可能存在未焊透、氣孔、裂紋等其他類型的缺陷。

檢測焊縫內部缺陷的常規無損檢測方法有射線檢測法和超聲檢測法。從結構上分析，該類型焊縫三面封閉，射線檢測難以實施，只能通過超聲檢測[1]來進行。但如果使用常規超聲的橫波檢測，要檢測全部焊縫，探頭需要一定的掃查范圍，從圖1可以看出，焊縫下面焊有立板，沒有掃查空間；如果在焊縫上面掃查，不管斜探頭還是直探頭，都存在盲區，檢測到的區域很小。故，考慮使用超聲相控陣檢測方法，其具有較多優點，比如，一個探頭有多個性質相同的晶片；可控制聚焦深度，控制偏轉角度，控制波束寬度；晶片能夠分別控制，以形成幾個不同的虛擬探頭(VPA)，而且一個虛擬探頭可以設定一定的角度范圍，從而發現不同方向的缺陷；探頭在安裝楔塊后對表面進行檢測時不存在盲區等。

采用相控陣檢測此類焊縫需要確定的參數有：探頭型號、探頭角度范圍、角度步進、聚焦法則、起始陣元、陣元數、步進偏置、楔塊的型號等。

2 檢測參數的確定

2.1 掃查類型的選擇

相控陣掃查類型主要分為線形掃查和扇形掃查，其中線形掃查相當于多個同角度的單探頭同時掃查，只是探頭角度可按需設置，在發現不同方向的缺陷上有一定的局限性。為了能夠同時發現焊縫中不同類型、不同方向的缺陷，可選取扇形掃查的方式。

2.2 方案的確定

為了能夠一次完全覆蓋整個焊縫，通過軟件模擬，確定了兩種簡單、快捷的方案，掃查一次即可完全覆蓋焊縫，模擬效果如圖2,3所示。

第一種方案：采用4L32-0.5×10型號探頭配合N55S型號楔塊，設置兩組掃查，步進偏置為-11.37 mm。第一組掃查使用從第1陣元開始的13個陣元，使之一起工作產生34°～70°的偏轉角度，角度步進1°，其主要利用一次波檢測焊縫下部以及二次波檢測焊縫上表面；第二組掃查使用從第20陣元開始的后13個陣元，使之一起工作產生37°～72°的偏轉角度，角度步進1°，其主要利用一次波檢測第一組掃查未覆蓋區域及焊縫其他內部區域，兩組掃查配合可覆蓋整個焊縫區域。

圖2 第一種方案模擬效果示意

第二種方案：采用5L64-0.6×10型號探頭配合N60S型號楔塊，設置兩組掃查，步進偏置為-25.08 mm。第一組掃查使用從第34陣元開始的16個陣元，使之一起工作產生36°～75°的偏轉角度，角度步進1°，其主要利用一次波檢測焊縫下部，聚焦深度可以設成13 mm；第二組掃查使用從第50陣元開始的16個陣元，使之一起工作產生40°～75°的偏轉角度，角度步進1°，其主要利用一次波檢測焊縫上表面，聚焦深度可以設成3 mm；兩組掃查配合可覆蓋整個焊縫區域。

圖3 第二種方案模擬效果示意

由模擬效果圖可以看出，第一種方案使用了焊縫下表面旁邊的蓋板下邊緣2.77 mm向上反射二次波以達到波形覆蓋焊縫上半部分的目的，考慮到焊接的實際情況可能比較復雜，隨機解剖了兩個試件，觀察其焊縫的下表面(見圖4)。

圖4 試件a,b的解剖圖

從圖4可以看出，試件a的焊縫底面成型不好，2.77 mm的平面已經有部分被熔化掉;試件b成型較好，2.77 mm的平面基本存在。但整體上看，還是不能保證所需的反射平面一定存在，所以第一種方案是不可取的，故最終選定第二種方案。

2.3 靈敏度的確定

通常動車組中的需檢測的焊縫質量等級要求符合ISO 5817《焊接-熔化焊-鋼，鎳，鈦及其合金的熔化焊接頭-缺陷質量分級》的B級，通過查詢ISO 17635《焊縫的無損檢測-金屬材料一般規則》，對應超聲檢測的等級為ISO 19285《焊縫無損檢測-相控陣超聲檢測-驗收等級》的2級。使用直徑為3 mm的橫孔(標準中的技術1)做TCG曲線(深度補償曲線)調整靈敏度。

3 方案的驗證

3.1 試塊驗證

圖5 實物試塊上、下表面外觀

為了驗證第二種方案的可行性，制作了實物試塊，其上、下表面外觀如圖5所示。在試塊焊縫上表面的邊緣加工兩條線性缺陷，在焊縫的根部中間加工一條線性缺陷，以此驗證相控陣覆蓋范圍的正確性。

對此實物試塊采用第二種方案設置的相控陣檢測系統進行檢測，得到的波形如圖6所示。

圖6 缺陷試塊的超聲相控陣檢測波形

從圖6可以看出，試塊上、下表面的缺陷都能夠被檢測出來(圖中圈出的部位)，而且位置的顯示也和實物相符，證明此種方案通過一次掃查可以覆蓋整個被測焊縫。

3.2 方案的驗證

對實物焊縫進行檢測時，發現部分工件的焊縫內部存在超標缺陷。為了驗證檢測方案及系統調試的正確性，解剖其中存在超標缺陷的兩個工件，并用磁粉或射線檢測方法進行檢測驗證。工件一的相控陣顯示及相應的磁粉檢測結果如圖7所示，工件二的相控陣顯示及射線檢測結果如圖8所示。

圖7 工件一的相控陣檢測與磁粉檢測結果

從圖7，8可以看出，相控陣檢出的超標缺陷都是實際存在的，而且缺陷波和余高波也比較容易區分，足以說明此方案的可行性。值得注意的是，在掃查過程中，保證步進偏置的準確性是非常重要的。

圖8 工件二的相控陣檢測與射線檢測結果

4 方案實施

從2017年12月，采用該方案對焊接構架的同結構的新制焊縫進行檢測，最初檢測的2個構架的8條焊縫中均發現了不同程度的超標缺陷。經過分析，查出是焊接組裝方法及焊接時焊槍角度的不當導致了缺陷的形成，后來改進了焊接組裝的方法并調整了焊接時焊槍的角度。截止到2018年2月底，共檢測了20個構架上的80條焊縫，檢測出6條存在超標缺陷的焊縫。同時，此種方案用于檢修動車的焊縫檢測，也發現了數條存在超標缺陷的焊縫。

5 結論

采用超聲相控陣檢測異形結構焊縫的焊接缺陷時，需要先分析焊縫可能產生的缺陷類型，在滿足焊縫被完全覆蓋(即步進偏置合理)的前提下，針對可能產生的缺陷設置合理的檢測參數。實際的檢測應用表明，通過制定合理的工藝方案，超聲相控陣檢測能實現對動車組構架異型焊縫的檢測。