超聲相控陣技術(shù)在高速動車組轉(zhuǎn)向架焊縫檢測中的應(yīng)用

王麗萍　田勐　蔡瑞明　胡立國　陳蘊新

摘要：結(jié)合CRH3型系列高速動車組構(gòu)架產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點，分析CRH3型系列高速動車組構(gòu)架閘片托吊座關(guān)鍵焊縫內(nèi)部檢測工藝難點，通過實驗驗證了超聲相控陣檢測工藝方案，并對閘片托吊座設(shè)計結(jié)構(gòu)改進提出合理性建議。對該焊縫進行相控陣超聲波檢測并在實際檢測中得到驗證，可以準(zhǔn)確檢測出該焊縫內(nèi)部各種缺陷，研究了相控陣超聲波技術(shù)在該類型焊縫檢測方面的應(yīng)用，實現(xiàn)了該焊縫檢測的全覆蓋，保證了焊縫質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高速動車組;相控陣超聲波;焊縫;缺陷

中圖分類號：TG441.7文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0080-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.15

0 前言

CRH3型系列高速動車組是世界上運營速度最快、科技含量最高的高速動車，其轉(zhuǎn)向架承載著整個車體的質(zhì)量并提供全車的運行和制動，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊縫一旦失效，會造成嚴(yán)重的安全事故。閘片托吊座焊接在CRH3型系列高速動車組動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架側(cè)梁內(nèi)側(cè)，作為三點吊掛制動夾鉗中的一個安裝吊點，是動車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的一個關(guān)鍵部件，閘片托吊座與側(cè)梁連接焊縫的焊接質(zhì)量對CRH3型系列高速動車組的運營安全有著重要影響，因此對該焊縫內(nèi)部質(zhì)量的檢測至關(guān)重要。本文針對構(gòu)架閘片托吊座關(guān)鍵焊縫，研究了超聲相控陣技術(shù)對其進行內(nèi)部檢測的可行性，分析了實際應(yīng)用中缺陷的檢出情況，保證缺陷不漏探。

1 試驗材料、設(shè)備及方法

1.1 材料

如圖1～圖3所示，閘片托吊座材質(zhì)為S355J2+N，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為EN10025-2，閘片托吊座焊接到構(gòu)架側(cè)梁上，上部與側(cè)梁上蓋鋼板焊接，立筋與構(gòu)架內(nèi)側(cè)立鋼板焊接，一側(cè)為閘片托吊座吊座，另一側(cè)為側(cè)梁上蓋板，檢測部位為熔深14 mm的側(cè)梁上蓋板與閘片托吊座全焊透焊縫，閘片托吊座側(cè)開45°坡口，側(cè)梁上蓋板側(cè)不開坡口。焊縫長110 mm，受力比較復(fù)雜，采用手工MAG焊方式進行焊接，焊接難度大，容易出現(xiàn)未焊透、未熔合等缺陷，必須進行內(nèi)部探傷檢測以保證焊接質(zhì)量。由于結(jié)構(gòu)限制該焊縫無法進行射線檢測，而采用常規(guī)超聲波技術(shù)無法全面覆蓋焊縫且極易造成誤判，因此采用超聲相控陣技術(shù)進行檢測。

1.2 超聲檢測設(shè)備

1.2.1 儀器

采用ISONIC 3510型便攜式相控陣超聲波檢測儀器，檢測結(jié)果顯示為模擬圖像，可以顯示缺陷位置，減少誤判。閘門的位置、寬度及高度任意可調(diào)，檢測結(jié)果以A掃描、B掃描及C掃描三維立體形式顯示。

1.2.2 探頭

閘片托吊座在焊接過程中，可能產(chǎn)生的缺陷有以下3種：

（1）側(cè)梁上蓋板一側(cè)未開坡口，焊縫根部容易出現(xiàn)未焊透缺陷，這也是超聲相控陣檢測需要關(guān)注的重點之一。對于這類焊縫根部未焊透的檢測，采用35°～55°入射角檢測效果最佳。

（2）閘片托吊座一側(cè)焊縫坡口角度為45°，未熔合缺陷是焊縫主要的缺陷類型，采用45°入射角檢測效果最好。

（3）除以上兩種缺陷外，焊縫中還可能存在氣孔、夾渣等缺陷，這類缺陷對超聲波探頭入射角度沒有要求。

針對閘片托吊座與側(cè)梁上蓋板對接焊縫結(jié)構(gòu)特點，設(shè)置相控陣探頭檢測參數(shù)如下：

（1）采用頻率5 MHz、16晶片的線性相控陣探頭，扇形掃描方式進行檢測，扇形角度范圍為35°～75°，角度步進1°。

（2）相控陣探頭型號為109056/5 MHz/16X0.5，楔塊角度為36°。

（3）檢測標(biāo)準(zhǔn)為ISO17640中規(guī)定的B級，評定按標(biāo)準(zhǔn)按ISO 11666中2級執(zhí)行。

1.3 試驗方法

1.3.1 實物試塊

如圖4所示，采用相同的焊接工藝制作了閘片托吊座實物試塊，并刻不同深度的槽作為人工缺陷，其中1號缺陷深度2.2 mm，2號缺陷深度3.1 mm，1號缺陷和2號缺陷模擬深度較淺的缺陷，3號缺陷深度9.6 mm，模擬焊縫根部缺陷。

1.3.2 相控陣超聲波檢測技術(shù)

閘片托吊座焊縫結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用常規(guī)超聲波檢測困難，原因如下：

（1）焊縫距離立板較近，立板會影響超聲波入射路徑，造成二次波可利用的底面距離只有3～5 mm，影響對焊縫上半部分的檢測。另外超聲波探傷只能在閘片托吊座單側(cè)進行，按照ISO 17640標(biāo)準(zhǔn)要求，如果探頭只從焊縫單側(cè)進行檢測，需使用兩種不同角度的探頭，兩種探頭間角度差應(yīng)不小于10°，實施應(yīng)用中檢測困難。

（2）立板和側(cè)梁上蓋板的連接焊縫會產(chǎn)生反射回波，影響對缺陷的判斷。

（3）閘片托吊座焊縫在組對過程中經(jīng)常形成錯邊，且焊縫中間長70 mm屬于封閉結(jié)構(gòu)，無法通過觀察焊縫背部成型情況排除因錯邊造成的干擾回波，對超聲波探傷過程中的缺陷判定有極大的影響。

基于上述原因，常規(guī)超聲波檢測無法全面覆蓋該焊縫且極易造成誤判。超聲相控陣技術(shù)是利用多壓電陣元和延遲控制來激勵、接收超聲波信號的技術(shù)[1]，可獲得靈活可控的合成波束[2]，在保證檢測靈敏度的同時實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的針對性覆蓋[3]，具備很高的檢測精度和檢測效率[4]，能實時獲得檢測結(jié)果[5]，ISONIC 3510型便攜式相控陣超聲波檢測儀具有角度增益補償設(shè)置功能，成像結(jié)果與真實幾何結(jié)構(gòu)一致。在儀器上輸入閘片托吊座焊縫信息，并通過檢驗有人工缺陷的閘片托吊座實物試塊驗證仿真圖的準(zhǔn)確性以及超聲波的覆蓋范圍，確保全面掃查被檢測焊縫。圖6是超聲相控陣探頭距閘片托吊座焊縫邊緣分別為1 mm和65 mm時，模擬實物焊縫結(jié)構(gòu)檢測覆蓋顯示圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 相控陣超聲波檢測技術(shù)分析

采用相控陣超聲波技術(shù)對閘片托吊座實物試塊上三個不同位置的人工缺陷進行了檢測，驗證缺陷的可檢出度以及相控陣超聲波檢測的覆蓋范圍，結(jié)果如下：

（1）如圖7所示，相控陣探頭前端距離焊縫邊緣65 mm時，可檢出1號缺陷，深度2.2 mm，檢出探頭角度為73.5°。

（2）如圖8所示，相控陣探頭前端距離焊縫邊緣45 mm時，可檢出2號缺陷，深度3.1 mm，檢出角度為65.5°。

（3）如圖9所示，相控陣探頭前端距離焊縫邊緣1 mm時，可檢出3號缺陷，深度9.6 mm，檢出角度為53°。

試驗結(jié)論：相控陣探頭前端在距閘片托吊座焊縫邊緣1 mm、45 mm和65 mm處沿焊縫水平方向掃查，可以實現(xiàn)對閘片托吊座焊縫的全覆蓋。其中相控陣探頭前沿距焊縫邊緣45 mm、65 mm掃查時，主要利用二次波對閘片托吊座焊縫上半部分進行掃查;相控陣探頭距焊縫邊緣1 mm掃查時，主要利用一次波對閘片托吊座焊縫下半部分進行掃查，尤其是對焊縫根部的掃查。

2.2 錯邊對閘片托吊座焊縫的影響

實際焊接中，閘片托吊座焊縫在組對時經(jīng)常發(fā)生根部錯邊的情況，具體如下：

（1）如圖10所示，當(dāng)閘片托吊座根部一側(cè)高于側(cè)梁上蓋板底平面時，焊縫位于側(cè)梁上蓋板側(cè)根部容易產(chǎn)生未熔合缺陷，且閘片托吊座側(cè)根部余高形成的反射波深度小于板厚14 mm，與坡口未熔合反射的回波相似。

（2）如圖11所示，當(dāng)閘片托吊座一側(cè)低于側(cè)梁上蓋板底平面時，焊縫位于側(cè)梁上蓋板側(cè)根部成型性良好，且吊座側(cè)不會形成有干擾的反射回波，便于檢測和缺陷的判斷。

為模擬閘片托吊座不同根部錯邊的情況，采用正式焊接工藝制作了3個實物試塊，錯邊尺寸見表1。采用相控陣超聲波技術(shù)進行檢測，并對實物試塊有反射回波的位置縱向切割進行磁粉探傷驗證，結(jié)果如下：

（1）1號試塊。如圖12所示，1號試塊由于閘片托吊座側(cè)高于側(cè)梁上蓋板底平面，相控陣超聲波檢測結(jié)果為深13.3 mm、距探頭前沿1.9 mm處有強烈反射回波，檢測角度為47°，整條焊縫均存在此回波，相控陣檢測初步判定為焊縫未熔合，該反射波通過試塊切割并磁粉檢測驗證為根部未熔合;如圖13所示，相控陣探頭在掃查過程中也發(fā)現(xiàn)深度11.8 mm處有反射回波，該反射波經(jīng)磁粉檢測驗證為未熔合;另外閘片托吊座側(cè)根部余高會形成反射波且深度小于板厚14 mm，與坡口未熔合形成的反射波容易混淆，此類型的反射波通常存在于全部焊縫長度，如果將焊縫余高磨平則該反射波消失。

（2）2號試塊和3號試塊。2號試塊不存在錯邊。如圖14所示，3號試塊經(jīng)過相控陣超聲波檢測，B掃描和C掃描均未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，說明當(dāng)閘片托吊座吊座一側(cè)低于蓋板底平面時，蓋板側(cè)根部成型性良好。需要注意的是，第一次掃查主要針對焊縫根部利用一次波進行掃查，圖形中顯示反射波深度16 mm、超過焊縫厚度14 mm，不是焊縫中缺陷，應(yīng)加以區(qū)分。

試驗結(jié)論：當(dāng)閘片托吊座一側(cè)低于側(cè)梁上蓋板底平面時，焊縫位于側(cè)梁上蓋板側(cè)根部側(cè)成型性良好，且吊座側(cè)不會形成干擾回波，便于檢測和缺陷的判斷。而當(dāng)閘片托吊座一側(cè)高于側(cè)梁上蓋板底平面時，側(cè)梁上蓋板側(cè)根部焊縫容易未熔合，且閘片托吊座側(cè)根部余高的反射波容易與坡口未熔合的反射波混淆。通過本次實驗結(jié)果，為后期閘片托吊座的設(shè)計結(jié)構(gòu)改進提供了較為科學(xué)、可靠的信息。

2.3 技術(shù)驗證

相控陣超聲波檢測技術(shù)可以準(zhǔn)確檢測出高速動車組閘片托吊座焊縫內(nèi)部各種缺陷。如圖15所示，相控陣超聲波技術(shù)實際檢測中探測出閘片托吊座焊縫內(nèi)部未熔合，剖開該焊縫后進行了磁粉探傷驗證，檢測結(jié)果與相控陣超聲波檢測結(jié)果一致。

3 結(jié)論

針對CRH3型系列高速動車組構(gòu)架閘片托吊座關(guān)鍵焊縫構(gòu)架復(fù)雜結(jié)構(gòu)，分析該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點和檢測工藝難點，最終確定采用超聲相控陣技術(shù)，并通過一系列實驗和實際檢測結(jié)果得出，超聲相控陣技術(shù)能夠準(zhǔn)確檢測出該類型焊縫中存在的各類內(nèi)部缺陷，實現(xiàn)高速動車組構(gòu)架閘片托吊座焊縫檢測的全覆蓋，為高速動車組閘片托吊座設(shè)計結(jié)構(gòu)改進提供了較為科學(xué)、可靠的信息，對閘片托吊座關(guān)鍵焊縫的質(zhì)量保證具有重要意義。

參考文獻：

[1] 林彤，姚欣. 管板與筒體接頭相控陣超聲檢測技術(shù)應(yīng)用[J]. 無損檢測，2018，40（12）：31-36.

[2] 孟永樂. 超聲相控陣對小徑管焊縫檢測研究[J]. 鑄造技術(shù)，2018，39（3）：633-636.

[3] 原可義，吳開磊，楊齊，等. 相控陣超聲檢測中的近場和遠(yuǎn)場選擇[J]. 無損檢測，2019，41（3）：1-5.

[4] 沙正驍，梁青，李彥. 基于超聲環(huán)陣相控陣的變孔徑聚焦檢測技術(shù)[J]. 失效分析與預(yù)防，2019，14（2）：84-89，95.

[5] 楊晶，楊康東，張文澤. 小徑管對接焊接接頭的相控陣超聲檢測[J]. 無損檢測，2019，41（3）：58-60.