轉子釬焊缺陷的相控陣超聲檢測

劉海寧，王尚華，鞏麗霞，王 杰

(中車永濟電機有限公司，永濟 044500)

某列車在運行過程中，其牽引電機出現了端環與導條焊接部位開裂的質量問題(見圖1)，根據事故原因進行分析，認為其除了與列車運行有關外，還與存在焊接缺陷有關，為確保列車運行安全，需要對其進行無損檢測，從而實現對焊接質量的有效控制[1]。但當采用常規線性相控陣超聲探頭進行檢測時，檢測結果不夠理想。為了進一步提高檢測質量，根據現有的相關型號電機轉子端環導條焊接質量要求，設計了專用的相控陣超聲探頭。通過對大量檢測數據進行分析，設定了合理的檢測參數，完善了檢測工藝，將焊接缺陷數量控制在規定范圍內，從而有效地保證了焊接質量。

圖1 端環與導條焊接部位開裂外觀

1 檢測方法

1.1 檢測對象

電機轉子的端環與導條采用硬釬焊連接，將端環放置在中頻感應器上，導條插入端環槽內，導條間隙放入銀焊料，通過感應加熱到一定溫度后再冷卻，將端環和導條焊接在一起[2]。在該焊接工藝下，導條釬合面部位易產生氣孔，若端環導條釬合面存在的氣孔過多，將會影響電機的運行，甚至在使用過程中釬合部位開裂。端環導條焊接剖面如圖2所示。

圖2 端環導條焊接剖面示意

1.2 檢測方法

根據某型電機轉子端環與導條的尺寸及焊接結構，設計并制作了相控陣超聲檢測用探頭，定制探頭可兼容其他型號電機的轉子端環與導條的尺寸，方便后續開展其他電機的檢測試驗。根據現場檢測需要，設計制作了可調勻速旋轉工裝，避免人工手動掃查時人為因素對檢測數據的影響；對比常規相控陣超聲探頭與定制相控陣超聲探頭掃查的結果，確定檢測參數；對生產現場的某型電機轉子端環與導條的焊接部位進行相控陣超聲檢測，分析檢測數據，確定端環導條焊接端面氣孔的總體分布范圍。解體一臺電機轉子，加工后對端環導條焊接端面的氣孔與缺陷顯示進行對比。

1.3 試驗實施

根據釬焊的工藝控制方法，要求具有檢出釬焊底部φ1 mm氣孔的能力，經過設計、試驗確定了定制相控陣超聲探頭的各項參數，晶片整體尺寸為47.8 mm×10 mm，單晶片寬度為1.3 mm，晶片間隙為0.2 mm，頻率為4 MHz。在垂直線性掃查時,聲束能夠完全覆蓋端環導條的焊接部位。

設計制作了檢測用旋轉工裝(見圖3)，旋轉速度可根據檢測工藝要求進行調節。檢測該型轉子時，檢測靈敏度采用端環底波調整,使底面回波達到滿屏100%，相控陣檢測儀器設置掃查長度為830 mm，掃查時長為83 s，旋轉工裝頻率設置為10 Hz，轉子旋轉線速度為10 mm·s-1。

圖3 旋轉工裝外觀

按照設定的工藝參數，對電機轉子進行了驗證試驗，結果如下所述。

(1) 采用常規32晶片線性探頭扇形掃查，聲束在工件中的傳播示意如圖4(a)所示，采用定制的32通道探頭垂直線性掃查，聲束在工件中的傳播示意如圖4(b)所示。

圖4 聲束在工件中的傳播示意

(2) 在實驗室中,對該型轉子實際掃查檢測中缺陷的俯視成像結果如圖5所示。

圖5 缺陷的俯視成像結果

(3) 圖6為常規探頭手動扇形掃查的結果,圖7為配合旋轉工裝采用定制探頭進行垂直掃查的結果。由圖7可知，常規探頭扇形掃查結果不符合轉子釬焊的實際結構，未能將整個導條端面缺陷成像顯示出來，所以采用常規探頭扇形掃查存在漏檢。采用定制探頭垂直掃查的結果更加接近轉子釬焊的實際結構，俯視圖能夠反應缺陷的實際分布位置。

圖6 常規探頭手動扇形掃查結果

圖7 定制探頭垂直掃查結果

對該型轉子采用定制探頭垂直線性掃查檢測的部分缺陷圖像如圖8(a)所示，從缺陷圖像中可以看出每個導條端面的缺陷大小不一，缺陷形態也各種各樣。圖8(b)為實物解剖后的缺陷外觀，由于加工原因其未能一次性全部顯示出來，圖8(a)中A、B兩直線之間的圖像與實際解剖缺陷顯示相對應。對比圖8(a)和圖8(b)，發現受探頭分辨率影響，缺陷檢測圖像相對實際缺陷尺寸存在放大現象，實際解剖缺陷與檢測結果缺陷顯示形態差異較大。

圖8 缺陷檢測與實物解剖結果

在固定檢測參數和檢測結果分析方法的情況下，對檢測結果采用如圖9所示的畫格分析方法進行缺陷占比分析，取圖8中35號導條的實際缺陷圖像，將其與相控陣模擬圖像放大后進行對比，發現缺陷檢測圖像相對實際缺陷放大約2.5倍，如圖10所示。

圖9 缺陷顯示畫格分析

圖10 35號導條實際缺陷與檢測結果缺陷對比

采用畫格法對105個導條端面的缺陷進行占比統計，并根據統計數據畫出正態分布圖，如圖11所示。發現缺陷占比主要集中在20%35%。為了得到正態分布中偏差較大的界限值，采用拉依達準則(剔除大于或小于數學期望3倍標準差的數據)對正態分布中的數據進行分析，由于缺陷占比越小越好，所以只剔除正偏差的數值，分析時105組測量數據均采用，所以該處的數學期望選擇平均值，計算結果如表1所示。從表1得出該型轉子導條端面的相控陣超聲檢測結果，缺陷占比高于43%(實際缺陷占比為17.2%)時屬于異常情況，就目前的釬焊參數、制造過程、檢測方法和檢測參數固定的情況下，當該型轉子釬焊批量出現導條端面缺陷檢測結果占比高于43%時，應對釬焊過程進行分析，控制釬焊工藝。

圖11 缺陷占比正態分布

表1 大于數學期望3倍標準差的界限值

2 結語

通過設計并制作相控陣超聲檢測用勻速旋轉工裝及探頭夾持裝置，有效避免了手動檢測人為因素的影響，根據該型轉子端環導條尺寸結構，設計了垂直聲束一次覆蓋全部導條端面的相控陣超聲探頭，固定檢測參數及工裝旋轉速度后，對100臺該型轉子進行了掃查，積累了檢測數據，另外對一臺轉子進行了解剖試驗，就解剖后導條端面的實際缺陷大小與相控陣超聲檢測出的缺陷數據進行分析，制定出了該型轉子焊接質量的檢測規范。該質量控制規范也可用于結構和尺寸相同的其他轉子的釬焊質量監控。對于同一工藝下批量生產的零部件，可采用上述檢測分析方法進行異常監控分析。