軌道車輛焊縫缺陷遠場渦流檢測系統設計及試驗研究

徐德衍，丁亞萍，孟 鶴，郭永康，宋 凱

(1.中車南京浦鎮車輛有限公司，江蘇 南京 210031; 2.南昌航空大學 無損檢測技術教育部重點實驗室，江西 南昌 330063)

0 引 言

軌道車輛車體主要由鋁合金焊接構件和不銹鋼焊接構件組成[1-2]如圖1所示。由于長期工作在惡劣環境下，焊接構件焊縫區域內部極易形成疲勞裂紋和應力腐蝕裂紋，為行車安全埋下隱患[3-5]。為保證軌道車輛工業的高質量發展，確保軌道車輛安全行駛，研發一種快速、可靠的軌道車輛焊縫區域埋深缺陷無損檢測方法具有重要意義[6-7]。

圖1 軌道車輛焊縫結構圖

近年來，眾多學者以及研究人員在焊縫缺陷檢測評估領域做了很多研究，采用相關無損檢測技術開展了焊縫的檢測工作。邢艷亮等[8]基于超聲檢測法開展了鋼襯墊單面焊雙面成形焊縫的檢測工作，通過辨別反射回波的來源，分析回波的傳播路徑和反射特性，提出了判斷真假回波信號的方法，對鋼襯墊焊縫的超聲波檢測具有一定的指導意義。但超聲檢測存在一定盲區且需要耦合劑。Hamade等[9]采用基于X射線的計算機斷層攝影（CT）和Otsu閾值處理方法，實現了鋁合金攪拌摩擦焊搭接接頭的缺陷檢測，成功識別了焊縫缺陷的位置和類型，通過提取的3D模型可確定缺陷的體積。然而射線檢測對人體的危害限制了其應用場合。

遠場渦流檢測（remote field eddy current testing，RFECT）是可實現埋深缺陷檢測的渦流檢測新技術，具有操作便捷，無需耦合劑等優點[10-11]，適用于軌道車輛車體鋁合金焊縫和不銹鋼焊縫表面及埋深缺陷的檢測。鄒建偉等[12]使用遠場渦流檢測技術開展了小徑管對接焊縫檢測工作，總結了不同缺陷的信號特征和相應的規律，研究表明對于壁厚為5 mm的管焊縫最佳激勵頻率范圍為70～300 Hz。隨著傳統渦流和新興渦流檢測方法的發展和應用，一些學者也開展了多頻渦流、脈沖渦流等方法的焊縫缺陷檢測工作[13-14]，但使用遠場渦流方法開展焊縫缺陷檢測工作的并不多見。

本文首先分析了RFECT的原理，搭建了焊縫缺陷RFECT系統，開展了軌道車輛車體不銹鋼焊縫和鋁合金焊縫埋深缺陷RFECT試驗研究，為使用遠場渦流檢測焊縫埋深缺陷提供理論和技術支持。

1 RFECT原理

遠場渦流檢測與渦流檢測相似，基于電磁感應現象實現缺陷的檢測。如圖2所示，屏蔽層阻斷了直接耦合通道的磁場傳播，檢測單元無法拾取到激勵單元激發的近場區域的磁場信號。由激勵單元激發的穿過被檢構件的遠場區域的磁場信號，通過間接耦合通道被檢測單元拾取。遠場區域的磁場信號攜帶有被檢構件的內部信息，以此實現金屬構件埋深缺陷的檢測。

圖2 遠場渦流檢測原理圖

遠場渦流激勵頻率較低，時變渦旋電場產生的位移電流可忽略。圖2中激勵單元的空間電磁場可用麥克斯韋方程進行概括：

式中：H——磁場強度；

J——電流密度；

E——電場強度；

B——磁感應強度；

D——電通密度。

引入矢量磁位A可得：

將式（5）代入式（2）可得：

將式（6）代入式（1）可得：

式（8）描述了激勵單元附近的遠場渦流擴散現象，其中μ和σ為被檢構件的磁導率和電導率。

對于時諧磁場，式（8）可簡化為：

在軸對稱情況下，式（9）可簡化為：

式中：r、z——圓柱坐標系的基矢量；

ω——角頻率。

根據式（5）、（10）可求出磁感應強度B，再由電磁感應定律可求得感應單元的電壓值，則根據感應單元電壓值的變化可實現金屬構件的缺陷檢測。

2 焊縫遠場渦流探頭設計

焊縫缺陷遠場渦流檢測系統的靈敏度主要取決于所設計的遠場渦流探頭。為了檢測焊縫構件埋深缺陷，激勵線圈激發的磁場就必須滲透至構件內部，因此激勵線圈的放置方式非常重要。檢測線圈主要拾取與其垂直的磁場，在檢測線圈參數已定的情況下，檢測信號和檢測線圈的放置方式密切相關。激勵線圈平行于構件放置，這種放置方式下激勵磁場將垂直于構件向下滲透從而有利于增加滲透深度。檢測線圈立放有利于減小由焊縫魚鱗紋所引起的噪聲信號。設計焊縫缺陷遠場渦流探頭如圖3所示。

圖3 焊縫缺陷遠場渦流探頭設計圖

焊縫遠場渦流探頭采用硅鋼和鐵氧體PC40分別作為檢測線圈和激勵線圈的磁芯。其激勵線圈及檢測線圈的參數如表1所示。

表1 線圈參數

2.1 遠場渦流探頭檢測靈敏度驗證

為驗證所研制探頭的檢測靈敏度，在對焊縫缺陷檢測前對與母材材質相同的試塊進行檢測，檢測對象為厚度6 mm的鋁合金平板，平板表面加工有5 mm×0.13 mm×1 mm的裂紋，試塊如圖4、5所示。將探頭放置在缺陷背面進行檢測，得到檢測信號的幅值如圖6所示。對比無缺陷處信號與缺陷處信號可清晰識別缺陷信號特征，所研制的焊縫遠場渦流探頭具備檢測6 mm埋深下，尺寸為5 mm×0.13 mm×1 mm裂紋的能力。

圖4 鋁合金平板試塊設計圖（單位：mm）

圖5 鋁合金平板試塊實物圖

圖6 檢測信號

為確認遠場渦流檢測探頭對不銹鋼埋深缺陷的檢測能力，開展不銹鋼平板埋深缺陷的檢測試驗，不銹鋼平板試塊示意圖如圖7、8所示。不銹鋼平板試塊的尺寸為：長度350 mm、寬度200 mm、厚度5 mm，平板表面加工有尺寸20 mm×1mm×1 mm的裂紋，將探頭放置在缺陷背面進行檢測，檢測結果如圖9所示。結合圖9可知，探頭具備對不銹鋼試塊埋深4 mm，尺寸20 mm×1 mm×1 mm裂紋的檢測能力。

圖7 不銹鋼平板試塊設計圖（單位：mm）

圖8 不銹鋼平板試塊實物圖

圖9 檢測信號

3 遠場渦流檢測系統

焊縫缺陷遠場渦流檢測系統如圖10所示，主要由硬件系統、檢測探頭、軟件系統組成。

圖10 焊縫缺陷遠場渦流檢測系統

硬件系統主要包括激勵模塊，信號調理模塊和信號采集模塊。激勵模塊用于產生激勵信號以驅動檢測探頭，主要由信號發生器和功率放大器組成。其中信號發生器基于AD9854芯片設計，功率放大器基于LM6321設計。信號調理模塊用于檢測信號的放大和實部分量、虛部分量的獲取，主要由前置放大器、相敏檢波模塊、可調增益放大模塊、信號采集模塊組成。其中相敏檢波電路基于AD630芯片和運算放大器OPA2111搭建，可調增益放大電路基于儀表放大器AD623搭建。信號采集模塊用于檢測信號的采集及模數轉換，并通過串口方式將數字信號傳輸至上位機軟件，該模塊主要由USB-4711A型采集卡組成。檢測探頭為遠場渦流探頭，可實現焊縫埋深缺陷的檢測，檢測對象為含有埋深缺陷的焊縫試塊。軟件系統可完成檢測信號波形顯示及信號相關處理，處理后的檢測信號以阻抗圖的形式顯示。軟件基于NI公司的LabVIEW2016編制，可根據實部分量、虛部分量計算信號的幅值和相位，并具有智能回零、相位旋轉、閾值報警、實部虛部比例設置、數字濾波等功能。軟件前面板界面如圖11所示，主要由以下6個模塊組成：波形顯示、數據顯示、濾波參數、閾值報警、參數設置、控制模塊。

圖11 軟件前面板界面

軟件的后面板程序設計是整個軟件的核心部分，決定了前面板界面各個功能的實現。運行LabVIEW程序后，軟件處于待機狀態，完成參數設置后可開始檢測任務。檢測過程中實現波形顯示，數據顯示以及閾值報警。完成檢測任務后可根據需要進行數據的保存，下面主要介紹后面板程序中3個主要功能的實現結果。

1）智能回零功能

遠場渦流檢測通過缺陷與無缺陷信號的差別來識別缺陷，通常先將檢測探頭放置在已知的無缺陷處，并以無缺陷處的檢測信號為基準。為了將無缺陷處的檢測信號設為基準，在后面板程序中添加了智能回零功能。

智能回零功能程序代碼包括布爾控件、條件結構、運算函數等。智能回零按鈕為布爾控件，按下的一瞬間其值為真，其他時刻均為假。智能回零鍵按下時刻，系統選定此時的數據為基準。

如表2所示，假設有連續的3個采樣時刻為時刻1、時刻2、時刻3，且其采集的原始數據分別為a、b、c。若時刻1智能回零鍵按下，則時刻1的采集數據設為基準，時刻2和時刻3的采集數據分別為b-a、c-a，且在時刻1采樣數據強制恢復為0，阻抗圖光點回到原點；若在時刻2智能回零鍵按下，則時刻2的采集數據設為基準，時刻1采集到的數據仍為a，時刻3采集到的數據為c-b，且在時刻2采樣數據強制恢復為0，阻抗圖光點回到原點；若在時刻3智能回零鍵按下，則時刻3的采集數據設為基準，時刻1和時刻2的采集數據分別為a、b，且在時刻3采樣數據強制恢復為0，阻抗圖光點回到原點。后續的采樣時刻4至采樣時刻N的采樣數據都將減去時刻3的基準，然后進行其他處理。通過智能回零功能可實現基準點的選取和阻抗圖中光點回零的效果，在進行缺陷檢測時有利于識別出缺陷信號。

表2 智能回零功能結果

2）實部虛部比例設置功能

使用遠場渦流進行缺陷檢測時，同一缺陷所引起的實部變化量和虛部變化量不相同。實部虛部的比例設置會影響阻抗圖的顯示效果，設置合適的實部虛部比例有利于區分缺陷信號與由焊縫魚鱗紋引起的噪聲信號，減小缺陷誤判率。

實部虛部比例設置功能包括比例值輸入控件、阻抗圖X軸和Y軸的調用節點。通過人為設定的實部虛部比例數值來達到更改阻抗圖中X軸和Y軸的數據范圍的效果，定義增益比=m/l，m為實部比例系數，l為虛部比例系數，其中坐標軸數據范圍為實部或虛部比例系數與缺陷信號幅值的乘積，當缺陷信號幅值不變時，實部或虛部比例系數放大或縮小n倍，則阻抗圖顯示的坐標軸數據范圍相應的縮小或放大n倍，從而達到“放大”實部虛部分量的目的。在不同增益比下對同一缺陷進行檢測，具體結果如圖12所示。

圖12 不同增益比時缺陷檢測結果

當增益比為1/1時，阻抗圖中X軸和Y軸最大值均為2 500，缺陷信號較小不利于缺陷的識別；當增益比為3/3時，阻抗圖中X軸和Y軸最大值均變為833.3，缺陷信號相比較為明顯，更容易識別缺陷；當增益比為5/1時，阻抗圖中X軸最大值變為500，Y軸最大值為2 500，雖然可以識別出缺陷信號，但信噪比非常低，容易造成缺陷的漏判；當增益比為1/5時，阻抗圖中X軸最大值為2 500，Y軸最大值變為500，此時缺陷信號較為明顯，信噪比最高，有利于識別出缺陷。

3）相位旋轉功能

對于不同的檢測對象、不同的缺陷種類，遠場渦流檢測信號的初始相位有較大的差別，將缺陷信號的相位調整到合適的位置，可以更好地區分缺陷信號與噪聲信號。

相位旋轉功能主要包括相位旋轉輸入按鈕、角度與弧度轉換函數、正弦與余弦計算函數、程序連接線。通過設定合適的相位旋轉角度，即可達到調節阻抗圖中檢測信號相位的目的。在實部、虛部比例相同，相位不同和實部、虛部比例不同，相位不同的情況下對同一缺陷進行檢測，具體結果如圖13所示。

由圖13可知，在實部、虛部比例相同的情況下，相位為0°和90°時的檢測信號特征相同，但相位為90°時更容易區分缺陷信號和噪聲信號，有利于識別缺陷；在實部、虛部比例不同的情況下，相位為0°時雖然可以區分出缺陷信號，但信噪比較低，相位為90°時，缺陷信號非常明顯，信噪比最高，可以很好地識別出缺陷。由上述分析可知，根據缺陷信號的特征設置合適的相位旋度數，有利于識別缺陷信號，提高檢測信噪比。

圖13 不同相位時缺陷檢測結果

4 焊縫缺陷RFECT試驗研究

4.1 鋁合金焊縫試驗研究

鋁合金焊縫區域除了存在焊縫余高的，熔合區內材料屬性會發生變化，并且存在殘余應力，這些因素都會對遠場渦流檢測結果造成影響。基于RFECT檢測系統開展了鋁合金焊縫埋深缺陷檢測試驗研究。鋁合金焊縫試塊如圖14、15所示，試塊長度為350 mm、寬度為200 mm、厚度為3 mm。焊縫區域存在魚鱗紋，試塊背面通過電火花加工有尺寸為10 mm×1 mm×1 mm的裂紋。將探頭放置在焊縫正面，平行于焊縫掃查，如圖16所示。采用焊縫平面遠場渦流分別檢測焊縫試塊無缺陷處和帶缺陷處，結果如圖17所示。

圖14 鋁合金焊縫試塊

圖15 鋁合金焊縫加工圖紙（單位：mm）

圖16 探頭掃查方式示意圖

圖17 鋁合金焊縫試塊檢測結果

分析圖17可知，無缺陷處檢測信號的實部和虛部均有一定的變化，焊縫余高的存在會對遠場渦流檢測信號造成一定的干擾。無缺陷處檢測信號機缺陷處檢測信號存在明顯的幅值及相位差異，所研制的焊縫遠場渦流探頭具備檢測試塊上埋深3 mm，尺寸為10 mm×1 mm×1 mm裂紋的能力。

4.2 不銹鋼焊縫試驗研究

不銹鋼的焊接性相對較差，焊縫熔合區更易發生較大的材料特性轉變。基于RFECT檢測系統開展了不銹鋼焊縫埋深缺陷檢測試驗研究。不銹鋼焊縫試塊如圖18所示，試塊長300 mm、寬210 mm、厚度為5 mm，焊縫區域存在魚鱗紋，試塊背面焊縫區域通過電火花加工有尺寸為20 mm×1 mm×2 mm的裂紋。將探頭放置在焊縫正面進行檢測，檢測結果如圖19所示。

圖18 不銹鋼焊縫試塊

圖19 不銹鋼焊縫試塊檢測結果

分析圖19可知，無缺陷處檢測信號的實部分量和虛部分量都有相應的變化，不銹鋼焊縫熔合區和焊縫余高的共同作用，對遠場渦流檢測信號造成干擾。所研制的探頭可實現焊縫處埋深為5 mm，尺寸為20 mm×1 mm×1 mm裂紋的檢測。

4.3 焊縫余高對檢測的影響

焊縫余高存在使探頭無法緊貼被檢構件焊縫區域，同時為了降低焊縫余高對檢測結果的影響，需要在檢測探頭有一定的提離高度時開展焊縫檢測試驗。為了驗證探頭提離高度對靈敏度的影響，開展了不同提離高度下的相同缺陷的檢測試驗研究，對不銹鋼焊縫試塊進行檢測，具體結果如圖20所示。

圖20 不同提離高度時缺陷檢測結果

分析上圖可知，探頭提離高度為0～8 mm時，均可識別出缺陷信號，隨著提離高度的增加，電壓值的變化量減小，靈敏度降低。探頭提離高度為0 mm（無提離）時，電壓值變化量為0.039 V；探頭提離高度為2 mm時，電壓值變化量為0.033 V，與無提離時相比靈敏度下降了15%；探頭提離高度為4 mm時，電壓值變化量為0.023 V，與無提離時相比靈敏度下降了41%；探頭提離高度為6 mm時，電壓值變化量為0.017 V，與無提離時相比靈敏度下降了56%；探頭提離高度為8 mm時，電壓值變化量為0.01 V，與無提離時相比靈敏度下降了74%。為了充分發揮檢測探頭本身的檢測靈敏度，結合被檢焊縫的余高尺寸，確定開展焊縫檢測試驗時，探頭提離高度范圍為 0～2 mm。

5 結束語

基于遠場渦流檢測原理，研制了遠場渦流檢測系統。硬件電路模塊實現了探頭的驅動和檢測信號的處理；上位機軟件實現了檢測信號的波形顯示，并具有相位旋轉、智能回零、實部虛部比例設置等功能。開展了軌道車輛鋁合金焊縫、不銹鋼焊縫埋深缺陷檢測試驗研究。研究表明，基于遠場渦流焊縫缺陷檢測系統，可實現鋁合金焊縫埋深3 mm、尺寸為10 mm×1 mm×1 mm裂紋檢測與不銹鋼焊縫埋深5 mm、尺寸為20 mm×1 mm×2 mm裂紋檢測。對于不銹鋼焊縫檢測，由于受焊縫余高的影響，檢測時探頭可在0～2 mm范圍內提離。