軌道車輛鋁合金焊縫埋深缺陷遠場渦流檢測試驗研究

范欽磊，戴忠晨，陳 菲，張洪逵，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

鋁合金由于具有良好的強度、韌性及塑性等特點，被廣泛應用于軌道車輛、航空航天和壓力容器等領域[1-2]。軌道車輛地板主要由鋁合金焊接構件組成，由于焊接質量以及惡劣的服役環境影響，鋁合金地板焊縫部位容易出現危害性缺陷[3-5]。為預防安全事故的發生，保障軌道車輛安全運行，需及時對軌道車輛鋁合金地板焊縫部位進行無損檢測[6-7]。

目前，針對軌道車輛鋁合金構件的無損檢測，國內外的學者已經開展了眾多的相關研究。王天等[8]采用X 射線探傷法對軌道車輛的鋁合金墊板進行檢測，根據射線底片上的顯示形態特征可有效區分各類焊接缺陷與偽缺陷，但射線檢測存在輻射危害，且檢測時需拆卸構件，無法完成在役檢測。邢艷亮等[9]針對帶墊板的單面焊雙面成形焊縫的缺陷檢測，通過分析超聲檢測時出現的真假反射回波信號，可識別焊縫真假缺陷，但超聲檢測存在一定盲區且需要耦合劑。王常璽等[10]基于超聲相控陣C 掃描技術開展了長直薄板攪拌摩擦焊焊縫區域的缺陷檢測研究，驗證了對不同厚度薄板隧道型及未熔合缺陷的檢測能力，但脈沖寬度過寬容易導致檢測盲區變大。上述無損檢測方法存在各自優勢，但仍舊無法有效在役檢測軌道車輛鋁合金地板焊縫區域埋深缺陷。

遠場渦流檢測克服了常規渦流的趨膚效應，可實現埋深缺陷檢測，具有對探頭提離不敏感、無需耦合劑等優點，對軌道車輛鋁合金地板焊縫區域埋深缺陷檢測具有巨大優勢。夏布禮[11]對鐵磁性管道遠場渦流檢測進行了計算與分析，總結了鋼管腐蝕和裂紋等不同種類缺陷對應相位差的變化規律。張偉等[12]基于脈沖遠場渦流技術開展了石油管道內檢測試驗研究，得出電壓負峰值更適合作為實際檢測中缺陷分析的特征量，提高了脈沖遠場渦流技術在管道檢測中的實用性。徐志遠等[13]基于遠場渦流檢測原理，針對管道彎頭部位，設計了一種在管外放置的遠場渦流傳感器，分析了內、外壁缺陷深度與檢測信號特征量的定量關系。崔文巖等[14]針對鐵磁性平板的檢測，設計了兩種結構激勵線圈模型，利用矩形線圈在平板中感生出定向傳播的磁場。胥俊敏等[15]基于遠場渦流檢測技術開展了鉚接結構缺陷檢測中遠場渦流傳感器的優化設計研究，從信號增強與磁場抑制兩方面入手，設計一種新型平板遠場渦流傳感器。然而，由于鋁合金地板結構復雜，焊縫區域干擾噪聲較大，上述文獻所使用的方法難以實施有效檢測。

本文基于遠場渦流檢測原理，對鋁合金地板焊縫埋深缺陷進行了遠場渦流檢測試驗研究，通過對比檢測線圈不同放置方式提高檢測信噪比，分析了激勵電壓及探頭提離高度對缺陷檢測靈敏度的影響，研究鋁合金地板焊縫埋深缺陷的檢測信號特征，并進行試驗驗證，試驗結果表明遠場渦流檢測技術可有效應用于軌道車輛鋁合金地板焊縫埋深缺陷的檢測。

1 檢測原理

遠場渦流檢測技術[16]最初應用于管道檢測中，傳統管道遠場渦流探頭結構采用激勵線圈與檢測線圈同軸放置的方式，檢測線圈放置于距離激勵線圈2～3 倍管內徑處。平面遠場渦流檢測原理類似于管道遠場渦流檢測，激勵線圈與檢測線圈呈異軸放置，激勵線圈通以低頻正弦信號，產生交變電磁場，電磁場能量通過直接耦合通道與間接耦合通道進行傳播，激勵線圈與檢測線圈之間加裝屏蔽阻尼用以阻斷直接耦合通道的磁場能量傳播，迫使激勵磁場能量向工件內部傳播，位于遠場區的檢測線圈拾取攜帶有被檢構件內部信息的二次場磁場能量變化，實現遠場渦流檢測效應。平面遠場渦流檢測原理見圖1。

圖1 平面遠場渦流檢測原理

將麥克斯韋第一方程兩邊求旋度可得遠場渦流的波動方程：

式中：H——磁場強度；

J——電流密度；

t——時間；

D——電位移矢量。

由于待檢構件材質為線性與各向同性，則

引入矢量恒等式：

其中μ 為磁導率，δ為電導率。

各向同性的線性介質中磁場強度H的波動方程一般形式如式（4）所示，亥姆霍茲定理指出，僅定義矢量旋度是不夠的，需對矢量磁位的散度進行定義，洛倫茲規范為：

式中：ω——角頻率；

A——矢量磁位；

φ——標量電位函數。

由于圓柱坐標系下矢量磁位A僅存在圓周方向分量，因此式（6）可表示為：

其中r、z為圓柱坐標系的基向量。根據法拉第電磁感應定律可求得檢測線圈的電壓值為：

式中：ψ——通過線圈的磁通量；

n——線圈匝數；

s——線圈截面積；

B——磁感應強度。

由式（8）可以發現檢測線圈的感應電壓U與B成線性關系，因此可通過U的變化判斷被檢構件有無缺陷或其他異常。

2 檢測靈敏度優化

搭建如圖2 所示的遠場渦流檢測系統，檢測系統主要包括信號發生器、濾波器、鎖相放大器以及計算機等。信號發生器為激勵線圈提供正弦激勵信號，檢測線圈拾取構件內部二次場信息后，經過放大及濾波處理后進入鎖相放大器，最后由計算機提取檢測線圈感應電壓變化信號特征。

圖2 遠場渦流檢測系統

為優化遠場渦流探頭檢測靈敏度，制作鋁合金平板焊縫試塊，試塊尺寸為300 mm×150 mm×8 mm，將焊縫余高打磨平整，并在試塊背面焊縫中心處加工直徑?1 mm、埋深3 mm 的盲孔，使用遠場渦流探頭平行于焊縫方向進行掃查，掃查方式見圖3。

圖3 掃查方式

2.1 檢測線圈放置方式優化

被檢構件內部信息由檢測線圈的感應電壓變化表征，檢測線圈的放置方式與缺陷檢測靈敏度及信噪比密切相關。為對比檢測線圈的放置方式對檢測信號的影響，設計如圖4 所示3種探頭結構，其中激勵線圈采用圓形結構，其內徑為4 mm，壁厚為2 mm，高度為3 mm，激勵線圈軸線均垂直于探頭檢測面，檢測線圈采用矩形結構，其內長×內寬為8 mm×4 mm，壁厚為1.5 mm，高度為4 mm，探頭A檢測線圈軸線垂直于探頭檢測面，探頭B 檢測線圈軸線平行于探頭檢測面且垂直于激勵-檢測線圈連線方向，探頭C 檢測線圈軸線平行于探頭檢測面且平行于激勵-檢測線圈連線方向。采用3種探頭結構對鋁合金平板焊縫試塊直徑為?1 mm、埋深為3 mm 的盲孔進行檢測，激勵頻率為800 Hz，激勵電壓為8 V，不同檢測線圈放置方式檢測結果見圖5。

圖4 不同檢測線圈放置方式示意圖

分析圖5 可知，當檢測線圈軸線平行于探頭檢測面且平行于激勵-檢測線圈連線方向放置時，檢測靈敏度達到最大，其中探頭C 的虛部電壓值變化量為804.3 mV，分別是探頭A、B 的1.38 倍、4.69 倍。為進一步體現缺陷信號特征，使用探頭C 采集焊縫及母材無缺陷處噪聲信號，對比焊縫上直徑為?1 mm、埋深3 mm 的盲孔缺陷檢測信號，有無缺陷時遠場渦流檢測信號對比結果如圖6 所示。

圖5 不同檢測線圈放置方式檢測結果

圖6 有無缺陷時遠場渦流檢測信號對比

由圖可知，母材區域表面光滑平整材質均勻，無缺陷處噪聲信號變化量較小，焊縫區域雖然將余高打磨平整，但仍受焊縫及熱影響區組織不均影響，無缺陷處存在一定噪聲干擾信號，其虛部電壓值變化量為182.2 mV，對比盲孔缺陷的虛部電壓值變化量，可以發現焊縫處缺陷檢測信噪比達4.41 dB，說明有無缺陷時遠場渦流檢測信號區分明顯。

2.2 激勵電壓優化

遠場渦流檢測由激勵線圈通電產生交變電磁場，激勵電壓大小直接影響交變電磁場能量的滲透深度以及檢測電壓是否飽和，因此需對激勵電壓進行參數優化。使用探頭C 對鋁合金平板焊縫試塊直徑為?1 mm、埋深為3 mm 的盲孔進行檢測，激勵頻率為800 Hz，對比激勵電壓分別為6，8，10 V 時缺陷檢測效果，不同激勵電壓檢測結果如圖7 所示。

圖7 不同激勵電壓檢測結果

由圖可知，激勵電壓為6～10 V 時，缺陷均可檢出且缺陷檢測信號幅值隨激勵電壓的增加而呈上升趨勢。激勵電壓為10 V 時，檢測效果達到最佳，其虛部電壓變化量為992 mV，相比激勵電壓為8 V時檢測靈敏度增加了18.9%，相比激勵電壓為6 V時檢測靈敏度增加了38.9%，可見增加激勵電壓可以提高檢測靈敏度，但激勵電壓并非越大越好，激勵電壓增大同時會導致線圈飽和及發熱等問題，因此最終確定激勵電壓為8 V。

2.3 提離高度優化

雖然構件表面焊縫余高已經打磨平整，但由于實際工況中現場打磨無法保證焊縫表面一定光滑平整，探頭緊貼表面檢測時可能會產生晃動提離，干擾缺陷信號判斷，因此為驗證探頭提離對缺陷檢測靈敏度影響，在激勵信號800 Hz、8 V 情況下，采用探頭C 對鋁合金平板焊縫試塊直徑?1 mm、埋深為3 mm 的盲孔進行檢測，對比無提離以及提離1～3 mm 時缺陷檢測效果，不同提離高度檢測結果見圖8。

圖8 不同提離高度檢測結果

由圖可知，隨著探頭提離高度的增加，缺陷信號幅值呈現下降趨勢，探頭無提離時虛部電壓值變化量為804.3 mV，當探頭提離高度以1 mm 為步進由0 mm 增加至3 mm 時，虛部電壓值變化量分別下降了14.4%、29.8%和40.1%，對比探頭無提離與提離1 mm 時的虛部電壓值變化量，可以發現雖然探頭提離1 mm 時虛部電壓值變化量下降了14.4%，但對缺陷仍具有較好的檢測能力，同時探頭提離1 mm 可以排除焊縫表面打磨不平引起的噪聲信號干擾，因此選擇提離高度1 mm 作為后續研究。

3 鋁合金地板焊縫檢測試驗

為驗證優化后探頭對軌道車輛鋁合金地板焊縫區域的檢測能力，利用地板實際構件制作如圖9（a）所示的鋁合金地板焊縫試塊，試塊尺寸為640 mm×125 mm，將試塊表面焊縫余高打磨平整，并在試塊背面焊縫中心處加工3 個盲孔缺陷，加工示意圖如圖9（b）所示，盲孔缺陷尺寸參數見表1。由于焊縫區域左右側均存在加強筋，探頭掃查方向偏離時容易產生干擾信號，影響缺陷判斷，因此設計定位工裝使探頭沿焊縫中心勻速向前掃查（圖10）。采用上述遠場渦流檢測系統及定位工裝檢測鋁合金地板焊縫試塊，使用探頭C 提離1 mm 對直徑?1 mm、埋深3 mm 的盲孔進行檢測，激勵電壓為8 V，對比激勵頻率分別為600，700，800，900，1000 Hz 時缺陷檢測效果，不同激勵頻率檢測結果見圖11（a），不同激勵頻率虛部電壓值變化量對比結果見圖11（b）。

圖9 鋁合金地板焊縫試塊

表1 盲孔缺陷尺寸參數

圖10 定位工裝

分析圖11 可知，在激勵頻率600～1000 Hz 范圍內，試塊背面盲孔缺陷檢測信號均呈現單峰狀態，且激勵頻率在600～800 Hz 范圍內缺陷檢測靈敏度隨著激勵頻率的增加而提高，在800～1000 Hz 范圍內缺陷檢測靈敏度隨著激勵頻率的增加而降低，當激勵頻率為800 Hz 時虛部電壓值變化量達到最大。

圖11 不同激勵頻率對比結果

進一步驗證優化后探頭對不同埋深缺陷的檢測能力，使用探頭C 提離1 mm 檢測缺陷1#、缺陷2#和缺陷3#，激勵頻率為800 Hz，激勵電壓為8 V，檢測線圈感應電壓變化經由鎖相放大器提取，不同缺陷埋深檢測結果如圖12 所示。

圖12 不同缺陷埋深檢測結果

由圖可知，盲孔缺陷埋深越淺，檢測信號虛部電壓值變化量越大，盲孔缺陷埋深為1，2，3 mm 的虛部電壓值變化量分別為1211.3，949.7，671.4 mV，當盲孔缺陷埋深以1 mm 為步進由1 mm 遞增至3 mm 時，其虛部電壓值變化量分別減小了21.6%、44.6%。試驗結果表明遠場渦流檢測技術可有效檢測軌道車輛鋁合金地板焊縫埋深缺陷。

4 結束語

當激勵線圈軸線垂直于探頭檢測面、檢測線圈軸線平行于探頭檢測面且平行于激勵-檢測線圈連線方向放置時，檢測靈敏度達到最大。激勵電壓為6～10 V 時，缺陷均可檢出且缺陷檢測信號幅值隨激勵電壓的增加而呈上升趨勢，為避免線圈飽和及發熱等問題，最終確定激勵電壓為8 V。隨著探頭提離高度的增加，缺陷信號幅值呈現下降趨勢，探頭提離1 mm 時對缺陷仍具有較好的檢測能力，同時可以排除焊縫表面打磨不平引起的噪聲信號干擾，因此選擇提離高度1 mm 作為后續研究。缺陷檢測靈敏度優化后探頭最佳激勵頻率為800 Hz，同時雖然缺陷信號隨盲孔埋深的增加呈現遞減趨勢，但優化后探頭可有效檢測鋁合金地板焊縫試塊中直徑?1 mm、埋深3 mm 的盲孔，表明遠場渦流檢測技術可有效檢測軌道車輛鋁合金地板焊縫埋深缺陷。