動車轉向架側梁對接焊縫缺陷相控陣超聲定位

姜鴻鵬， 邱國云， 張澤勇， 侯 凱， 陳 堯

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111; 2.南昌航空大學，江西 南昌 330063)

0 引 言

作為動車組關鍵核心部件，轉向架的性能和質量的良莠決定了機車的速度上限、平穩性和舒適性。動車轉向架的主要部件均為焊接結構，因此焊接質量對機車的安全運營起到至關重要的影響[1-3]。按照相關規范，轉向架在生產、運營中需要采用適當的無損檢測方法對焊縫內部缺陷進行探傷，以確保轉向架的安全運行[4]。

超聲檢測是目前檢測轉向架焊縫內部缺陷的主要手段[5-7]。轉向架眾多焊接結構中，側梁曲面焊縫為圓管對接結構。由于圓管結構中曲率的存在使得探頭所發聲束的傳播路徑發生改變，造成缺陷回波位置的嚴重畸變，導致常規超聲檢測方法的缺陷定位誤差無法反映缺陷的真實位置，為轉向架圓管對接焊縫的質量安全埋下隱患[8]。

圓管對接焊縫受曲率影響，其缺陷定位與平板對接焊縫不同[9-11]。為了保證圓管結構與探頭耦合質量，需要對斜楔塊進行打磨，使楔塊底面曲率與圓管結構外壁曲率一致。一般來說，采用斜楔塊搭配相控陣探頭檢測平板對接焊縫時，缺陷定位可由缺陷的實際深度和缺陷的實際水平距離來表示[12]。但圓管對接焊縫曲率的存在，其缺陷定位參數應該由缺陷的徑向深度和缺陷到探頭前沿的弧長表示。目前，已有相關學者對圓管結構進行以A型掃描信號為基礎的常規超聲檢測缺陷定位研究[13]。在對圓管結構內缺陷定位時，必須根據缺陷反射信號獲得聲程。但常規超聲探傷儀的A型信號相對復雜、讀取不直觀，根據A型信號分析缺陷位置時易產生誤判[14]。此外，楔塊打磨后探頭前沿會發生變化[15]，但相控陣超聲檢測技術受此影響較小。因此，本文將使用相控陣超聲檢測技術對圓管對接焊縫內部缺陷進行定位。

本文針對圓管對接焊縫的常規超聲檢測局限性，提出一種基于相控陣超聲檢測視圖的圓管對接焊縫內部缺陷定位修正方法。依據缺陷定位誤差模型推導出圓管對接焊縫缺陷定位修正公式。通過對直徑371 mm圓管對接焊縫內部缺陷進行35°～67°扇形掃查，從相控陣扇掃視圖讀取折射角、聲程，結合工件厚度和外壁半徑算得缺陷的深度和缺陷到探頭前沿的弧長。最后，將上述公式算得的缺陷定位參數與試塊內部缺陷實際位置進行對比。

1 原 理

1.1 一次波缺陷定位

一次波定位示意圖如圖1所示。探頭在曲面外側作周向探測時發現缺陷F，缺陷F的位置由離開外圓面垂直距離CF=H和外圓弧長表示，A為探頭聲束入射點，O為圓心。弧長根據所對應圓心角θ求出，垂直距離H由外壁半徑R間接求出。

相控陣儀器顯示的數據中，由于曲面的存在，讀出的深度距離和水平距離為平板中的對應距離，曲面測量值存在誤差。而顯示的聲程則不會因為曲面存在而改變，故利用儀器中的聲程s進行缺陷定位。如圖1所示，在ΔAOF中，利用余弦定理可得，OF表示為

根據正弦定理，θ的表達式寫作

由上述關系，可推導出缺陷的深度和距探頭前沿距離，具體表示為

1.2 二次波缺陷定位

二次波定位示意圖如圖2所示。缺陷定位與一次波相同，以缺陷離開外圓面距離H和外圓弧長L'表示。

圖2 二次波檢測曲面構件缺陷定位

假設探頭聲束入射點位置為A，內壁反射點為B，缺陷點為F，圓心為O。工件厚度為T，曲面工件外半徑為R，內半徑為r=R–T，掃查線上折射角度為β，內壁反射角度為β'，弧長L'對應的圓心角為φ+θ。圓心到缺陷的距離為p，探頭到缺陷的聲程為s，一次波到底面的聲程為s1，內壁反射點到缺陷的聲程為s2。

由于二次波儀器中深度位置讀出與實際不符，采用聲程s進行定位。則定位計算公式可由以下公式得出。

在ΔAOB中，根據余弦定理可得反射角β'為

因此，由式 (3)～(4)、(10)～(11)可知，當已知某掃查線折射角β、聲程s和外壁半徑R，就可求得曲面工件中缺陷深度H和弧長L'進行缺陷定位。

2 實 驗

2.1 儀器試塊

實驗所用相控陣超聲探傷儀為奧林巴斯公司生產的OmniScan MX2，采用型號為5L16-A10P的相控陣超聲檢測探頭。轉向架曲面構件原件中直徑為371 mm，厚度為14.3 mm，匹配型號為 SA10-N55S-H-COD342的曲面楔塊，楔塊底面曲率與側梁曲面對接焊縫試塊外壁曲率一致，如圖3所示。

圖3 探頭及楔塊

分別在不同曲面焊縫試塊中加工埋深11 mm的Φ1 mm邊鉆孔缺陷1、深度1 mm的表面切槽缺陷2和深度5 mm的表面切槽缺陷3，試塊缺陷加工示意圖如圖4所示。具體尺寸如表1和表2所示。

圖4 曲面焊縫試塊缺陷加工示意圖

表1 缺陷1加工參數

表2 缺陷2、3加工參數

2.2 檢測方法

將超聲相控陣探頭置于試塊上，通過橫波斜入射法對上述3種缺陷進行檢測。檢測邊鉆孔缺陷1時聚焦深度設置為12.0 mm，檢測表面切槽缺陷2、3時聚焦深度設置為28.6 mm，扇掃描角度設置為35°～67°，增益設置為 35.0 dB，聚焦方式采用真實深度。選定相關檢測參數后，以機油作為耦合劑。觀測并記錄扇掃描圖像以及相關參數DA、SA、掃查線角度β。掃查線角度β在扇掃角度范圍內選取35°、39°、43°、47°、51°、55°、63°作為記錄線。

孔類缺陷的讀數均將角度線光標定在幅值最大處讀取。由于1 mm切槽埋深較小，上下尖端無法清晰地分離，因此對于1 mm的切槽讀取上尖端幅值最大處參數。對于5 mm表面切槽的讀數將角度線光標定在下尖端幅值最大處讀取，如圖5所示。下述讀數結果可能會因為人工測量存在細微誤差，對于研究整體變化趨勢可忽略。

圖5 孔類和表面切槽類缺陷讀數

2.3 定量計算

如圖6所示，儀器上所顯示的角度光標值即折射角β，儀器上顯示的SA值為聲程s，儀器上顯示的DA值為缺陷深度，儀器上顯示的PA值為楔塊前沿到缺陷的水平距離。

圖6 一次波檢測曲面構件缺陷定位

將折射角 β和聲程s代入公式 (3)、(4)、(9)、(11)，可得到一次波和二次波修正定位后的缺陷深度H和弧長L'。但相控陣探傷儀多角度扇掃描檢測曲面構件時無唯一前沿，因此經人工測量得到的楔塊前沿至缺陷外圓的弧長L要比探頭前沿至缺陷外圓的弧長L'小。預測這種工況下，上述兩弧長的差異在3～6 mm范圍內。

3 結果及分析

3.1 一次波缺陷定位試驗結果

以孔類缺陷為例，圖7為深度11 mm邊鉆孔在不同扇掃描視圖中的一次波檢測結果。表3為一次波檢測埋深11 mm的Φ1 mm邊鉆孔缺陷時得到的定位結果。

圖7 孔類缺陷不同角度的一次波檢測結果

由表3可知，當采用公式(3)修正后，在35°～51°范圍內，H值與 11 mm的誤差在–0.26～0.5 mm范圍內，缺陷深度定位誤差較小。當掃查角度為55°時，H值與11 mm的誤差已經大于1 mm，與實際深度值偏差較大，不利于缺陷定位。經測量，在35°～51°范圍內，楔塊前沿至缺陷外圓的弧長L與探頭前沿至缺陷外圓的弧長L'值的差異在3～5 mm范圍內。

表3 埋深11 mm邊鉆孔一次波定位結果

3.2 二次波缺陷定位試驗結果

以孔類缺陷為例，圖8為深度11 mm邊鉆孔在不同扇掃描視圖中的二次波檢測結果。表4～表6為二次波分別檢測孔類和表面切槽類缺陷時得到的定位結果。從表4可以看出，隨著掃查角度的增大，儀器顯示的DA值逐漸減小。當采用公式(9)后，儀器中的DA誤差盡可能得到了修正，H值與實際深度逐漸接近。

圖8 孔類缺陷不同角度的二次波檢測結果

表4 埋深11 mm邊鉆孔二次波定位結果

表5 深1 mm表面切槽二次波定位結果

表6 深5 mm表面切槽二次波定位結果

當掃查角度為55°時，缺陷回波較弱，但在35°～51°范圍內，H值與 11 mm 的誤差在–0.57～0.21 mm之間，缺陷深度誤差均小于1 mm。此外，在35°～51°范圍內，楔塊前沿至缺陷外圓的弧長L與探頭前沿至缺陷外圓的弧長L'值的差異在3～4 mm范圍內。

由表5可知，當掃查近表面1 mm切槽時，隨著掃查角度的增大，儀器顯示的DA值逐漸增大。51°之后，DA值與實際深度偏差明顯增大。當采用公式(9)修正后，H值應與實際上尖端位置0進行比較，35°～47°范圍內，算得H值與 0的誤差在 0.32～0.84 mm范圍內。而對于5 mm的表面切槽，H值應與5 mm位置進行比較，結果如表6所示。35°～47°范圍內測得深度5 mm切槽H值與5 mm的誤差在–0.54～–0.88 mm 范圍內。綜上，在 35°～47°范圍內，兩類表面切槽的H值與實際深度的誤差絕對值也均小于1 mm。而在51°之后，深度誤差絕對值大于1 mm。在35°～55°范圍內，兩類表面切槽缺陷到楔塊前沿的弧長L與缺陷到探頭前沿的弧長L'值的差異也在3～5 mm范圍之內，如圖9所示。

圖9 三種缺陷不同角度下的弧長誤差

4 結束語

1）當檢測曲面構件時，相控陣儀器上顯示的缺陷位置與實際缺陷位置存在誤差。當采用一次波檢測時，所測深度值將會大于實際深度，且隨著角度增大而增大。當采用二次波檢測時，所測深度將會小于實際深度，隨著角度增大而減小。

2）利用本文公式修正后，修正值在一定角度范圍內接近于實際缺陷位置。

3）在本文實驗條件下，扇掃角度為 35°～51°范圍時，修正值與實際值的缺陷深度誤差在1.72 mm以內，當扇掃角度大于51°時，修正公式的誤差增大。為了保證獲得較小誤差的缺陷位置，扇掃的角度范圍不宜過大，盡量保持在50°范圍以內。

4）修正公式獲得弧長為探頭前沿到缺陷的弧長距離，并非楔塊前沿到缺陷的弧長距離。在35°～51°扇掃角度范圍內，一次回波和二次回波測得缺陷弧長差異均在3～5 mm范圍內。