动车转向架侧梁对接焊缝缺陷相控阵超声定位

2022-03-19姜鸿鹏邱国云张泽勇

中国测试 2022年2期

姜鸿鹏，邱国云，张泽勇，侯凯，陈尧

(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛 266111; 2.南昌航空大学，江西南昌 330063)

0 引言

作为动车组关键核心部件，转向架的性能和质量的良莠决定了机车的速度上限、平稳性和舒适性。动车转向架的主要部件均为焊接结构，因此焊接质量对机车的安全运营起到至关重要的影响[1-3]。按照相关规范，转向架在生产、运营中需要采用适当的无损检测方法对焊缝内部缺陷进行探伤，以确保转向架的安全运行[4]。

超声检测是目前检测转向架焊缝内部缺陷的主要手段[5-7]。转向架众多焊接结构中，侧梁曲面焊缝为圆管对接结构。由于圆管结构中曲率的存在使得探头所发声束的传播路径发生改变，造成缺陷回波位置的严重畸变，导致常规超声检测方法的缺陷定位误差无法反映缺陷的真实位置，为转向架圆管对接焊缝的质量安全埋下隐患[8]。

圆管对接焊缝受曲率影响，其缺陷定位与平板对接焊缝不同[9-11]。为了保证圆管结构与探头耦合质量，需要对斜楔块进行打磨，使楔块底面曲率与圆管结构外壁曲率一致。一般来说，采用斜楔块搭配相控阵探头检测平板对接焊缝时，缺陷定位可由缺陷的实际深度和缺陷的实际水平距离来表示[12]。但圆管对接焊缝曲率的存在，其缺陷定位参数应该由缺陷的径向深度和缺陷到探头前沿的弧长表示。目前，已有相关学者对圆管结构进行以A型扫描信号为基础的常规超声检测缺陷定位研究[13]。在对圆管结构内缺陷定位时，必须根据缺陷反射信号获得声程。但常规超声探伤仪的A型信号相对复杂、读取不直观，根据A型信号分析缺陷位置时易产生误判[14]。此外，楔块打磨后探头前沿会发生变化[15]，但相控阵超声检测技术受此影响较小。因此，本文将使用相控阵超声检测技术对圆管对接焊缝内部缺陷进行定位。

本文针对圆管对接焊缝的常规超声检测局限性，提出一种基于相控阵超声检测视图的圆管对接焊缝内部缺陷定位修正方法。依据缺陷定位误差模型推导出圆管对接焊缝缺陷定位修正公式。通过对直径371 mm圆管对接焊缝内部缺陷进行35°～67°扇形扫查，从相控阵扇扫视图读取折射角、声程，结合工件厚度和外壁半径算得缺陷的深度和缺陷到探头前沿的弧长。最后，将上述公式算得的缺陷定位参数与试块内部缺陷实际位置进行对比。

1 原理

1.1 一次波缺陷定位

一次波定位示意图如图1所示。探头在曲面外侧作周向探测时发现缺陷F，缺陷F的位置由离开外圆面垂直距离CF=H和外圆弧长表示，A为探头声束入射点，O为圆心。弧长根据所对应圆心角θ求出，垂直距离H由外壁半径R间接求出。

相控阵仪器显示的数据中，由于曲面的存在，读出的深度距离和水平距离为平板中的对应距离，曲面测量值存在误差。而显示的声程则不会因为曲面存在而改变，故利用仪器中的声程s进行缺陷定位。如图1所示，在ΔAOF中，利用余弦定理可得，OF表示为

根据正弦定理，θ的表达式写作

由上述关系，可推导出缺陷的深度和距探头前沿距离，具体表示为

1.2 二次波缺陷定位

二次波定位示意图如图2所示。缺陷定位与一次波相同，以缺陷离开外圆面距离H和外圆弧长L'表示。

图2 二次波检测曲面构件缺陷定位

假设探头声束入射点位置为A，内壁反射点为B，缺陷点为F，圆心为O。工件厚度为T，曲面工件外半径为R，内半径为r=R–T，扫查线上折射角度为β，内壁反射角度为β'，弧长L'对应的圆心角为φ+θ。圆心到缺陷的距离为p，探头到缺陷的声程为s，一次波到底面的声程为s1，内壁反射点到缺陷的声程为s2。

由于二次波仪器中深度位置读出与实际不符，采用声程s进行定位。则定位计算公式可由以下公式得出。

在ΔAOB中，根据余弦定理可得反射角β'为

因此，由式 (3)～(4)、(10)～(11)可知，当已知某扫查线折射角β、声程s和外壁半径R，就可求得曲面工件中缺陷深度H和弧长L'进行缺陷定位。

2 实验

2.1 仪器试块

实验所用相控阵超声探伤仪为奥林巴斯公司生产的OmniScan MX2，采用型号为5L16-A10P的相控阵超声检测探头。转向架曲面构件原件中直径为371 mm，厚度为14.3 mm，匹配型号为 SA10-N55S-H-COD342的曲面楔块，楔块底面曲率与侧梁曲面对接焊缝试块外壁曲率一致，如图3所示。

图3 探头及楔块

分别在不同曲面焊缝试块中加工埋深11 mm的Φ1 mm边钻孔缺陷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，试块缺陷加工示意图如图4所示。具体尺寸如表1和表2所示。

图4 曲面焊缝试块缺陷加工示意图

表1 缺陷1加工参数

表2 缺陷2、3加工参数

2.2 检测方法

将超声相控阵探头置于试块上，通过横波斜入射法对上述3种缺陷进行检测。检测边钻孔缺陷1时聚焦深度设置为12.0 mm，检测表面切槽缺陷2、3时聚焦深度设置为28.6 mm，扇扫描角度设置为35°～67°，增益设置为 35.0 dB，聚焦方式采用真实深度。选定相关检测参数后，以机油作为耦合剂。观测并记录扇扫描图像以及相关参数DA、SA、扫查线角度β。扫查线角度β在扇扫角度范围内选取35°、39°、43°、47°、51°、55°、63°作为记录线。

孔类缺陷的读数均将角度线光标定在幅值最大处读取。由于1 mm切槽埋深较小，上下尖端无法清晰地分离，因此对于1 mm的切槽读取上尖端幅值最大处参数。对于5 mm表面切槽的读数将角度线光标定在下尖端幅值最大处读取，如图5所示。下述读数结果可能会因为人工测量存在细微误差，对于研究整体变化趋势可忽略。

图5 孔类和表面切槽类缺陷读数

2.3 定量计算

如图6所示，仪器上所显示的角度光标值即折射角β，仪器上显示的SA值为声程s，仪器上显示的DA值为缺陷深度，仪器上显示的PA值为楔块前沿到缺陷的水平距离。

图6 一次波检测曲面构件缺陷定位

将折射角 β和声程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和弧长L'。但相控阵探伤仪多角度扇扫描检测曲面构件时无唯一前沿，因此经人工测量得到的楔块前沿至缺陷外圆的弧长L要比探头前沿至缺陷外圆的弧长L'小。预测这种工况下，上述两弧长的差异在3～6 mm范围内。

3 结果及分析

3.1 一次波缺陷定位试验结果

以孔类缺陷为例，图7为深度11 mm边钻孔在不同扇扫描视图中的一次波检测结果。表3为一次波检测埋深11 mm的Φ1 mm边钻孔缺陷时得到的定位结果。

图7 孔类缺陷不同角度的一次波检测结果

由表3可知，当采用公式(3)修正后，在35°～51°范围内，H值与 11 mm的误差在–0.26～0.5 mm范围内，缺陷深度定位误差较小。当扫查角度为55°时，H值与11 mm的误差已经大于1 mm，与实际深度值偏差较大，不利于缺陷定位。经测量，在35°～51°范围内，楔块前沿至缺陷外圆的弧长L与探头前沿至缺陷外圆的弧长L'值的差异在3～5 mm范围内。

表3 埋深11 mm边钻孔一次波定位结果

3.2 二次波缺陷定位试验结果

以孔类缺陷为例，图8为深度11 mm边钻孔在不同扇扫描视图中的二次波检测结果。表4～表6为二次波分别检测孔类和表面切槽类缺陷时得到的定位结果。从表4可以看出，随着扫查角度的增大，仪器显示的DA值逐渐减小。当采用公式(9)后，仪器中的DA误差尽可能得到了修正，H值与实际深度逐渐接近。

图8 孔类缺陷不同角度的二次波检测结果

表4 埋深11 mm边钻孔二次波定位结果

表5 深1 mm表面切槽二次波定位结果

表6 深5 mm表面切槽二次波定位结果

当扫查角度为55°时，缺陷回波较弱，但在35°～51°范围内，H值与 11 mm 的误差在–0.57～0.21 mm之间，缺陷深度误差均小于1 mm。此外，在35°～51°范围内，楔块前沿至缺陷外圆的弧长L与探头前沿至缺陷外圆的弧长L'值的差异在3～4 mm范围内。

由表5可知，当扫查近表面1 mm切槽时，随着扫查角度的增大，仪器显示的DA值逐渐增大。51°之后，DA值与实际深度偏差明显增大。当采用公式(9)修正后，H值应与实际上尖端位置0进行比较，35°～47°范围内，算得H值与 0的误差在 0.32～0.84 mm范围内。而对于5 mm的表面切槽，H值应与5 mm位置进行比较，结果如表6所示。35°～47°范围内测得深度5 mm切槽H值与5 mm的误差在–0.54～–0.88 mm 范围内。综上，在 35°～47°范围内，两类表面切槽的H值与实际深度的误差绝对值也均小于1 mm。而在51°之后，深度误差绝对值大于1 mm。在35°～55°范围内，两类表面切槽缺陷到楔块前沿的弧长L与缺陷到探头前沿的弧长L'值的差异也在3～5 mm范围之内，如图9所示。