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(中廣核檢測(cè)技術(shù)有限公司，蘇州 215004)

高鐵列車要在復(fù)雜環(huán)境中高速運(yùn)行，牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)起到了關(guān)鍵的作用，被稱作“高鐵心臟”，故對(duì)其故障的辨識(shí)具有重要意義。

動(dòng)車組牽引電機(jī)主要為交流異步牽引電機(jī)，其轉(zhuǎn)子鐵芯的槽內(nèi)鑲嵌了轉(zhuǎn)子導(dǎo)條，46根導(dǎo)條及兩個(gè)短路端環(huán)組成鼠籠結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及端環(huán)(短路環(huán))斷裂是這類電機(jī)最常見(jiàn)的故障之一。這類故障常由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和端環(huán)(短路環(huán))的焊接缺陷引起。超聲檢測(cè)是檢查這類缺陷的常用方法，可有效檢查出焊接表面及內(nèi)部缺陷。

筆者以服務(wù)于CRH3C型動(dòng)車組的YJ105A牽引電機(jī)為例，開(kāi)發(fā)了轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)(短路環(huán))焊接部位的超聲波檢測(cè)工藝，以減少動(dòng)車機(jī)組的安全隱患。

1 工藝設(shè)計(jì)

1.1 待檢工件

YJ105A牽引電機(jī)具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、質(zhì)量小、噪聲小、效率高和設(shè)計(jì)緊湊的特點(diǎn)，代表了國(guó)際高速動(dòng)車組異步牽引電動(dòng)機(jī)的最高水平。

圖1 鼠籠式電機(jī)典型結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及兩側(cè)端環(huán)材料為銅，屬于典型鼠籠式電機(jī)，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)之間通過(guò)釬焊工藝進(jìn)行連接。焊接時(shí)，將熔點(diǎn)較低的銀質(zhì)釬料和熔點(diǎn)較高的銅質(zhì)焊件同時(shí)加熱至釬料熔點(diǎn)溫度，釬料熔化而焊料未熔化，此時(shí)銀質(zhì)釬料借助毛細(xì)作用被吸入焊件逐漸充滿焊件間隙，而后冷凝，形成穩(wěn)定的鼠籠結(jié)構(gòu)。

JY105A鼠籠結(jié)構(gòu)周向剖面如圖2所示。

圖2 JY105A鼠籠結(jié)構(gòu)周向剖面示意

在釬焊過(guò)程中，易產(chǎn)生填隙不良、平面形氣孔等缺陷，其產(chǎn)生原因主要有裝配間隙選擇不當(dāng)、焊前零件清理不凈等。

1.2 相控陣探頭

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是采用陣列聲束多方位掃描成像的技術(shù)，其檢測(cè)探頭是由多晶片組成的換能器陣列,由激發(fā)電路激勵(lì)陣列單元，通過(guò)控制激勵(lì)相位來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)激發(fā)超聲波的控制，并使超聲波聲束在聲場(chǎng)中確定位置完成聲束聚焦。由于相控陣超聲波各聲束相位可控，檢測(cè)靈敏度和分辨力均得到了提高、檢測(cè)圖像更清晰、檢測(cè)速度更快，可高質(zhì)量完成對(duì)焊縫的掃查、實(shí)時(shí)顯示及結(jié)果評(píng)價(jià)[1]。

根據(jù)YJ105電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用線陣陣列超聲波探頭，徑向放置，沿周向?qū)︹F焊焊縫進(jìn)行檢測(cè)。為了提高徑向分辨力，選用64陣元線陣；確定晶片及間隙寬度時(shí)，需考慮覆蓋被檢區(qū)域徑向范圍，同時(shí)也需兼顧有效陣元，寬度與間隙比值一般在5～10之間(經(jīng)驗(yàn)值)，最終確定單陣元寬度為0.5 mm，陣元間隙為0.1 mm，整體晶片尺寸(長(zhǎng)×寬)為38.3 mm×10 mm；在頻率的選擇上，首先需考慮被檢材料的特性，經(jīng)測(cè)量，被檢材料的衰減系數(shù)為0.128 dB·mm-1，衰減系數(shù)較大，不宜采用高頻探頭，但為了確保檢測(cè)的分辨力，探頭頻率也不宜過(guò)低，經(jīng)仿真最終選擇頻率為5 MHz的探頭。

圖3為陣列探頭的外觀及尺寸示意。

圖3 相控陣陣列探頭外觀與尺寸示意

1.3 超聲波工藝仿真

利用CIVA仿真軟件，對(duì)YJ105電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)釬焊焊縫超聲檢測(cè)工藝進(jìn)行了可行性分析[2]。

從端環(huán)外側(cè)平面進(jìn)行掃查。晶片沿徑向布置，沿周向方向進(jìn)行掃查。為實(shí)現(xiàn)對(duì)工件厚度的聚焦檢測(cè)，采用電子掃描，單序列激發(fā)16陣元，聚焦深度為13.5 mm，確保有效檢出缺陷，同時(shí)具有較高的分辨力。

根據(jù)設(shè)定的聚焦法則，仿真得到探頭的聲場(chǎng)如圖4所示。聲場(chǎng)極大聲壓值深度為15 mm，極大聲壓值-6 dB深度范圍為4～35.5 mm，涵蓋被檢區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)可獲得良好的靈敏度和分辨力。

圖4 超聲波聲場(chǎng)剖面結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)前文對(duì)釬焊焊接工藝的介紹，可知工件易產(chǎn)生缺陷的部位為導(dǎo)條底部，易形成的缺陷類型為填隙不良和平面形氣孔，所以將模擬缺陷設(shè)計(jì)成直徑為1，3，5，7，9 mm的平面形氣孔，置于導(dǎo)條底部。為了保證檢出率，以φ1 mm平底孔的A掃最高值100%滿屏作為參考靈敏度。

從端環(huán)外側(cè)平面進(jìn)行掃查。晶片沿徑向布置，沿周向方向進(jìn)行掃查，得到不同尺寸平底孔的掃查仿真結(jié)果如圖5所示(圖中DAC表示距離-波幅曲線)。

根據(jù)檢測(cè)靈敏度的設(shè)定得到其設(shè)計(jì)缺陷的相應(yīng)回波，同時(shí)通過(guò)C掃圖像，利用噪聲法測(cè)定缺陷定量尺寸，可得仿真結(jié)果如表1所示。

圖5 針對(duì)不同尺寸平底孔的掃查仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)缺陷類型設(shè)計(jì)缺陷/mm缺陷響應(yīng)幅值/dB仿真徑向定量尺寸/mm徑向邊長(zhǎng)差值/mm平面形氣孔?1DAC+0--平面形氣孔?3DAC+15.741平面形氣孔?5DAC+20.961平面形氣孔?7DAC+23.181平面形氣孔?9DAC+23.9101

由表1可見(jiàn)，所設(shè)計(jì)的檢測(cè)工藝可有效檢出設(shè)計(jì)缺陷并測(cè)定缺陷尺寸，其缺陷面積與設(shè)計(jì)值差值最大為1 mm，滿足檢測(cè)要求。

2 工藝試驗(yàn)

選取相應(yīng)試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)置工藝參數(shù)，采用相同的掃查方式，同樣以φ1 mm平底孔作為DAC參考幅值，采用電子掃描，單序列激發(fā)16陣元，聚焦深度為13.5 mm。

2.1 檢測(cè)設(shè)備

試驗(yàn)選用TOPUS全集成多點(diǎn)觸控相控陣超聲儀(見(jiàn)圖6)，兼容UltraVision?3應(yīng)用軟件，數(shù)據(jù)文件可直接通過(guò)UltraVision?3軟件打開(kāi)，采用該應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)噪聲法進(jìn)行定量分析。

圖6 檢測(cè)設(shè)備外觀

試驗(yàn)選用的探頭參數(shù)為：頻率5 MHz，64陣元線陣，單陣元寬度為0.5 mm，陣元間隙為0.1 mm。

試驗(yàn)共準(zhǔn)備兩類試塊：試塊1為平底孔試塊，是從實(shí)際的電機(jī)端環(huán)切下來(lái)的，材料為金屬銅，底面分別設(shè)置高度為1 mm，直徑為1，3，5，7，9 mm的平底孔反射體，用于驗(yàn)證工藝的檢出能力和定量能力；試塊2為真實(shí)的YJ105電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)釬焊焊縫(部分)工件，用于驗(yàn)證工藝的實(shí)際檢測(cè)能力。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 試驗(yàn)1結(jié)果

選用試塊1，利用仿真所設(shè)計(jì)的工藝對(duì)其進(jìn)行掃查、數(shù)據(jù)采集，同樣以φ1 mm平底孔作為DAC靈敏度參考。采集的視圖如圖7所示。其檢出能力和定量結(jié)果如表2所示。

由試驗(yàn)1可知：① 相控陣檢測(cè)工藝對(duì)試塊1內(nèi)包含的平底孔反射體具備100%的檢出能力；② 在C掃視圖上，對(duì)該工藝所得的平底孔反射體掃查數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲法定量分析，得出平底孔徑向尺寸與設(shè)計(jì)值的最大差值為1.2 mm，最大差率為13.3%。

圖7 試塊1的檢測(cè)結(jié)果

設(shè)計(jì)缺陷類型設(shè)計(jì)缺陷/mm缺陷響應(yīng)幅值/dB仿真徑向定量尺寸/mm徑向邊長(zhǎng)差值/mm平面形氣孔?1DAC+0--平面形氣孔?3DAC+53.00平面形氣孔?5DAC+11.55.40.4平面形氣孔?7DAC+14.57.80.8平面形氣孔?9DAC+15.510.21.2

2.2.2 試驗(yàn)2結(jié)果

選用試塊2，利用設(shè)計(jì)的工藝對(duì)真實(shí)工件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖8所示，共發(fā)現(xiàn)平面形缺陷2個(gè)，缺陷1的響應(yīng)幅值為DAC+23 dB，在C掃視圖上采用噪聲法進(jìn)行定量，得到其徑向尺寸為15.6 mm；缺陷2的響應(yīng)幅值為DAC+20 dB，在C掃視圖上采用噪聲法進(jìn)行定量，得到其徑向尺寸為3.4 mm。

然后，利用機(jī)械手段對(duì)試塊2的缺陷1區(qū)域進(jìn)行切割，利用顯微設(shè)備對(duì)缺陷徑向尺寸進(jìn)行測(cè)量(見(jiàn)圖9)，得到缺陷的徑向尺寸為13 mm，該數(shù)據(jù)與相控陣檢測(cè)得到的定量徑向尺寸相差2.6 mm。

圖8 試塊2的檢測(cè)結(jié)果

圖9 有損試驗(yàn)的顯微圖像(徑向尺寸)

由試驗(yàn)2可知：① 選用的相控陣檢測(cè)工藝可發(fā)現(xiàn)試塊內(nèi)部的缺陷；② 在C掃視圖上，對(duì)該缺陷進(jìn)行噪聲法定量，徑向尺寸定量結(jié)果與缺陷實(shí)際徑向尺寸相差2.6 mm。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)CIVA仿真設(shè)計(jì)工藝能夠檢出電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)釬焊焊縫中的常見(jiàn)缺陷，定量分析得到的缺陷邊長(zhǎng)與設(shè)計(jì)的缺陷邊長(zhǎng)的最大差值為1 mm。

(2) 該工藝具備良好的電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)釬焊焊縫常見(jiàn)缺陷的檢出能力，對(duì)所設(shè)計(jì)的不同尺寸平底孔缺陷及真實(shí)工件缺陷均能有效檢出。

(3) 對(duì)平底孔標(biāo)準(zhǔn)反射體，反射體定量分析得到的邊長(zhǎng)與實(shí)際邊長(zhǎng)最大差值為1.2 mm(φ9 mm平底孔反射體)；對(duì)真實(shí)缺陷，定量分析得到的缺陷單邊長(zhǎng)與有損試驗(yàn)所得的缺陷單邊長(zhǎng)相差2.6 mm，符合檢測(cè)要求。

(4) 所設(shè)計(jì)工藝僅針對(duì)YJ105電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)釬焊焊縫的超聲波相控陣檢測(cè)，可為相似部件(如YJ268/YJ92B/YJ87等類型電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)釬焊焊縫)提供超聲相控陣檢測(cè)工藝的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。