姜鴻鵬， 邱國(guó)云， 張澤勇， 侯 凱， 陳 堯

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

0 引 言

作為動(dòng)車組關(guān)鍵核心部件，轉(zhuǎn)向架的性能和質(zhì)量的良莠決定了機(jī)車的速度上限、平穩(wěn)性和舒適性。動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的主要部件均為焊接結(jié)構(gòu)，因此焊接質(zhì)量對(duì)機(jī)車的安全運(yùn)營(yíng)起到至關(guān)重要的影響[1-3]。按照相關(guān)規(guī)范，轉(zhuǎn)向架在生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)中需要采用適當(dāng)?shù)臒o(wú)損檢測(cè)方法對(duì)焊縫內(nèi)部缺陷進(jìn)行探傷，以確保轉(zhuǎn)向架的安全運(yùn)行[4]。

超聲檢測(cè)是目前檢測(cè)轉(zhuǎn)向架焊縫內(nèi)部缺陷的主要手段[5-7]。轉(zhuǎn)向架眾多焊接結(jié)構(gòu)中，側(cè)梁曲面焊縫為圓管對(duì)接結(jié)構(gòu)。由于圓管結(jié)構(gòu)中曲率的存在使得探頭所發(fā)聲束的傳播路徑發(fā)生改變，造成缺陷回波位置的嚴(yán)重畸變，導(dǎo)致常規(guī)超聲檢測(cè)方法的缺陷定位誤差無(wú)法反映缺陷的真實(shí)位置，為轉(zhuǎn)向架圓管對(duì)接焊縫的質(zhì)量安全埋下隱患[8]。

圓管對(duì)接焊縫受曲率影響，其缺陷定位與平板對(duì)接焊縫不同[9-11]。為了保證圓管結(jié)構(gòu)與探頭耦合質(zhì)量，需要對(duì)斜楔塊進(jìn)行打磨，使楔塊底面曲率與圓管結(jié)構(gòu)外壁曲率一致。一般來(lái)說(shuō)，采用斜楔塊搭配相控陣探頭檢測(cè)平板對(duì)接焊縫時(shí)，缺陷定位可由缺陷的實(shí)際深度和缺陷的實(shí)際水平距離來(lái)表示[12]。但圓管對(duì)接焊縫曲率的存在，其缺陷定位參數(shù)應(yīng)該由缺陷的徑向深度和缺陷到探頭前沿的弧長(zhǎng)表示。目前，已有相關(guān)學(xué)者對(duì)圓管結(jié)構(gòu)進(jìn)行以A型掃描信號(hào)為基礎(chǔ)的常規(guī)超聲檢測(cè)缺陷定位研究[13]。在對(duì)圓管結(jié)構(gòu)內(nèi)缺陷定位時(shí)，必須根據(jù)缺陷反射信號(hào)獲得聲程。但常規(guī)超聲探傷儀的A型信號(hào)相對(duì)復(fù)雜、讀取不直觀，根據(jù)A型信號(hào)分析缺陷位置時(shí)易產(chǎn)生誤判[14]。此外，楔塊打磨后探頭前沿會(huì)發(fā)生變化[15]，但相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)受此影響較小。因此，本文將使用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)圓管對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷進(jìn)行定位。

本文針對(duì)圓管對(duì)接焊縫的常規(guī)超聲檢測(cè)局限性，提出一種基于相控陣超聲檢測(cè)視圖的圓管對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷定位修正方法。依據(jù)缺陷定位誤差模型推導(dǎo)出圓管對(duì)接焊縫缺陷定位修正公式。通過(guò)對(duì)直徑371 mm圓管對(duì)接焊縫內(nèi)部缺陷進(jìn)行35°～67°扇形掃查，從相控陣扇掃視圖讀取折射角、聲程，結(jié)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(zhǎng)。最后，將上述公式算得的缺陷定位參數(shù)與試塊內(nèi)部缺陷實(shí)際位置進(jìn)行對(duì)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(cè)作周向探測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)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(zhǎng)表示，A為探頭聲束入射點(diǎn)，O為圓心?；￠L(zhǎng)根據(jù)所對(duì)應(yīng)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(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)距離，曲面測(cè)量值存在誤差。而顯示的聲程則不會(huì)因?yàn)榍娲嬖诙淖?，故利用儀器中的聲程s進(jìn)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(jù)正弦定理，θ的表達(dá)式寫作

由上述關(guān)系，可推導(dǎo)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(zhǎng)L'表示。

圖2 二次波檢測(cè)曲面構(gòu)件缺陷定位

假設(shè)探頭聲束入射點(diǎn)位置為A，內(nèi)壁反射點(diǎn)為B，缺陷點(diǎn)為F，圓心為O。工件厚度為T，曲面工件外半徑為R，內(nèi)半徑為r=R–T，掃查線上折射角度為β，內(nèi)壁反射角度為β'，弧長(zhǎng)L'對(duì)應(yīng)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(nèi)壁反射點(diǎn)到缺陷的聲程為s2。

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

在ΔAOB中，根據(jù)余弦定理可得反射角β'為

因此，由式 (3)～(4)、(10)～(11)可知，當(dāng)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(zhǎng)L'進(jìn)行缺陷定位。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 儀器試塊

實(shí)驗(yàn)所用相控陣超聲探傷儀為奧林巴斯公司生產(chǎn)的OmniScan MX2，采用型號(hào)為5L16-A10P的相控陣超聲檢測(cè)探頭。轉(zhuǎn)向架曲面構(gòu)件原件中直徑為371 mm，厚度為14.3 mm，匹配型號(hào)為 SA10-N55S-H-COD342的曲面楔塊，楔塊底面曲率與側(cè)梁曲面對(duì)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(shù)

表2 缺陷2、3加工參數(shù)

2.2 檢測(cè)方法

將超聲相控陣探頭置于試塊上，通過(guò)橫波斜入射法對(duì)上述3種缺陷進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)邊鉆孔缺陷1時(shí)聚焦深度設(shè)置為12.0 mm，檢測(cè)表面切槽缺陷2、3時(shí)聚焦深度設(shè)置為28.6 mm，扇掃描角度設(shè)置為35°～67°，增益設(shè)置為 35.0 dB，聚焦方式采用真實(shí)深度。選定相關(guān)檢測(cè)參數(shù)后，以機(jī)油作為耦合劑。觀測(cè)并記錄扇掃描圖像以及相關(guān)參數(shù)DA、SA、掃查線角度β。掃查線角度β在扇掃角度范圍內(nèi)選取35°、39°、43°、47°、51°、55°、63°作為記錄線。

孔類缺陷的讀數(shù)均將角度線光標(biāo)定在幅值最大處讀取。由于1 mm切槽埋深較小，上下尖端無(wú)法清晰地分離，因此對(duì)于1 mm的切槽讀取上尖端幅值最大處參數(shù)。對(duì)于5 mm表面切槽的讀數(shù)將角度線光標(biāo)定在下尖端幅值最大處讀取，如圖5所示。下述讀數(shù)結(jié)果可能會(huì)因?yàn)槿斯y(cè)量存在細(xì)微誤差，對(duì)于研究整體變化趨勢(shì)可忽略。

圖5 孔類和表面切槽類缺陷讀數(shù)

2.3 定量計(jì)算

如圖6所示，儀器上所顯示的角度光標(biāo)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(cè)曲面構(gòu)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(zhǎng)L'。但相控陣探傷儀多角度扇掃描檢測(cè)曲面構(gòu)件時(shí)無(wú)唯一前沿，因此經(jīng)人工測(cè)量得到的楔塊前沿至缺陷外圓的弧長(zhǎng)L要比探頭前沿至缺陷外圓的弧長(zhǎng)L'小。預(yù)測(cè)這種工況下，上述兩弧長(zhǎng)的差異在3～6 mm范圍內(nèi)。

3 結(jié)果及分析

3.1 一次波缺陷定位試驗(yàn)結(jié)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(cè)結(jié)果。表3為一次波檢測(cè)埋深11 mm的Φ1 mm邊鉆孔缺陷時(shí)得到的定位結(jié)果。

圖7 孔類缺陷不同角度的一次波檢測(cè)結(jié)果

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

表3 埋深11 mm邊鉆孔一次波定位結(jié)果

3.2 二次波缺陷定位試驗(yàn)結(jié)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(cè)結(jié)果。表4～表6為二次波分別檢測(cè)孔類和表面切槽類缺陷時(shí)得到的定位結(jié)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(dāng)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(shí)際深度逐漸接近。

圖8 孔類缺陷不同角度的二次波檢測(cè)結(jié)果

表4 埋深11 mm邊鉆孔二次波定位結(jié)果

表5 深1 mm表面切槽二次波定位結(jié)果

表6 深5 mm表面切槽二次波定位結(jié)果

當(dāng)掃查角度為55°時(shí)，缺陷回波較弱，但在35°～51°范圍內(nèi)，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(nèi)，楔塊前沿至缺陷外圓的弧長(zhǎng)L與探頭前沿至缺陷外圓的弧長(zhǎng)L'值的差異在3～4 mm范圍內(nèi)。

由表5可知，當(dāng)掃查近表面1 mm切槽時(shí)，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(shí)際深度偏差明顯增大。當(dāng)采用公式(9)修正后，H值應(yīng)與實(shí)際上尖端位置0進(jìn)行比較，35°～47°范圍內(nèi)，算得H值與 0的誤差在 0.32～0.84 mm范圍內(nèi)。而對(duì)于5 mm的表面切槽，H值應(yīng)與5 mm位置進(jìn)行比較，結(jié)果如表6所示。35°～47°范圍內(nèi)測(cè)得深度5 mm切槽H值與5 mm的誤差在–0.54～–0.88 mm 范圍內(nèi)。綜上，在 35°～47°范圍內(nèi)，兩類表面切槽的H值與實(shí)際深度的誤差絕對(duì)值也均小于1 mm。而在51°之后，深度誤差絕對(duì)值大于1 mm。在35°～55°范圍內(nèi)，兩類表面切槽缺陷到楔塊前沿的弧長(zhǎng)L與缺陷到探頭前沿的弧長(zhǎng)L'值的差異也在3～5 mm范圍之內(nèi)，如圖9所示。

圖9 三種缺陷不同角度下的弧長(zhǎng)誤差

4 結(jié)束語(yǔ)

1）當(dāng)檢測(cè)曲面構(gòu)件時(shí)，相控陣儀器上顯示的缺陷位置與實(shí)際缺陷位置存在誤差。當(dāng)采用一次波檢測(cè)時(shí)，所測(cè)深度值將會(huì)大于實(shí)際深度，且隨著角度增大而增大。當(dāng)采用二次波檢測(cè)時(shí)，所測(cè)深度將會(huì)小于實(shí)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(nèi)接近于實(shí)際缺陷位置。

3）在本文實(shí)驗(yàn)條件下，扇掃角度為 35°～51°范圍時(shí)，修正值與實(shí)際值的缺陷深度誤差在1.72 mm以內(nèi)，當(dāng)扇掃角度大于51°時(shí)，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(guò)大，盡量保持在50°范圍以內(nèi)。

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