超聲相控陣在汽車后橋焊縫檢測中的試驗研究

摘 要：汽車后橋焊縫是汽車承受交變應力和沖擊較多的部位，也是疲勞缺陷多發部位。根據焊縫損傷特點，在常規超聲波檢測的基礎上，確定了超聲波相控陣檢測方法，并制作了與檢測條件完全一致的對比試塊。經建模與仿真試驗，超聲波相控陣可以有效檢測焊縫中的未融合、氣孔、裂紋等缺陷。驗證了超聲波相控陣檢測技術的適用性，提高了檢測效率、可靠性及準確性。

關鍵詞：相控陣；汽車后橋；扇形掃查

中圖分類號：TG115.28 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0137-04

Experimental Study on Ultrasonic Phased Array in

Weld Inspection of Car’s Rear Axle

LI Dongfeng1 CHENG Shengjin2 WU Weiping1

（1.National Center of Quality Inspection Testing for Hydraulic Metal Structure Ministry of Water Resources，Zhengzhou Henan 450044；2.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Car rear axle welds is the car to bear the alternating stress and the impact of more parts， but also fatigue defects in multiple parts. According to the characteristics of weld damage， on the basis of conventional ultrasonic detection， the ultrasonic phased array detection method is determined， and produced a comparison with the test conditions exactly the same test block. Through modeling and simulation test， ultrasonic phased array can effectively detect the not fused， pores， crack defects of the welds. The applicability of the ultrasonic phased array detection technology is verified to improve the detection efficiency， reliability and accuracy.

Keywords： phased array；car’s rear axle；sector scan

汽車后橋是車輛動力傳遞的后驅動軸組成部分，其也是用來支撐車輪和連接后車輪的裝置，是支撐汽車重量的重要構件。但是，由于汽車后橋受交變應力和沖擊較多，因此，容易引發疲勞缺陷。從結構上看，汽車后橋殼與軸管連接部位受力復雜，這種結構對應力集中較為敏感，易引發裂紋缺陷，進而發展成為疲勞裂紋，降低結構的承載能力，使橋殼與軸管連接處產生應力集中引發斷裂，從而造成嚴重事故[1]。

1 檢測方法確定

一般情況下，檢測焊縫內部缺陷時，檢測人員通常會使用射線檢測技術，但射線對裂紋不敏感，容易造成漏檢。此外，射線檢測技術是在室外進行檢測，不易實施，且射線對人體傷害較大，因此排除射線檢測[2]。

超聲波具有良好的指向性，其波長短、能量大。超聲檢測在檢測的可靠性方面比射線檢測要高，較易發現危害較大的面狀缺陷。采用常規超聲橫波檢測時，由于焊縫區域太小，入射波束不能對焊縫區進行全覆蓋，會造成漏檢[2，3]。橫波在傳播時，由于聲束擴散，造成焊縫處超聲波能量降低，從而降低檢測靈敏度。

超聲波相控陣檢測技術作為一種獨特的技術得到開發和應用，在21世紀初已經進入成熟階段。該技術具有檢測速度快、靈活性好、探頭小巧、缺陷檢出率高、能檢測復雜幾何形狀的工件等優點[4]。超聲波相控陣檢測技術的主要特點是多芯片探頭中各芯片的激勵均由計算機控制。壓電復核芯片受激勵后能產生聚焦波束，且聲速能以鏡面反射方式檢出不同方位的裂紋，常規單晶探頭聲束擴散且單向，而相控陣探頭聲束聚焦且可轉向，多項裂紋可被相控陣檢出。因此，本文采用超聲波相控陣進行檢測[2]。

2 試驗內容及試驗方案

2.1 試驗內容

汽車后橋殼與軸管連接焊縫采用CO2氣體保護焊，坡口角度30°，采用V型坡口，母材厚度10mm。如圖1所示，受結構形式的影響，檢測區域狹小，移動區域有限，只能進行單邊單側檢測。因此，采用普通的超聲波檢測技術時存在較大盲區，無法滿足檢測的需要[5]。本文主要利用相控陣技術解決常規超聲波難以全面檢驗汽車后橋殼與軸管連接焊縫的問題。

2.2 試驗方案

2.1.1 檢測系統組成。檢測系統主要包括超聲波相控陣儀器、相控陣探頭和楔塊。采用Olympus NDT公司的OminScan SX型相控陣設備，其具有常規UT、TOFD（單通道）和16∶64PR相控陣性能（單通道）數字化頻率為400MHz，脈沖發生器及接收器的孔徑為16陣元，采用64晶片，聚焦法則最大為256個，探頭型號為7.5L16A15（陣元數量：16，陣元間距：0.5mm，孔徑：8mm，中心頻率：7.5MHz），楔塊型號為SA15-N60S（聲速：2.33mm/ms，楔塊角度：39.1°）。

2.1.2 檢測工藝制定。采用超聲波相控陣扇形掃描來對焊縫斷面進行檢測，采用EsBeamTool軟件設計檢測工藝，在不同的檢測位置，利用聲束對焊縫的覆蓋情況進行模擬，以找到最佳的探頭位置。

通過聲場覆蓋模擬仿真需要考慮聲束對焊縫體積的全覆蓋和二次波底面反射面必須為與上表面近似平行的面。圖2（a）為一種較好的掃查方式，圖2（b）由于探頭離開焊縫中心距離較遠，部分二次波在底面的反射點位于曲面上，導致深度定位和水平位置定位產生較大誤差。通過仿真工藝分析：用一次波掃查工件下半部分時，楔塊前端離開焊縫中心的距離可以采用較小值；用二次波掃查工件上半部分時，楔塊前端離開焊縫中心距離范圍為12～18mm。

3 試驗結果分析

3.1 人工試塊試驗結果分析

人工試塊缺陷類型是人工刻槽，分布于焊縫兩側、根部及坡口融合線處。人工刻槽分布示意圖如圖3所示，超聲波相控陣檢測結果如表1所示。

圖3 人工刻槽分布示意圖

以上人工試塊共有4處缺陷（深度分別為2、1、0.5、0.5mm的人工刻槽），經超聲波相控陣檢測，3個缺陷被發現，一個缺陷未被發現，其中未被發現的人工刻槽缺陷（刻槽4，刻槽深度為0.5mm）與探頭位于同側，未被發現的原因是探頭能移動的區域空間受限。

3.2 軸管連接焊縫檢測結果分析

對工件編號為X0086160801048的后橋殼與軸管連接焊縫進行了相控陣檢測，發現了氣孔缺陷和未融合缺陷，缺陷斷面圖如圖4所示。

通過對缺陷斷面圖進行分析，將相控陣探頭置于如圖2所示的焊縫一側，步進偏移為13mm，利用二次波的40°～70°的扇形掃查進行檢測，檢測結果如圖5所示。通過掃測可知，缺陷至距焊縫中心距離為2.52mm、2.89mm、1.44mm、3.23mm；缺陷深度及區間為6.69（5.73～7.74）mm、7.23（5.54～7.86）mm、7.85（5.48～9.48）mm及7.72（6.51～9.18）mm。按照試驗方案的分析方法，分析圖中的缺陷信息，該分析結果與實際的缺陷參數基本一致，檢測結果如表2所示。

4 結語

根據檢測結果對各類典型缺陷的波形特點進行分析。裂紋缺陷回波高度較大，起波比較快，會出現多個波

峰，若轉動探頭，波峰會出現跳動的現象。未焊透缺陷多出現于根部，回波速度比較快，反應強烈。其具有一定的長度，當探頭沿焊縫方向移動時，可以看到其延伸長度，位置和回波高度趨于穩定。當聲束相對于其延伸方向上變動角度時，回波幅度降低。氣孔缺陷波形比較穩定，其波幅隨氣孔的大小而不同。當轉動探頭時，波幅會出現此起彼伏的現象。

參考文獻：

[1]陳昌麒.超高強度鋁合金的發展[J].中國有色金屬學報，2002（4）：17-21.

[2]張海兵，孫金立，孫紅光.相控陣超聲檢測技術在某型飛機撐桿焊縫檢測中的試驗研究[J].航空制造技術，2016（22）：89-95.

[3]潘亮，董世運，徐濱士，等.相控陣超聲檢測技術研究與應用概況[J].無損檢測，2013（5）：26-29.

[4]劉冬冬，師芳芳，張碧星.超聲相控陣技術在管材檢測中的應用[J].無損檢測，2013（5）：1-3.

[5]鄭紅霞，商振強.T型焊縫相控陣檢測[J].無損檢測，2014（3）：47-50.