動車組牽引電機短路環(huán)超聲相控陣檢測工藝

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(中廣核檢測技術有限公司，蘇州 215004)

高鐵列車要在復雜環(huán)境中高速運行，牽引電傳動系統(tǒng)起到了關鍵的作用，被稱作“高鐵心臟”，故對其故障的辨識具有重要意義。

動車組牽引電機主要為交流異步牽引電機，其轉子鐵芯的槽內(nèi)鑲嵌了轉子導條，46根導條及兩個短路端環(huán)組成鼠籠結構。轉子導條及端環(huán)(短路環(huán))斷裂是這類電機最常見的故障之一。這類故障常由于轉子導條和端環(huán)(短路環(huán))的焊接缺陷引起。超聲檢測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。

筆者以服務于CRH3C型動車組的YJ105A牽引電機為例，開發(fā)了轉子導條與端環(huán)(短路環(huán))焊接部位的超聲波檢測工藝，以減少動車機組的安全隱患。

1 工藝設計

1.1 待檢工件

YJ105A牽引電機具有結構堅固、質(zhì)量小、噪聲小、效率高和設計緊湊的特點，代表了國際高速動車組異步牽引電動機的最高水平。

圖1 鼠籠式電機典型結構

轉子導條及兩側端環(huán)材料為銅，屬于典型鼠籠式電機，其典型結構如圖1所示。轉子導條與端環(huán)之間通過釬焊工藝進行連接。焊接時，將熔點較低的銀質(zhì)釬料和熔點較高的銅質(zhì)焊件同時加熱至釬料熔點溫度，釬料熔化而焊料未熔化，此時銀質(zhì)釬料借助毛細作用被吸入焊件逐漸充滿焊件間隙，而后冷凝，形成穩(wěn)定的鼠籠結構。

JY105A鼠籠結構周向剖面如圖2所示。

圖2 JY105A鼠籠結構周向剖面示意

在釬焊過程中，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、焊前零件清理不凈等。

1.2 相控陣探頭

相控陣超聲檢測技術是采用陣列聲束多方位掃描成像的技術，其檢測探頭是由多晶片組成的換能器陣列,由激發(fā)電路激勵陣列單元，通過控制激勵相位來實現(xiàn)對激發(fā)超聲波的控制，并使超聲波聲束在聲場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，檢測靈敏度和分辨力均得到了提高、檢測圖像更清晰、檢測速度更快，可高質(zhì)量完成對焊縫的掃查、實時顯示及結果評價[1]。

根據(jù)YJ105電機轉子導條與端環(huán)的結構特點，采用線陣陣列超聲波探頭，徑向放置，沿周向?qū)︹F焊焊縫進行檢測。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，需考慮覆蓋被檢區(qū)域徑向范圍，同時也需兼顧有效陣元，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×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，但為了確保檢測的分辨力，探頭頻率也不宜過低，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YJ105電機轉子導條與端環(huán)釬焊焊縫超聲檢測工藝進行了可行性分析[2]。

從端環(huán)外側平面進行掃查。晶片沿徑向布置，沿周向方向進行掃查。為實現(xiàn)對工件厚度的聚焦檢測，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，同時具有較高的分辨力。

根據(jù)設定的聚焦法則，仿真得到探頭的聲場如圖4所示。聲場極大聲壓值深度為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 超聲波聲場剖面結構圖

根據(jù)前文對釬焊焊接工藝的介紹，可知工件易產(chǎn)生缺陷的部位為導條底部，易形成的缺陷類型為填隙不良和平面形氣孔，所以將模擬缺陷設計成直徑為1，3，5，7，9 mm的平面形氣孔，置于導條底部。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)外側平面進行掃查。晶片沿徑向布置，沿周向方向進行掃查，得到不同尺寸平底孔的掃查仿真結果如圖5所示(圖中DAC表示距離-波幅曲線)。

根據(jù)檢測靈敏度的設定得到其設計缺陷的相應回波，同時通過C掃圖像，利用噪聲法測定缺陷定量尺寸，可得仿真結果如表1所示。

圖5 針對不同尺寸平底孔的掃查仿真結果

設計缺陷類型設計缺陷/mm缺陷響應幅值/dB仿真徑向定量尺寸/mm徑向邊長差值/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，所設計的檢測工藝可有效檢出設計缺陷并測定缺陷尺寸，其缺陷面積與設計值差值最大為1 mm，滿足檢測要求。

2 工藝試驗

選取相應試驗設備，設置工藝參數(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 檢測設備

試驗選用TOPUS全集成多點觸控相控陣超聲儀(見圖6)，兼容UltraVision?3應用軟件，數(shù)據(jù)文件可直接通過UltraVision?3軟件打開，采用該應用軟件對數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)噪聲法進行定量分析。

圖6 檢測設備外觀

試驗選用的探頭參數(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。

試驗共準備兩類試塊：試塊1為平底孔試塊，是從實際的電機端環(huán)切下來的，材料為金屬銅，底面分別設置高度為1 mm，直徑為1，3，5，7，9 mm的平底孔反射體，用于驗證工藝的檢出能力和定量能力；試塊2為真實的YJ105電機轉子導條與端環(huán)釬焊焊縫(部分)工件，用于驗證工藝的實際檢測能力。

2.2 試驗結果

2.2.1 試驗1結果

選用試塊1，利用仿真所設計的工藝對其進行掃查、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果如表2所示。

由試驗1可知：① 相控陣檢測工藝對試塊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，對該工藝所得的平底孔反射體掃查數(shù)據(jù)進行噪聲法定量分析，得出平底孔徑向尺寸與設計值的最大差值為1.2 mm，最大差率為13.3%。

圖7 試塊1的檢測結果

設計缺陷類型設計缺陷/mm缺陷響應幅值/dB仿真徑向定量尺寸/mm徑向邊長差值/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2結果

選用試塊2，利用設計的工藝對真實工件進行檢測，檢測結果如圖8所示，共發(fā)現(xiàn)平面形缺陷2個，缺陷1的響應幅值為DAC+23 dB，在C掃視圖上采用噪聲法進行定量，得到其徑向尺寸為15.6 mm；缺陷2的響應幅值為DAC+20 dB，在C掃視圖上采用噪聲法進行定量，得到其徑向尺寸為3.4 mm。

然后，利用機械手段對試塊2的缺陷1區(qū)域進行切割，利用顯微設備對缺陷徑向尺寸進行測量(見圖9)，得到缺陷的徑向尺寸為13 mm，該數(shù)據(jù)與相控陣檢測得到的定量徑向尺寸相差2.6 mm。

圖8 試塊2的檢測結果

圖9 有損試驗的顯微圖像(徑向尺寸)

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

3 結論

(1) 通過CIVA仿真設計工藝能夠檢出電機轉子導條與端環(huán)釬焊焊縫中的常見缺陷，定量分析得到的缺陷邊長與設計的缺陷邊長的最大差值為1 mm。

(2) 該工藝具備良好的電機轉子導條與端環(huán)釬焊焊縫常見缺陷的檢出能力，對所設計的不同尺寸平底孔缺陷及真實工件缺陷均能有效檢出。

(3) 對平底孔標準反射體，反射體定量分析得到的邊長與實際邊長最大差值為1.2 mm(φ9 mm平底孔反射體)；對真實缺陷，定量分析得到的缺陷單邊長與有損試驗所得的缺陷單邊長相差2.6 mm，符合檢測要求。

(4) 所設計工藝僅針對YJ105電機轉子導條與端環(huán)釬焊焊縫的超聲波相控陣檢測，可為相似部件(如YJ268/YJ92B/YJ87等類型電機轉子導條與端環(huán)釬焊焊縫)提供超聲相控陣檢測工藝的設計指導。