基于超聲熱波成像技術的機車鉤舌的裂紋檢測

敬甫盛，李 朋，江海軍，陳 力，魏益兵

（1.神華鐵路貨車運輸有限責任公司，河北 滄州 062350；2.南京諾威爾光電系統有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

鐵路機車零件在加工制造過程中，經常出現鑄、鍛、熱處理和機械加工產生的裂紋等缺陷。有些缺陷隱藏在材料內部，外觀上看不出來，或者外觀上僅僅看見很小的裂紋，而內部缺陷很大很深。這些缺陷如果不能及時準確地檢測出來，勢必造成安全隱患。也有零件原來完好，但由于長期受到擠壓、彎曲、沖擊，造成材料疲勞，產生細微裂紋，如不及時發現處理，將很快向深處發展，終成致命的事故。大多數關鍵零部件的損毀，最初都是一些微細裂紋，甚至不加上很重的壓力時肉眼都無法看見。但在長期運行中，裂紋逐漸擴張，有可能造成嚴重的后果。因此，對各種鐵路機車鉤舌進行檢測，是鐵路行業一直高度重視的領域[1-4]。

在軌道車輛制造過程中，相關的無損檢測方法包括射線、超聲、磁粉、渦流、滲透等。射線檢測方法不適用于面積型缺陷的檢測；超聲檢測方法需要耦合劑，并且只能單點檢測，不能面檢測；磁粉檢測適合于檢測表明近表面缺陷，裂紋方向平行于磁力線傳播方向時，容易發生漏檢，檢測范圍小，速度慢，工件表面覆蓋層會降低檢測靈敏度；渦流檢測受趨膚效應的限制，多應用于工件中單點的檢測；滲透檢測操作繁瑣，容易污染環境，同時檢測成本較高。鑒于常規檢測技術的弊端，很難檢測出軌道車輛制造加工中裂紋缺陷。鐵路機車鉤舌的檢測具有多重難點：表面布滿鐵銹、灰塵、油污等污染物，常規的無損檢測技術手段無法直接應用，必須進行清洗；部件體積大而笨重搬運及檢測困難；部件外形不規整，表面粗糙，對常規檢測手段帶來困難。軌道車輛制造過程中裂紋檢測技術的研究是當前設備監測診斷技術發展的一個重要領域。采用常規檢測技術，很難達到高效率、低成本、快速發現裂紋。因而必須開發出新興檢測技術。

超聲熱波成像技術是一種新興的無損檢測技術[5-8]，該技術對試件中的隱藏裂紋非常敏感[9-13]；該技術是利用試件內部缺陷區域吸收耦合的超聲能量來產生熱量，同時采用紅外熱像儀記錄試件表面溫度的變化，從而得到試件內部缺陷的信息。超聲激勵屬于選擇性的激勵方式，只在缺陷部位產生熱量，熱波在缺陷內部向試件表面傳播過程中不容易受到周圍熱波信號的干擾，因此表面溫度信號的變化更明顯，該技術檢測軌道車輛中裂紋缺陷非常具有優勢。目前在西方先進工業國家已經成功地應用在航天航空領域的關鍵金屬部件的裂紋缺陷檢測[14-16]，如發動機的葉片等。

超聲熱波成像技術非常適合應用于鐵路車輛關鍵部件的裂紋檢測，該技術對檢測表面的形狀、銹跡、粉塵及污染等不敏感，因此可能實現在役檢測。超聲激勵熱波無損檢測技術在超聲耦合、熱激勵研究、圖像處理、系統集成等方面都需要有創新。但是該技術目前主要應用于小體積的零件檢測，對于大體積的鐵路車輛部件上未見應用，該技術應用于機車鉤舌的裂紋檢測難點主要體現在兩個方面，其一在于如何在大部件體內產生足夠強度的混沌聲場；其二在于該技術目前主要在實驗室使用，采用不同廠家部件組裝而成，怎么把該技術從實驗室轉化到工業應用中。

1 方法論述

1.1 基本原理

超聲熱波成像技術又稱為超聲激勵紅外無損檢測技術，超聲熱像成像技術是將超聲激勵和紅外無損檢測相結合的新型無損檢測技術，屬于主動式紅外無損檢測方法的一種，超聲熱波成像技術原理示意圖如圖1所示。超聲熱波成像技術采用20 kHz的超聲波耦合進試件，超聲波在固體中傳播很快，裂紋缺陷區域在超聲波的作用下，由于摩擦生熱、塑性變形、熱彈效應等產生熱量，裂紋缺陷區域溫度升高產生的熱波信號從裂紋缺陷區域向試件表面傳播，裂紋缺陷處對應的試件表面溫度比無裂紋缺陷處溫度高，通過紅外熱像儀采集試件表面的熱波信號，得到了試件表面紅外熱圖序列。由于不同深度的裂紋所產生的紅外信號傳到試件表面的時間是不同的，因此可以對紅外信號強度隨時間變化的關系來對裂紋的深度、大小等信息進行判斷。

圖1 超聲熱波成像技術原理示意圖 Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic thermal wave imaging technology

超聲熱波成像技術檢測過程中熱波信號的轉化過程如下：

1）超聲能量進入試件；

2）裂紋缺陷處由于熱彈效應、摩擦生熱使得缺陷區域溫度升高；

3）缺陷處的溫度由缺陷內部傳播到試件表面；

4）紅外熱像儀采集試件表面的溫度信號。

超聲熱波成像技術與其他激勵方式的紅外無損檢測技術相比其特點在于：一是超聲激勵屬于選擇性激勵，僅對缺陷區域進行加熱，非缺陷區域幾乎不會產生熱量。缺陷區域與非缺陷區域的熱波信號信噪比更高，更容易檢測出缺陷。二是檢測時間快，超聲在固體中傳播速度很快，超聲從激勵位置傳播到缺陷位置幾乎一瞬間，熱波信號直接從缺陷區域傳播到試件表面，不用考慮從表面傳播到缺陷區域，因而其檢測的時間非常短，從超聲激勵開始到裂紋缺陷檢測完成基本在5 s內完成。由于熱波屬于衰減波，熱波在傳播過程中由于熱擴散容易導致熱波信號的衰減，超聲熱波成像技術的上述兩個優點可以很好地減弱熱波信號衰減帶來的影響。因而超聲熱波成像技術能更好地檢測出試件內部的微小裂紋。

1.2 技術優勢

超聲熱波成像技術對工件施加超聲激勵，所需的電功率并不大，與磁粉檢測所需電能相比，只有磁粉檢測耗電的1/10。這樣一來，實際制成的設備很輕很小，可能制成便攜式拿到現場運用。它的檢測時間只有幾秒，甚至可以使用電池供電。

超聲熱波成像無損檢測技術作為一種主動式熱激勵熱像成像技術，在熱激勵方式與圖像處理手段等方面都有創新，其技術主要有下述特點：用途廣，可用于金屬和非金屬材料；與渦流檢測法相比，這種方法不限于導電材料的檢測。陶瓷、粉末冶金、注塑材料均可檢測；速度快，單次測量一般只需幾秒鐘；單次測面積大；超聲波能在材料中較遠距離的傳導，因而可以進行遠距離熱激勵；測量結果用圖像顯示、直觀易懂；對裂紋型缺陷敏感，尤其是垂直于材料表面的細小裂紋；該技術尤其對閉合的疲勞裂紋比較有效，因為這種裂紋的兩壁貼合，容易產生摩擦而發熱，而這種裂紋是其他方法比較難于檢測的；與滲透探傷相比，這種技術可能探測到材料內部的缺陷，不一定裂紋要擴展到表面才被滲透探傷方式檢測出來。這一技術對工件表面的光潔度沒有太多要求，銹蝕和油污的影響不大，所以試件表面不需要經過特別清理。超聲波在工件內部傳播，不一定要將工件拆卸下來，多數情況下可以將儀器送到工件旁邊直接檢測。這樣，可以對有疑問的工件隨時監測，不像以往必須等到大修返廠解體檢修。這種檢測方式沒有輻射，也不要加熱，對人體基本沒有危害，是一種安全的檢測方式。

鑒于這是一種無輻射、輕便可視化的檢測技術，不依賴鐵磁性，也不依賴導電性，在機械、鐵路、航空、航天、船舶制造等領域具有廣泛的應用范圍。

1.3 系統結構

圖2所示的是超聲熱波成像技術的結構示意圖，主要由超聲激勵源、紅外熱像儀及結構支架、計算機等組成。其中超聲激勵源包括超聲驅動器、超聲換能器及變幅桿等。超聲換能器固定在一移動平臺上，移動平臺由步進電機驅動，根據工件的大小調節工作距離，在移動平臺上還安裝有壓縮氣缸，用于推動超聲換能器并調節其對工件的壓力。在壓縮氣缸與超聲換能器之間有一個壓力傳感器，用于控制該壓力的大小。紅外熱像儀安裝在一個可以調節角度與位置的支架上，其圖像采集與超聲激勵系統保持同步狀態，以利于信號的分析。為了提高信噪比，可以采用多次激勵采集并平均的鎖相技術。底座上可對工件進行一定的夾持，防止測試時的移動。超聲激勵裝置固定支架上，方便對試件進行超聲激勵。紅外熱像儀安裝在超聲激勵裝置附近位置，便于采集紅外圖像，同時紅外熱像儀安裝在云平臺上方便進行調節。計算機主要用于對系統控制與紅外圖像采集以及后期紅外圖像處理。

2 實驗結果

設備主要由功率超聲換能器、紅外熱成像儀、夾具、計算機組成。設備采用500 W超聲激勵，20 kHz激勵頻率，單次激勵時間不超過1 s，可重復多次激勵以提高信噪比。紅外熱像儀采用的是制冷熱像儀，分辨率為320 pix×256 pix，等效噪聲溫差（noise equivalent temperature difference, NETD）小于20 mK，采集幀頻60 Hz。

圖2 超聲熱波成像技術的結構示意圖 Fig.2 Structural sketch of ultrasonic thermal wave imaging technology

裂紋缺陷區域產生的熱量與超聲波激勵加載條件、加載位置、預緊力大小、試件材料屬性、裂紋的種類和裂紋的形態等因素有關；因而在實驗過程中需要保證超聲波有效注入試件中，超聲槍激勵頭和試件接觸良好，這就要求超聲槍激勵頭與試件間施加恒定 的初始預緊力，且隨著初始預緊力的增加，耦合到試件中的能量將越多，缺陷處產生熱量也將越多。超聲槍激勵頭在20 kHz激勵頻率下，與試件激勵位置之間形成間歇性接觸，同時在預緊力的作用下，超聲波在試件內部容易形成聲混沌現象，聲混沌越混亂，缺陷區域產生的溫度越高。預緊力的大小與缺陷區域產生的溫度有關，過小的預緊力不利于超聲波耦合進試件內部，過大的預緊力導致超聲激勵頭與試件激勵位置無法形成間歇性接觸，同時過大的預緊力容易對試件造成損傷。

圖3和圖4為機車鉤舌試件，機車鉤舌重35 kg，(a)為超聲激勵位置點光學照片，(b)為缺陷位置點光學照片，(c)為檢測缺陷結果圖像；圖3(c)中可看到明顯L型裂紋，圖4(c)中可檢測出裂紋。

實驗檢測過程中發現超聲激勵后內部裂紋缺陷對應的表面溫度最高，熱波信號最強，紅外圖像中表現為亮斑，無裂紋區域對應的表面溫度沒有變化。預緊力在實驗過程中非常關鍵，通過多次預緊力的調節，預緊力在200 N左右時，缺陷位置溫度最高；為了更好地檢測出鉤舌試件裂紋缺陷，需要激勵不同區域，以達到完全覆蓋整個試件。在超聲激勵作用下，試件中會出現強烈的非線性振動現象，包括超諧波振動、次諧波振動、準次諧波振動、混沌等；超聲激勵過程中的非線性振動變現為即使能量較低的情況下也會取得較好的檢測效果，聲混沌產生與預緊力有關，不依賴于缺陷存在。待測試件的強非線性振動現象能夠大大增加超聲紅外熱波成像技術對缺陷的檢測能力。

紅外熱波信號產生的強弱與幾個參數密切相關，在實驗過程中需要摸索出實驗參數。超聲換能器與工件之間的壓力：這對熱波信號的激勵十分重要，壓力過小聲波耦合效率不高，但過高會對換能器的壓力太大，使其不能正常工作，根據前期實驗的結果，這個壓力一般控制在200 N附近；超聲激勵的頻率：由于特定頻率在工件內部可能產生駐波，因此如果裂紋處在波谷處則無法激勵熱波信號，故而采用可調頻高功率超聲驅動器，其頻率范圍可在18～22 kHz之間調諧，功率輸出在500～1000 W左右；超聲換能器與工件接觸位置：超聲變幅桿與工件直接接觸，觸點的位置很重要，有些接觸部位可能在裂紋的地方產生聲場的盲區而無法激勵熱波信號。該技術可以讓工件相對超聲變幅桿進行各種平移和轉動，而熱像儀也將隨之變動。超聲耦合的方式：超聲變幅桿與工件接觸時如果耦合不好則能量不能有效傳遞，同時對一些表面有 一定要求的工件直接接觸可能造成損傷，所以需要在超聲變幅桿與工件之間使用耦合材料，這些材料需要有一定的柔性，具有很強的韌性。可以采用化纖襯底的膠帶、高強度紙張等材料。

圖3 鉤舌試件1Fig.3 Coupler tongue specimen 1

圖4 鉤舌試件2Fig.4 Coupler tongue specimen 2

3 結語

超聲熱波成像技術是一種新興檢測技術，可以用于對列車車頭、車架、軸承、鉤頭、車鉤等零部件進行檢測，可以有效提高列車運營的安全性，減小事故發生概率，為企業提供更為有效的安全保障，更為有效地減小企業運營成本。相對于常規檢測手段，有顯著的技術優勢，具有明顯的推廣價值。可以有效解決目前一些零部件裂紋缺陷無法有效檢測的難題。本文設計開發了一套超聲熱波成像無損檢測系統，系統可以很好地實現超聲槍與試件的耦合，最后通過該系統對兩個鐵路機車鉤舌試件進行了檢測，檢測出了兩個鐵路機車鉤舌的裂紋缺陷，驗證了該系統對機車鉤舌裂紋的檢測能力，為這些部件的質量控制及維修工藝提供參考依據。