超聲相控陣技術在高速動車組轉向架焊縫檢測中的應用

王麗萍　田勐　蔡瑞明　胡立國　陳蘊新

摘要：結合CRH3型系列高速動車組構架產品的結構特點，分析CRH3型系列高速動車組構架閘片托吊座關鍵焊縫內部檢測工藝難點，通過實驗驗證了超聲相控陣檢測工藝方案，并對閘片托吊座設計結構改進提出合理性建議。對該焊縫進行相控陣超聲波檢測并在實際檢測中得到驗證，可以準確檢測出該焊縫內部各種缺陷，研究了相控陣超聲波技術在該類型焊縫檢測方面的應用，實現了該焊縫檢測的全覆蓋，保證了焊縫質量。

關鍵詞：高速動車組;相控陣超聲波;焊縫;缺陷

中圖分類號：TG441.7文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0080-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.15

0 前言

CRH3型系列高速動車組是世界上運營速度最快、科技含量最高的高速動車，其轉向架承載著整個車體的質量并提供全車的運行和制動，轉向架構架焊縫一旦失效，會造成嚴重的安全事故。閘片托吊座焊接在CRH3型系列高速動車組動車轉向架構架側梁內側，作為三點吊掛制動夾鉗中的一個安裝吊點，是動車轉向架構架上的一個關鍵部件，閘片托吊座與側梁連接焊縫的焊接質量對CRH3型系列高速動車組的運營安全有著重要影響，因此對該焊縫內部質量的檢測至關重要。本文針對構架閘片托吊座關鍵焊縫，研究了超聲相控陣技術對其進行內部檢測的可行性，分析了實際應用中缺陷的檢出情況，保證缺陷不漏探。

1 試驗材料、設備及方法

1.1 材料

如圖1～圖3所示，閘片托吊座材質為S355J2+N，執行標準為EN10025-2，閘片托吊座焊接到構架側梁上，上部與側梁上蓋鋼板焊接，立筋與構架內側立鋼板焊接，一側為閘片托吊座吊座，另一側為側梁上蓋板，檢測部位為熔深14 mm的側梁上蓋板與閘片托吊座全焊透焊縫，閘片托吊座側開45°坡口，側梁上蓋板側不開坡口。焊縫長110 mm，受力比較復雜，采用手工MAG焊方式進行焊接，焊接難度大，容易出現未焊透、未熔合等缺陷，必須進行內部探傷檢測以保證焊接質量。由于結構限制該焊縫無法進行射線檢測，而采用常規超聲波技術無法全面覆蓋焊縫且極易造成誤判，因此采用超聲相控陣技術進行檢測。

1.2 超聲檢測設備

1.2.1 儀器

采用ISONIC 3510型便攜式相控陣超聲波檢測儀器，檢測結果顯示為模擬圖像，可以顯示缺陷位置，減少誤判。閘門的位置、寬度及高度任意可調，檢測結果以A掃描、B掃描及C掃描三維立體形式顯示。

1.2.2 探頭

閘片托吊座在焊接過程中，可能產生的缺陷有以下3種：

（1）側梁上蓋板一側未開坡口，焊縫根部容易出現未焊透缺陷，這也是超聲相控陣檢測需要關注的重點之一。對于這類焊縫根部未焊透的檢測，采用35°～55°入射角檢測效果最佳。

（2）閘片托吊座一側焊縫坡口角度為45°，未熔合缺陷是焊縫主要的缺陷類型，采用45°入射角檢測效果最好。

（3）除以上兩種缺陷外，焊縫中還可能存在氣孔、夾渣等缺陷，這類缺陷對超聲波探頭入射角度沒有要求。

針對閘片托吊座與側梁上蓋板對接焊縫結構特點，設置相控陣探頭檢測參數如下：

（1）采用頻率5 MHz、16晶片的線性相控陣探頭，扇形掃描方式進行檢測，扇形角度范圍為35°～75°，角度步進1°。

（2）相控陣探頭型號為109056/5 MHz/16X0.5，楔塊角度為36°。

（3）檢測標準為ISO17640中規定的B級，評定按標準按ISO 11666中2級執行。

1.3 試驗方法

1.3.1 實物試塊

如圖4所示，采用相同的焊接工藝制作了閘片托吊座實物試塊，并刻不同深度的槽作為人工缺陷，其中1號缺陷深度2.2 mm，2號缺陷深度3.1 mm，1號缺陷和2號缺陷模擬深度較淺的缺陷，3號缺陷深度9.6 mm，模擬焊縫根部缺陷。

1.3.2 相控陣超聲波檢測技術

閘片托吊座焊縫結構如圖5所示，采用常規超聲波檢測困難，原因如下：

（1）焊縫距離立板較近，立板會影響超聲波入射路徑，造成二次波可利用的底面距離只有3～5 mm，影響對焊縫上半部分的檢測。另外超聲波探傷只能在閘片托吊座單側進行，按照ISO 17640標準要求，如果探頭只從焊縫單側進行檢測，需使用兩種不同角度的探頭，兩種探頭間角度差應不小于10°，實施應用中檢測困難。

（2）立板和側梁上蓋板的連接焊縫會產生反射回波，影響對缺陷的判斷。

（3）閘片托吊座焊縫在組對過程中經常形成錯邊，且焊縫中間長70 mm屬于封閉結構，無法通過觀察焊縫背部成型情況排除因錯邊造成的干擾回波，對超聲波探傷過程中的缺陷判定有極大的影響。

基于上述原因，常規超聲波檢測無法全面覆蓋該焊縫且極易造成誤判。超聲相控陣技術是利用多壓電陣元和延遲控制來激勵、接收超聲波信號的技術[1]，可獲得靈活可控的合成波束[2]，在保證檢測靈敏度的同時實現對目標區域的針對性覆蓋[3]，具備很高的檢測精度和檢測效率[4]，能實時獲得檢測結果[5]，ISONIC 3510型便攜式相控陣超聲波檢測儀具有角度增益補償設置功能，成像結果與真實幾何結構一致。在儀器上輸入閘片托吊座焊縫信息，并通過檢驗有人工缺陷的閘片托吊座實物試塊驗證仿真圖的準確性以及超聲波的覆蓋范圍，確保全面掃查被檢測焊縫。圖6是超聲相控陣探頭距閘片托吊座焊縫邊緣分別為1 mm和65 mm時，模擬實物焊縫結構檢測覆蓋顯示圖。

2 結果與討論

2.1 相控陣超聲波檢測技術分析

采用相控陣超聲波技術對閘片托吊座實物試塊上三個不同位置的人工缺陷進行了檢測，驗證缺陷的可檢出度以及相控陣超聲波檢測的覆蓋范圍，結果如下：

（1）如圖7所示，相控陣探頭前端距離焊縫邊緣65 mm時，可檢出1號缺陷，深度2.2 mm，檢出探頭角度為73.5°。

（2）如圖8所示，相控陣探頭前端距離焊縫邊緣45 mm時，可檢出2號缺陷，深度3.1 mm，檢出角度為65.5°。

（3）如圖9所示，相控陣探頭前端距離焊縫邊緣1 mm時，可檢出3號缺陷，深度9.6 mm，檢出角度為53°。

試驗結論：相控陣探頭前端在距閘片托吊座焊縫邊緣1 mm、45 mm和65 mm處沿焊縫水平方向掃查，可以實現對閘片托吊座焊縫的全覆蓋。其中相控陣探頭前沿距焊縫邊緣45 mm、65 mm掃查時，主要利用二次波對閘片托吊座焊縫上半部分進行掃查;相控陣探頭距焊縫邊緣1 mm掃查時，主要利用一次波對閘片托吊座焊縫下半部分進行掃查，尤其是對焊縫根部的掃查。

2.2 錯邊對閘片托吊座焊縫的影響

實際焊接中，閘片托吊座焊縫在組對時經常發生根部錯邊的情況，具體如下：

（1）如圖10所示，當閘片托吊座根部一側高于側梁上蓋板底平面時，焊縫位于側梁上蓋板側根部容易產生未熔合缺陷，且閘片托吊座側根部余高形成的反射波深度小于板厚14 mm，與坡口未熔合反射的回波相似。

（2）如圖11所示，當閘片托吊座一側低于側梁上蓋板底平面時，焊縫位于側梁上蓋板側根部成型性良好，且吊座側不會形成有干擾的反射回波，便于檢測和缺陷的判斷。

為模擬閘片托吊座不同根部錯邊的情況，采用正式焊接工藝制作了3個實物試塊，錯邊尺寸見表1。采用相控陣超聲波技術進行檢測，并對實物試塊有反射回波的位置縱向切割進行磁粉探傷驗證，結果如下：

（1）1號試塊。如圖12所示，1號試塊由于閘片托吊座側高于側梁上蓋板底平面，相控陣超聲波檢測結果為深13.3 mm、距探頭前沿1.9 mm處有強烈反射回波，檢測角度為47°，整條焊縫均存在此回波，相控陣檢測初步判定為焊縫未熔合，該反射波通過試塊切割并磁粉檢測驗證為根部未熔合;如圖13所示，相控陣探頭在掃查過程中也發現深度11.8 mm處有反射回波，該反射波經磁粉檢測驗證為未熔合;另外閘片托吊座側根部余高會形成反射波且深度小于板厚14 mm，與坡口未熔合形成的反射波容易混淆，此類型的反射波通常存在于全部焊縫長度，如果將焊縫余高磨平則該反射波消失。

（2）2號試塊和3號試塊。2號試塊不存在錯邊。如圖14所示，3號試塊經過相控陣超聲波檢測，B掃描和C掃描均未發現超標缺陷，說明當閘片托吊座吊座一側低于蓋板底平面時，蓋板側根部成型性良好。需要注意的是，第一次掃查主要針對焊縫根部利用一次波進行掃查，圖形中顯示反射波深度16 mm、超過焊縫厚度14 mm，不是焊縫中缺陷，應加以區分。

試驗結論：當閘片托吊座一側低于側梁上蓋板底平面時，焊縫位于側梁上蓋板側根部側成型性良好，且吊座側不會形成干擾回波，便于檢測和缺陷的判斷。而當閘片托吊座一側高于側梁上蓋板底平面時，側梁上蓋板側根部焊縫容易未熔合，且閘片托吊座側根部余高的反射波容易與坡口未熔合的反射波混淆。通過本次實驗結果，為后期閘片托吊座的設計結構改進提供了較為科學、可靠的信息。

2.3 技術驗證

相控陣超聲波檢測技術可以準確檢測出高速動車組閘片托吊座焊縫內部各種缺陷。如圖15所示，相控陣超聲波技術實際檢測中探測出閘片托吊座焊縫內部未熔合，剖開該焊縫后進行了磁粉探傷驗證，檢測結果與相控陣超聲波檢測結果一致。

3 結論

針對CRH3型系列高速動車組構架閘片托吊座關鍵焊縫構架復雜結構，分析該產品的結構特點和檢測工藝難點，最終確定采用超聲相控陣技術，并通過一系列實驗和實際檢測結果得出，超聲相控陣技術能夠準確檢測出該類型焊縫中存在的各類內部缺陷，實現高速動車組構架閘片托吊座焊縫檢測的全覆蓋，為高速動車組閘片托吊座設計結構改進提供了較為科學、可靠的信息，對閘片托吊座關鍵焊縫的質量保證具有重要意義。

參考文獻：

[1] 林彤，姚欣. 管板與筒體接頭相控陣超聲檢測技術應用[J]. 無損檢測，2018，40（12）：31-36.

[2] 孟永樂. 超聲相控陣對小徑管焊縫檢測研究[J]. 鑄造技術，2018，39（3）：633-636.

[3] 原可義，吳開磊，楊齊，等. 相控陣超聲檢測中的近場和遠場選擇[J]. 無損檢測，2019，41（3）：1-5.

[4] 沙正驍，梁青，李彥. 基于超聲環陣相控陣的變孔徑聚焦檢測技術[J]. 失效分析與預防，2019，14（2）：84-89，95.

[5] 楊晶，楊康東，張文澤. 小徑管對接焊接接頭的相控陣超聲檢測[J]. 無損檢測，2019，41（3）：58-60.