萬(wàn)升云，章文顯，劉仕遠(yuǎn)，任好娟，陳仕華

(南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011)

聯(lián)軸節(jié)電子束焊焊縫超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)

萬(wàn)升云，章文顯，劉仕遠(yuǎn)，任好娟，陳仕華

(南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司，江蘇 常州 213011)

針對(duì)聯(lián)軸節(jié)電子束焊縫比較特殊、射線和普通超聲波檢測(cè)存在一定困難的特點(diǎn)，采用超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。分析聯(lián)軸節(jié)電子束焊縫的結(jié)構(gòu)，結(jié)合超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，確認(rèn)相控陣檢測(cè)技術(shù)可用于該類型焊縫的檢測(cè)。制訂相控陣檢測(cè)工藝，設(shè)計(jì)制作了靈敏度測(cè)試試塊，并進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用超聲波相控陣檢測(cè)技術(shù)可同時(shí)進(jìn)行A型、B型、C型超聲波檢測(cè)掃描，具備檢測(cè)靈敏度高、檢測(cè)結(jié)果直觀等特點(diǎn)，可有效實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸節(jié)電子束焊焊縫缺陷的檢測(cè)。

聯(lián)軸節(jié)；電子束焊；超聲波檢測(cè)；超聲波相控陣檢測(cè)；無(wú)損檢測(cè)

0 前言

電子束焊是一種高能量密度、高焊接效率的焊接方法。與其他焊接方法相比，具有焊縫寬度小、深寬比大、熱影響區(qū)小、母材變形小、輸入能量容易精確控制等一系列特點(diǎn)。南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司生產(chǎn)的聯(lián)軸節(jié)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造質(zhì)量要求高，采用其他焊接方法無(wú)法滿足工藝質(zhì)量要求，因此采用了電子束焊。

由于電子束焊接設(shè)備、工裝夾具、焊接工藝、熱處理方式或人員操作等原因，在焊接過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生氣孔、微裂紋、熔透深度不夠等缺陷。這些缺陷的存在，不僅影響聯(lián)軸節(jié)的性能，而且嚴(yán)重影響了機(jī)車車輛的安全運(yùn)行。因此，要求對(duì)聯(lián)軸節(jié)電子束焊焊縫進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，并能給出定位、定量的檢測(cè)結(jié)果，以便對(duì)聯(lián)軸節(jié)焊接質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，從而保證聯(lián)軸節(jié)的焊接質(zhì)量和行車運(yùn)輸安全。

1 常規(guī)檢測(cè)技術(shù)特征分析

在聯(lián)軸節(jié)制造和質(zhì)量技術(shù)條件中，對(duì)缺陷大小和熔透深度要求非常嚴(yán)格，加之聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)的限制(見(jiàn)圖1)，常規(guī)的X射線和超聲波檢測(cè)技術(shù)難以滿足檢測(cè)要求。

1.1 X射線檢測(cè)技術(shù)分析

X射線探傷比較直觀，通過(guò)X射線底片能看到缺陷的形貌和分布等信息，但X射線探傷對(duì)于在工件壁厚方向尺寸較小(＜2%T)的缺陷不敏感，有時(shí)可能檢測(cè)不出。聯(lián)軸節(jié)電子束焊縫金屬和熱影響區(qū)較窄，缺陷一般都發(fā)生在焊縫中心，在工件厚度方向的尺寸也較小，X射線探傷不易檢測(cè)。對(duì)于這類缺陷最好的透照方向是平行于焊縫，而聯(lián)軸節(jié)為封閉結(jié)構(gòu)，膠片無(wú)法放置，接收不到缺陷圖像，因此無(wú)法采用這種方式透照。工藝試驗(yàn)過(guò)程中，曾采用X射線垂直透照未發(fā)現(xiàn)缺陷，解剖下來(lái)卻發(fā)現(xiàn)一條30 mm弧長(zhǎng)的條形缺陷。

圖1 聯(lián)軸節(jié)結(jié)構(gòu)示意

1.2 常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)分析

X射線檢測(cè)無(wú)法滿足檢測(cè)要求，嘗試采用超聲波檢測(cè)技術(shù)。常規(guī)超聲波檢測(cè)雖然不存在上述問(wèn)題，但也有其局限性。

超聲波探傷通過(guò)計(jì)算或試塊對(duì)比可以得到缺陷的當(dāng)量值，由于無(wú)法直觀地看到類似X射線底片提供的缺陷圖像，對(duì)缺陷的真實(shí)形貌、大小并不清楚；超聲波探傷比較抽象，除了制定相應(yīng)的工藝標(biāo)準(zhǔn)外，探傷人員的操作是否規(guī)范(比如掃查速度是否過(guò)快、掃查是否全覆蓋等)、是否有足夠的判傷經(jīng)驗(yàn)等都容易造成漏檢；由于連軸器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特殊，采用常規(guī)超聲波方法檢測(cè)時(shí)，有的部位無(wú)法檢測(cè)，容易漏探；電子束焊焊縫非常窄，但深度大，常規(guī)超聲波檢測(cè)難度較大，無(wú)法精確測(cè)量熔焊深度，難以滿足質(zhì)量要求。為了解決以上問(wèn)題，采用相控陣超聲波成像檢測(cè)技術(shù)。

2 相控陣超聲成像檢測(cè)技術(shù)

相控陣超聲檢測(cè)是用若干壓電陣元組成陣列換能器，實(shí)現(xiàn)聲束的相控發(fā)射與接收。與傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)采用電子方法控制聲束聚焦和掃描，可以在不移動(dòng)或少移動(dòng)探頭的情況下進(jìn)行快捷的掃描，提高檢測(cè)效率；(2)具有良好的聲速可達(dá)性，能對(duì)復(fù)雜幾何形狀的工件進(jìn)行掃描；(3)具有優(yōu)化控制焦點(diǎn)尺寸、焦區(qū)深度和聲速方向，可提高檢測(cè)分辨力、信噪比和靈敏度等性能；(4)能檢測(cè)一些臨界缺陷(無(wú)論缺陷方向)，提高檢測(cè)、定位、定量和定向精度；(5)對(duì)“合乎使用”(或稱“工程臨界評(píng)定”或“壽命評(píng)價(jià)”)檢測(cè)提供易于判讀的定量分析報(bào)告。

傳統(tǒng)的超聲波檢測(cè)通常采用一個(gè)晶片來(lái)產(chǎn)生超聲波，只能產(chǎn)生一個(gè)固定的波束，其波形是預(yù)先設(shè)計(jì)的，因而無(wú)法改變。相控陣超聲檢測(cè)的探頭由數(shù)個(gè)小的壓電晶片按照一定的序列構(gòu)成，使用時(shí)相控陣儀器按照預(yù)定的規(guī)則和時(shí)序?qū)μ筋^中的一組或全部分別進(jìn)行激活，即在不同的時(shí)間內(nèi)相繼激發(fā)探頭中的多個(gè)晶片，每個(gè)被激活的晶片發(fā)射的超聲波束互相干涉形成新的波束，波束的形狀和偏轉(zhuǎn)角度等可以通過(guò)激發(fā)晶片的數(shù)量和時(shí)間來(lái)控制。常用的相控陣晶片陣列有線陣、矩陣、環(huán)陣等，其中一維線陣應(yīng)用最為成熟，從控制角度講，最容易編程控制，并且費(fèi)用明顯少于其他陣列。目前已含有256個(gè)晶片的探頭，可滿足多種情況的應(yīng)用。

3 相控陣超聲檢測(cè)工藝方法

3.1 檢測(cè)工序安排

鍛造毛坯→左半、右半精加工→傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)、磁粉探傷→電子束焊接→焊后熱處理→焊縫頂部外圓面加工→相控陣超聲檢測(cè)。

3.2 對(duì)比試塊的制作

為了驗(yàn)證相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)聯(lián)軸節(jié)電子束焊焊縫質(zhì)量的可行性和可靠性，根據(jù)聯(lián)軸節(jié)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)制作了聯(lián)軸節(jié)電子束焊焊縫的對(duì)比試塊。并根據(jù)實(shí)際焊接過(guò)程中容易出現(xiàn)的缺陷性質(zhì)和質(zhì)量驗(yàn)收要求，試塊中的缺陷設(shè)計(jì)為平底孔缺陷，其尺寸分別為φ 1 mm、φ 2 mm、φ 3 mm、φ 4 mm、φ 5 mm五種規(guī)格缺陷，深度均為6 mm。為確保焊縫熔透深度的可靠檢測(cè)，設(shè)計(jì)了20.1 mm、21.2 mm、22.1 mm、23.2 mm、24.1 mm和25.2 mm不同尺寸的焊縫熔透深度。

為了確定和校驗(yàn)檢測(cè)靈敏度，并結(jié)合質(zhì)量要求，設(shè)計(jì)了用于斜探頭靈敏度確定和校驗(yàn)的φ 2 mm×6 mm短橫孔對(duì)比試塊和用于直探頭靈敏度確定和校驗(yàn)的φ 3 mm平底孔對(duì)比試塊。

3.3 檢測(cè)探頭確定

為保證焊縫的全面可靠檢測(cè)，工藝設(shè)計(jì)中要求采用有32個(gè)晶片的直探頭和斜探頭，扇掃角度分別為±20°～±80°和40°～80°。

3.4 檢測(cè)面

檢測(cè)面的確定一方面要保證檢測(cè)方便，便于操作；另一方面要求保證整個(gè)焊縫的全面檢測(cè)，無(wú)檢測(cè)盲區(qū)。在外圓面進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，經(jīng)解剖驗(yàn)證，效果較差。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，在聯(lián)軸器右半焊縫部位平面進(jìn)行檢測(cè)，效果最佳。

3.5 檢測(cè)靈敏度

調(diào)節(jié)儀器增益按鈕，分別用零度直探頭對(duì)準(zhǔn)20mm聲程處φ 3 mm平底孔，使其反射波高至儀器滿幅度的80%；用斜角橫波探頭對(duì)準(zhǔn)深度20mm處φ 2mm× 6 mm短橫孔，使其反射波高至儀器滿幅度的80%，以此作為實(shí)際檢測(cè)時(shí)的靈敏度。

4 檢測(cè)結(jié)果與分析

按照上述檢測(cè)工藝，除進(jìn)行模擬試驗(yàn)驗(yàn)證外，還檢測(cè)了1 500余件實(shí)物工件，發(fā)現(xiàn)有缺陷的聯(lián)軸節(jié)21件。同時(shí)，對(duì)相控陣超聲檢測(cè)發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的工件進(jìn)行標(biāo)識(shí)和定位，然后分別進(jìn)行解剖驗(yàn)證，結(jié)果為：檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)聯(lián)軸器距探測(cè)面深度20 mm、距外圓面22 mm處有斷續(xù)一周線性缺陷反射波，最大平底孔當(dāng)量為φ 3 mm+6 dB，相控陣掃描結(jié)果如圖2所示。焊縫無(wú)缺陷時(shí)直探頭扇掃顯示圖像如圖3所示；有缺陷時(shí)直探頭C掃描圖如圖4所示。

圖2 直探頭扇掃

為確保焊縫全方位檢測(cè)無(wú)檢測(cè)盲區(qū)，實(shí)際檢測(cè)時(shí)還采用斜探頭進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如圖5、圖6所示。

從圖中可以直觀地看到缺陷在焊縫中的深度、位置和形狀。

為驗(yàn)證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)部分檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了解剖驗(yàn)證。圖7為與型腔薄壁相連的焊縫根部存在氣孔的解剖照片。

圖3 焊縫無(wú)缺陷部位直探頭扇掃

圖4 直探頭C掃描

圖5 斜探頭扇掃

圖6 斜探頭C掃描

5 結(jié)論

(1)對(duì)于聯(lián)軸節(jié)電子束焊焊縫，采用超聲相控陣檢測(cè)技術(shù)能夠可靠地檢測(cè)焊縫內(nèi)部缺陷和熔透深度。

圖7 有缺陷部位切片照片

(2)探頭的行走方向應(yīng)與探頭扇掃方向垂直；對(duì)于同一缺陷，隨著相控陣探頭焦點(diǎn)位置的變化，波幅出現(xiàn)明顯變化。

(3)對(duì)于直接接觸法而言，直探頭有機(jī)玻璃楔塊的厚度決定了探測(cè)深度。因?yàn)榧友b有機(jī)玻璃楔塊，類似于常規(guī)A超的水浸法探傷，工件一次底波應(yīng)該出現(xiàn)在有機(jī)玻璃二次界面波之前。因此，檢測(cè)不同厚度的工件就應(yīng)換裝對(duì)應(yīng)厚度的有機(jī)玻璃楔塊。

(4)定量時(shí)應(yīng)以A型顯示為主，B型、C型為輔；定性時(shí)應(yīng)以C掃直觀的圖像顯示為主。

(5)不同的靈敏度下掃查后得到的缺陷俯視圖面積不同。靈敏度越高，缺陷俯視圖像面積越大，因此靈敏度不應(yīng)過(guò)高，以免缺陷俯視圖失真。

(6)超聲相控陣檢測(cè)一般應(yīng)該實(shí)施機(jī)械掃查或借助工裝手工掃查，重復(fù)性好，可實(shí)時(shí)顯示A超、B掃描、C掃描圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行處理和3D顯示，檢測(cè)結(jié)果直觀，對(duì)于探傷人員減少漏檢非常有幫助。但是與常規(guī)超聲波檢測(cè)一樣，也受到諸如表面粗糙度、耦合質(zhì)量、被檢材料的冶金狀態(tài)、探測(cè)面選擇等工藝因素的影響，仍然需要有對(duì)比試塊來(lái)校準(zhǔn)，儀器的調(diào)節(jié)過(guò)程比較復(fù)雜，調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響較大。

Research on PAUT technology of EBW welding seam

WAN Sheng-yun，ZHANG Wen-xian，LIU Shi-yuan，REN Hao-juan，CHEN Shi-hua
(CSR Qishuyan Institute Co.，Ltd.，Changzhou 213011，China)

According to the special characteristic of electron beam weld in shaft coupling，it is hard to apply radiographic testing and normal ultrasonic testing，so the phase array ultrasonic testing(PAUT)is required.In the paper，the structure of the electron beam weld (EBW)in the shaft coupling is analyzed，and also the trait of PAUT.So it seems that the PAUT is fit to the EBW.And then a PAUT process is setup，reference block for sensitivity is produced，and several experiments are put in.At last，it is shown，A-type，B-type and C-type ultrasonic testing can be done synchronously via PAUT，and it has characteristics of high sensitivity，intuitionistic result，etc.so as to apply testing on EBW in shaft coupling availably.

shaft coupling；electron beam weld(EBW)；ultrasonic testing；phase array ultrasonic testing(PAUT)；non-destructive testing(NDT)

TG115.21

B

1001-2303(2011)11-0084-04

2011-05-16

中國(guó)南車科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011NCK109)

萬(wàn)升云(1966—)，男，湖北人，教授級(jí)高工，博士，主要從事無(wú)損檢測(cè)工藝技術(shù)研究和管理工作。