超聲波檢測技術在城鐵地板上的應用研究

黃艷,林雨廷,高忠良

(1.長春工程學院 大學生創新創業教育學院,長春 130012;2.中車長春軌道客車股份有限公司 工程技術中心,長春 130062)

0 前言

隨著我國經濟的飛速發展,市場對城鐵車輛的需求逐漸增大,國內城市軌道交通的發展水平也不斷提高。目前,我國的軌道交通運營里程居全球第一,超越了很多發達國家的水平。中國軌道交通裝備的制造水平、管理水平等都有了大幅度的提升,該行業具有高科技性、高可靠性和高經濟性等特征,與城鐵車輛相關的制造技術也得到迅猛發展,現階段輕量化材料已被軌道交通行業廣泛應用,其中鈦合金材料正在試驗階段,隨著眾多輕量化材料的使用,保證材料的質量成為重要研究課題。吉林大學對鋁合金蜂窩板進行了水浸法超聲波檢測,其效果比較穩定,但在實際檢測過程中無法利用水浸法。與此同時,無損檢測技術的應用與發展也取得了前所未有的進步:磁粉檢測技術主要用于軌道車輛的轉向架構架的檢測,但是其只能檢測表面及鄰近表面缺陷,無法發現皮下缺陷;滲透檢測技術主要用于軌道車輛車體檢測,其可以發現表面開口缺陷,適用于鋁合金及不銹鋼材料,但也無法檢測皮下缺陷;射線檢測技術可以發現皮下缺陷,但是受射線設備及場地影響,適用情況很少;超聲波檢測技術可以利用聲波反射原理發現工件內部缺陷,且設備操作簡單,方便攜帶,被廣泛應用在軌道車輛焊縫質量檢測中,如轉向架構架側梁長大焊縫檢測、車體牽枕梁焊縫檢測。超聲波檢測技術因具有快速、準確、直觀和成本低廉等優點,所以優于常規的探傷方法[1-6]。本文研究了超聲波檢測技術在城鐵地板上的應用,通過對超聲波反射聲波回波信號多角度分析,可以評估地板焊縫的質量,對城鐵地板焊縫成型質量控制研究提供了參考。

1 超聲波檢測原理

1.1 超聲平面波在大平界面上垂直入射的行為

超聲波檢測的基本原理是聲波在不同界面處會產生反射、折射等現象,進而分析回波信號可以判斷缺陷位置及大小。當超聲波以90°入射角入射到平行于水平線的界面時,聲波能量會因界面情況的差異發生能量被阻礙或被吸收的不同分配結果。就是說當超聲波以一定角度入射到被檢查的工件表面上,部分聲波會被被檢查工件表面反射出去,一部分聲波會進入工件直到底部才會被反射回來,返回來的聲波都會被探頭接收到,形成聲波的回波信號,我們可以分析回波信號的特點,正常情況下,相鄰回波的返回時間應該是一樣的,如果有提前回來的聲波,那么就可判定此處對應的界面存在缺陷,對缺陷的大小可通過半波法進行測量。如果相鄰反射回波間隔時間是相同的,那么說明被檢查工件內部沒有缺陷。

1.1.1 超聲波在單一的平面界面的反射和透射

當超聲波以90°角入射到兩個不同介質(聲阻抗不同)的平面,一部分聲波會在平面發生反射,而且其中部分聲波反射路徑與聲波入射路徑相同,方向相反。另一部分聲波會透過界面,在介質底面發生全反射。在實際工程應用中,單晶探頭是被使用最廣泛的,其使用方法簡單且信號易于區分,對操作者的技術水平要求不高,聲波的發射和接收都由同一探頭完成,其在理想狀態(聲波在界面的反射和透射波都沒有損失,都被探頭接收)下的返回聲壓與入射聲壓比值為聲壓往復透過率。

1.1.2 多層平面界面垂直入射

在實際中應用超聲波檢測時,聲波會穿過很多層不同介質,每種介質的聲阻抗都不同,比如檢測鋼材的聲阻抗不同的薄層、耦合劑層、探頭保護膜等。要保證有良好的透聲效果,需保證各種薄層厚度是進行超聲波檢測時的半波長的整數倍。在實際檢測過程中,需要對探頭施加一定的作用力,要求檢測面表面光滑,不能有顆粒物,保證耦合效果。為了保證保護膜有較高的透聲效果,保護膜的厚度為半波長的奇數倍最好。探頭的聲阻抗對檢測效果的影響也比較大,選擇合適的聲阻抗會得到反射回波較高的信號,易于區分缺陷。

在超聲波檢測過程中,當接收到的缺陷反射強度為入射聲波強度的1%時,就可得到缺陷的反射回波。當使用直探頭(頻率為1 MHz)檢測鋼中氣隙(如兩塊高精度塊規之間的縫隙)厚度時,就會接收到近于全反射的聲波,此時入射聲波百分之百被接收。在檢測過程中遇到表面不平整并帶有其他物質,界面分層更明顯的物體時,聲波對其缺陷更敏感,因此更容易被檢測出來。尤其對界面分層的情況,檢測效果更好。

1.2 超聲波傾斜入射到界面時的反射和折射

當超聲波斜入射進入物體時,運用反射定律和折射定律可以計算聲波在界面處反射和折射超聲波束的傳播方向,但不能確定3種波形之間存在何種聯系[7-10]。

2 超聲波檢測設備與使用方法

2.1 超聲波檢測設備及檢測要求

超聲波檢測設備的電路圖是把儀器的每個部分用方框來表示,各方框之間相互連接,說明各部分電路之間存在關系,相互作用。電路方框圖可以看出整個電路工作原理及工作結構,但是看不出電路具體的關聯方式和方法,也看不出元件的具體位置。本文使用的A型脈沖反射式超聲波檢測儀相當于一種專用示波器,盡管型號、外形、體積和功能各不相同,但它們的基本結構和原理大同小異,基本都由這幾個主要部分組成:同步電路、掃描電路、發射電路、接收放大電路、顯示電路和電源電路等。

本文利用的超聲波檢測探頭如圖1所示,其中D代表壓電晶片直徑,F為聚焦區長度,F1代表聚焦起始深度,F2代表聚焦結束深度。圖2為超聲波檢測設備系統,主要由工業計算機、探頭、軟件系統等組成。本文超聲波檢測標準執行ISO 17640,驗收標準執行ISO 11666,人員要求具備ISO 9712二級以上資質,并且視力要求達到5.0以上,非色盲。進行超聲波檢測的人員需要熟練掌握超聲波檢測技術,了解焊接的基本常識,了解常見缺陷的類型及波形。進行檢測時操作者要身穿工作服,戴好安全帽。檢測場地既要明亮又不能有刺眼的光芒,否則會影響波形的判斷,進行工件檢測的房間要提前冷卻近6 h才能進行檢測,檢測過程中要保持室內溫度在5～35 ℃。超聲波檢測前需要使用牛角試塊進行制作DAC曲線。

圖2 超聲波檢測設備系統

2.2 超聲波檢測準備工作

各工序開工前,操作者應對設備工具、技術文件、料件質量進行仔細檢查、確認后,方可開始施工。具體包括設備狀態檢查、工具狀態檢查及料件質量檢查等。

2.2.1 設備狀態檢查

使用超聲波探傷儀前應做的檢查:

1)必須全面檢查探傷儀各部分技術狀態,儀器各部分性能良好無故障,未過檢定期。

2)需對靈敏度和DAC曲線進行校驗,填寫靈敏度記錄。需至少每隔4 h及檢測完成后,對靈敏度進行1次校驗。校驗中發現有偏差時,按靈敏度和范圍校驗要求進行調整。

3)探傷靈敏度的確定。使用RB-1試塊制作DAC曲線,并以第一孔回波幅度為滿屏的80%時的增益值作為基準靈敏度,DAC曲線即標準ISO 11666中的參考水平。

2.2.2 工具狀態檢查

使用前應準備好試塊、鋼板尺等工具,并檢查工具的狀態是否良好,所有需要計量檢測的工具都必須在有效期內。

2.2.3 料件質量及施工環境檢查

1)焊縫需冷卻至室溫(焊后至少6 h)。

2)檢測表面無銹蝕、氧化皮、污垢、飛濺和溝槽等,掃查面應平滑,探頭和接觸面之間間隙應≤0.5 mm,超過時應對接觸面進行修整,接觸面的粗糙度Ra≤12.5 μm(噴砂表面)或6.3 μm(機加工表面)。

3)超聲波探傷作業時,周圍3 m內不允許進行電焊及砂輪打磨工作,有隔離措施除外。

2.2.4 預處理

對待掃查區母材進行清理,使其表面無銹蝕、氧化皮、污垢、飛濺和溝槽等,掃查面應平滑,探頭和接觸面之間間隙應≤0.5 mm,超過時應對接觸面進行修整。該工步由焊接操作人員協助完成,以確保料件表面符合檢測要求。

2.2.5 涂耦合劑

在掃查表面均勻涂抹耦合劑。

2.2.6 探測掃查

按標準ISO 17640《焊縫無損檢測 超聲檢測 檢測技術 檢測等級和結果評估》B級進行檢測。采用規定角度的探頭對焊縫進行掃查,探頭沿垂直于焊縫方向以鋸齒形移動,速度≤150 mm/s,掃查過程中,探頭應向聲束方向兩側做約10°的旋轉。

2.2.7 缺陷評定

相關顯示按ISO 11666《焊接無損檢測-超聲波檢測-驗收等級》標準評定,驗收等級二級為合格。通過移動探頭,使回波波幅達到最大值,對于所有超過評定等級的相關顯示均應進行顯示評定。

3 試驗與分析

3.1 試驗材料

本文超聲波檢測的城鐵車輛地板為鋁合金蜂窩板,其形狀為六邊形,邊長為6 mm,厚度為1.2 mm,高度為13 mm,上下蒙皮和蜂窩芯均為AA3003鋁合金,上下蒙皮與蜂窩芯通過釬焊成型方法連接,其中釬焊材料是AA4343鋁合金。

3.2 檢測過程

第一步把超聲波檢測設備置于地板上,然后由探傷工打開設備將初始界面設置為此次超聲波檢測的具體參數,包括采樣頻率、采樣延時、增益大小、脈沖電壓和波形整流等。調整好參數之后點擊開始掃描,隨著探頭的移動,波形會有變化,探頭移動到每個掃描點時,都將發射一次超聲波并接收回波信號。觀察并完成A掃描信號采集,將檢測結果進行存儲,便于后續的分析處理,直至完成對地板超聲波檢測。

3.3 地板的超聲A掃描信號分析

為了了解城鐵車地板釬焊接頭的連接情況,本文利用有限元軟件對焊縫接頭情況進行了數值仿真分析,分析了探頭在地板焊接接頭的不同位置時,超聲回波信號的傳播特性。依據地板焊接接頭的結構特點,本文建立了與實際焊縫接頭結構相同的模型,代表地板釬焊接頭區域的焊合區域。由于聲波在不同介質中的傳播情況不同,所以從鋁合金中進入空氣中后,大部分聲波都會發生全反射,因此將外邊界都設置為全反射界面,模擬信號選取與實際信號一致。網格劃分采用三角形網格劃分法,節約了計算周期[11]。

圖3是超聲波在地板不同位置的模擬傳播圖,分別是探頭在地板不同區域的超聲A掃描信號仿真結果。當探頭移動至母材區域時,超聲波信號傳播情況如圖3(a)所示,聲波會經過母材與空氣界面發生全反射,且聲波兩次相鄰的最高波之間的距離就是母材的厚度;當探頭移動至焊縫邊緣區域時,聲波信號傳播情況如圖3(b)所示,此時,部分聲波入射到釬料之中,在釬料表面反射回來的聲波傳播路程較長,因此一次回波幅值較低;當探頭移動至焊縫中間區域時,聲波信號傳播情況如圖3(c)所示,蜂窩板的蜂窩壁厚度為1.5 mm,探頭直徑≥蜂窩厚度,因此探頭會接收到焊縫釬料表面反射的聲波,此時一次回波峰值到達最小。

(a)母材區域

(b)焊縫邊緣區域

為了驗證超聲波在鋁合金蜂窩板地板檢測仿真過程中的準確性及地板焊縫接頭的連接狀態,本文利用自主研發的釬焊超聲波檢測設備對釬焊接頭區域進行超聲A掃描檢測,結果如圖4所示。

(a)母材區域

(b)從母材區域向焊縫區域移動

(c)焊縫區域圖4 超聲波在地板不同位置的傳播圖

從圖4中可以看出,探頭在圖4(a)時,此時位于母材處,聲波會穿過地板并在下表面反射回來,探頭接收到的聲波是在地板內部反復傳播的;探頭在圖4(b)時,探頭從母材區移動到焊縫時,聲波會從地板底面進入到釬料中,并有一部分聲波會發生斜反射而不能被探頭接收到;如圖4(c)所示,當超聲探頭移動到焊縫區域時,超聲波會穿過地板上表面進入地板下表面,并在下底面發生反射。通過圖4可以明顯看出地板不同位置的超聲波信號會有很大不同,所以以此超聲波檢測設備可以檢測城鐵鋁合金蜂窩板地板的焊接質量。

從前述分析可知探頭移動在地板不同位置模擬聲波信號與實際檢測超聲信號一致,說明本文利用的超聲波檢測設備適合鋁合金蜂窩板地板的檢測[12-13]。

4 結論

本文利用超聲波檢測城鐵車輛鋁合金蜂窩板地板,通過數值模擬分析方法,分析了探頭在焊件不同區域時信號特征的變化情況,當聲波在母材區域時,反射回波相鄰之間的時間是相同的,說明聲波到底部直接反射回來,聲波沒有經過其他界面。當聲波在焊縫熔合區域時,部分聲波會在焊縫接頭下面發生反射,此時一次回波幅值最高,二次回波會逐漸下降。當聲波在中間區域時,聲波會全部進入到蜂窩中,此時聲波會發生衰減而且傳播時間較長,一次回波最低,基本上不會有二次回波。通過對比發現不同位置的聲波回波信號幅值大小不同,一次回波幅值變化最明顯。利用實際超聲檢測系統檢測地板焊縫,模擬超聲信號與實際檢測結果一致,并可通過分析超聲波回波信號來分辨地板內焊縫的成型質量。