□ 楊文棟 □ 趙 剛 □ 陸青松 □ 沙秀梅

中車青島四方車輛研究所有限公司 山東青島 266031

1 研究背景

螺栓是高速動(dòng)車組整體結(jié)構(gòu)中的重要組成部分,通過螺栓將不同的部件或結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接,可確保高速動(dòng)車組安全穩(wěn)定運(yùn)行。按照技術(shù)要求，對(duì)高速動(dòng)車組螺栓需要進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),尤其是檢測(cè)內(nèi)部缺陷。由于常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法存在一定的局限性,因此筆者提出一種周向陣列相位控制超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法,用于完成動(dòng)車組連接和安裝用螺栓的全位置檢測(cè),保證高速動(dòng)車組螺栓的質(zhì)量和行車安全[1]。

2 螺栓缺陷產(chǎn)生原因

螺栓缺陷產(chǎn)生的原因有很多,與螺栓的材質(zhì)、成形、加工、熱處理、使用環(huán)境等方面有密切關(guān)系，如螺栓在制造中存在材料偏析嚴(yán)重的情況,熱處理工藝不當(dāng)引起金相組織變化而產(chǎn)生裂紋,加工產(chǎn)生的應(yīng)力導(dǎo)致扭曲變形或開裂,變截面圓角半徑不符合標(biāo)準(zhǔn)而產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象等。此外,在螺栓安裝過程中,預(yù)緊力不足或太大也會(huì)引起螺栓斷裂。

高速動(dòng)車組螺栓多為埋入式結(jié)構(gòu),斷裂多數(shù)集中在螺栓頭桿結(jié)合部及螺紋部位。對(duì)更換下的螺栓進(jìn)行失效分析,發(fā)現(xiàn)在斷裂部位都存在橫向缺陷。針對(duì)這一現(xiàn)象,筆者公司對(duì)新造和在役的螺栓進(jìn)行了全位置檢測(cè),尤其是對(duì)橫向缺陷進(jìn)行了重點(diǎn)檢測(cè)。

3 螺栓缺陷檢測(cè)方法

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)螺栓缺陷進(jìn)行檢測(cè)的方法主要有磁粉檢測(cè)法、普通超聲檢測(cè)法、渦流檢測(cè)法、普通超聲相控陣檢測(cè)法等。

3.1 磁粉檢測(cè)法

磁粉檢測(cè)法利用缺陷處的漏磁場(chǎng)與磁粉的相互作用,在適當(dāng)?shù)墓庹諚l件下,顯現(xiàn)出缺陷位置和形狀。磁粉檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)如下:① 可直觀顯示缺陷的形狀、大小和位置；② 具有較高的靈敏度,能夠檢測(cè)細(xì)小的缺陷；③ 檢測(cè)時(shí)不受螺栓尺寸的限制；④ 相對(duì)于其它檢測(cè)法，成本低。磁粉檢測(cè)法的缺點(diǎn)包括:① 檢測(cè)速度慢，勞動(dòng)強(qiáng)度較大；② 需要人工觀察，增大了人為誤差；③ 對(duì)有鍍層處理的螺栓靈敏度較低；④ 只能檢測(cè)表面和近表面缺陷；⑤ 螺紋根部容易造成磁粉聚集,導(dǎo)致漏檢；⑥ 在役螺栓需拆卸,過程煩瑣。

3.2 普通超聲檢測(cè)法

普通超聲檢測(cè)法是利用超聲波對(duì)金屬構(gòu)件內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)的一種無(wú)損檢測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)如下:① 穿透能力強(qiáng),如在鋼質(zhì)材料中的有效探測(cè)深度可達(dá)1 m以上；② 對(duì)平面型缺陷，如裂紋、夾層等的檢測(cè)靈敏度較高；③ 可測(cè)定缺陷的深度和相對(duì)大??；④ 僅需一個(gè)檢測(cè)面就可以對(duì)螺栓進(jìn)行檢測(cè)；⑤ 設(shè)備輕便,操作安全。普通超聲檢測(cè)法的缺點(diǎn)包括:① 檢測(cè)效率低，人為因素影響大，可靠性低；② 存在超聲側(cè)壁干涉、波形轉(zhuǎn)換等因素,易造成螺栓裂紋漏檢；③ 全螺紋的螺栓無(wú)檢測(cè)位置,對(duì)螺栓檢測(cè)不能做到全覆蓋[2-3]。

3.3 渦流檢測(cè)法

渦流檢測(cè)法利用電磁感應(yīng)原理,通過測(cè)定被檢工件內(nèi)感應(yīng)渦流的變化，來(lái)評(píng)定導(dǎo)電材料及其工件的某些性能,同時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷[4]。渦流檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)如下:① 檢測(cè)時(shí)既不需要接觸工件，也不需要耦合劑,可以在高溫下進(jìn)行檢測(cè)；② 對(duì)表面和近表面缺陷的檢測(cè)靈敏度很高；③ 對(duì)管、棒、線材易于實(shí)現(xiàn)高速和高效率自動(dòng)化檢測(cè)。渦流檢測(cè)法的缺點(diǎn)包括:① 只適合螺栓表面和近表面的檢測(cè)；② 難以從檢測(cè)波形上判斷缺陷的種類、形狀和大??；③ 干擾因素較多,比如磕碰,鍍層不均勻等,需要特殊的信號(hào)處理技術(shù)；④ 對(duì)螺栓進(jìn)行全面檢查時(shí),需要制作專門的工裝,不適合大批量檢測(cè)。

3.4 普通超聲相控陣檢測(cè)法

普通超聲相控陣檢測(cè)法和普通超聲檢測(cè)法的原理相似,都是基于脈沖反射原理[5]。不同之處在普通超聲相控陣檢測(cè)通過控制傳感器陣列中各陣元激勵(lì)或接收脈沖的時(shí)間延遲,來(lái)改變由各陣元發(fā)射聲波到達(dá)或接收聲波來(lái)自物體內(nèi)某點(diǎn)時(shí)的相位關(guān)系,實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)和聲束方位的變化,進(jìn)而完成檢測(cè)。普通超聲相控陣檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)如下:① 采用S掃描,可以同時(shí)擁有多角度的超聲波,檢測(cè)效率高，適用于自動(dòng)化和批量生產(chǎn)；② 擁有聚焦功能,檢測(cè)的靈敏度和分辨率高；③ 同時(shí)擁有B掃描、D掃描、S掃描和C掃描,可以通過建立三維立體圖形,直觀顯示缺陷；④ 可以對(duì)復(fù)雜工件進(jìn)行檢測(cè)。普通超聲相控陣檢測(cè)法的缺點(diǎn)包括:① 需要人工180°轉(zhuǎn)動(dòng)傳感器；② 只能檢測(cè)有限的距離；③ 不能檢測(cè)較長(zhǎng)的埋藏螺栓遠(yuǎn)端的裂紋,檢測(cè)效率較低。

通過對(duì)四種螺栓缺陷檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比,可知要想對(duì)螺栓進(jìn)行全面檢測(cè),四種方法都存在弊端和相應(yīng)的檢測(cè)盲區(qū),需要采用新的檢測(cè)方法來(lái)滿足高速動(dòng)車組螺栓的檢測(cè)要求。

4 周向陣列相位控制超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法

高速動(dòng)車組螺栓的檢測(cè)存在結(jié)構(gòu)上的難點(diǎn):① 螺栓多為細(xì)桿結(jié)構(gòu),長(zhǎng)度較長(zhǎng),對(duì)其進(jìn)行全面檢測(cè)難度大；② 內(nèi)六角結(jié)構(gòu)螺栓只能進(jìn)行單端檢測(cè)；③ 所有螺栓均為定制,底部存在工藝孔,帶工藝孔的內(nèi)六角螺栓無(wú)法進(jìn)行常規(guī)超聲檢測(cè)；④ 部分為全螺紋螺栓,受全螺紋影響,缺陷波不易識(shí)別。高速動(dòng)車組螺栓如圖1所示。為克服高速動(dòng)車組螺栓檢測(cè)的難點(diǎn),筆者基于超聲導(dǎo)波原理,配合周向陣列相位控制方法,對(duì)螺栓進(jìn)行檢測(cè)[6-8]。

超聲導(dǎo)波技術(shù)因檢測(cè)距離遠(yuǎn)而成為近年來(lái)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。超聲導(dǎo)波是在鋼質(zhì)薄板、薄壁管或小直徑桿件中傳播的特殊波，其波形特征是在整個(gè)厚度內(nèi),所有質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)引起的結(jié)果使波的傳播方向與界面平行。當(dāng)超聲波被局限在具有邊界的介質(zhì),如平板、管道、桿等內(nèi)傳播時(shí),超聲波將在邊界處不斷反射,從而沿介質(zhì)的方向傳播形成超聲導(dǎo)波。超聲導(dǎo)波傳播如圖2所示，波形轉(zhuǎn)換如圖3所示。

筆者檢測(cè)高速動(dòng)車組螺栓所采用的超聲導(dǎo)波屬于圓柱狀彈性導(dǎo)波,也稱為柱面導(dǎo)波。由超聲導(dǎo)波的原理可知,在螺栓長(zhǎng)度范圍內(nèi),導(dǎo)波在螺栓的螺桿內(nèi)不斷反射向前傳播,使整個(gè)螺栓被導(dǎo)波全覆蓋?？梢?，超聲導(dǎo)波適用于高速動(dòng)車組螺栓的全位置檢測(cè)。

雖然超聲導(dǎo)波能進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè),但也存在檢測(cè)盲區(qū),需要輔以縱波檢測(cè)進(jìn)行補(bǔ)盲。由此，通過周向陣列相位控制方法,實(shí)現(xiàn)兩者的結(jié)合。周向陣列相位控制方法使用定制的超聲傳感器,利用超聲相控陣的聲束偏轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)縱波垂直和小角度傾斜入射相結(jié)合,使聲場(chǎng)能夠覆蓋整個(gè)螺栓,并且能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)所需深度和近場(chǎng)區(qū)內(nèi)的動(dòng)態(tài)聚集。超聲聲束合成如圖4所示。

筆者研究的周向陣列相位控制方法所采用的超聲相控陣傳感器由一組獨(dú)立的壓電晶片組成。在傳感器上將幾十個(gè)條形壓電晶片按照?qǐng)A環(huán)狀周向排列,每個(gè)獨(dú)立的晶片陣元都能發(fā)射超聲波束。由計(jì)算機(jī)控制各個(gè)晶片陣元的發(fā)射和接收相位延時(shí),按照不同規(guī)則激發(fā)晶片陣元,就能夠使各個(gè)陣元發(fā)射的超聲波束出現(xiàn)疊加、偏轉(zhuǎn)等效果。由所有信號(hào)相干疊加,合成指向螺栓的聲束波陣面,最后通過波形轉(zhuǎn)換和匯聚,實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離傳導(dǎo)。與此同時(shí)，通過聲場(chǎng)幾何空間的計(jì)算,得到時(shí)間延遲,實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓內(nèi)任意一點(diǎn)進(jìn)行聚焦檢測(cè)。超聲聲束聚焦如圖5所示。

5 檢測(cè)分析

5.1 檢測(cè)設(shè)備

檢測(cè)采用武漢中科16/64陣元相控陣檢測(cè)儀,具有64接收通道和16激發(fā)通道相控陣，能夠?qū)崿F(xiàn)64通道并行數(shù)模轉(zhuǎn)換,實(shí)時(shí)相位控制。系統(tǒng)的帶寬為0.5 MHz～15 MHz,掃描圖像為A掃描、B掃描、C掃描、S掃描，脈沖寬度為30～500 ns，發(fā)射電壓為50～350 V。陣元形式為環(huán)形一維線陣，陣元數(shù)量為64，激發(fā)陣元數(shù)量為16。

5.2 檢測(cè)方案

實(shí)際檢測(cè)時(shí),檢測(cè)視圖模式選用A掃描+C掃描+B掃描+三維成像模式,脈沖寬度為100 ns,聚焦類型為聚束聚焦,增益為40 dB,掃描范圍為0～600 mm,重復(fù)頻率為500 Hz,發(fā)射電壓為100 V。

對(duì)于高速動(dòng)車組螺栓而言,螺栓兩端較為平整,適合超聲波入射。檢測(cè)時(shí)，選擇任意一端放置探頭,采用超聲專用耦合劑進(jìn)行耦合。所選的定制傳感器應(yīng)小于所檢測(cè)螺栓端面，經(jīng)驗(yàn)證,傳感器直徑比螺栓直徑小2 mm左右效果最佳。

為了驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)能力，并進(jìn)行靈敏度調(diào)整,使用同材質(zhì)、同規(guī)格的螺栓制作人工對(duì)比試塊,使用線切割設(shè)備在試塊上刻深度為0.5 mm或1 mm的刻槽,刻槽位置可在螺栓頭桿部結(jié)合處,也可在螺紋處[9-10]。螺栓頭桿部刻槽如圖6所示，刻槽檢測(cè)成像如圖7所示。

5.3 檢測(cè)結(jié)果

選用φ30 mm×420 mm外六角螺栓,材質(zhì)為40Cr鋼,使用周向陣列相位控制超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè),在距檢測(cè)起點(diǎn)約220 mm處發(fā)現(xiàn)缺陷回波。螺栓實(shí)際檢測(cè)狀態(tài)如圖8所示，螺栓缺陷成像如圖9所示。

通過檢測(cè)定位得到螺栓缺陷的深度數(shù)據(jù)后,對(duì)螺栓缺陷部位進(jìn)行打磨。經(jīng)滲透檢測(cè)，驗(yàn)證該位置存在橫向缺陷，如圖10所示。

經(jīng)檢測(cè)確認(rèn),采用周向陣列相位控制超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法,可以實(shí)現(xiàn)電子周向掃描,合成聲束,覆蓋距離長(zhǎng)。可以在單端面進(jìn)行原位檢測(cè),不需要移動(dòng)傳感器,操作工藝簡(jiǎn)單。環(huán)形陣列傳感器的應(yīng)用,滿足了帶有工藝孔螺栓的檢測(cè)要求,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種結(jié)構(gòu)螺栓檢測(cè)的全覆蓋。由于單端面檢測(cè)不需要移動(dòng)傳感器,因此，在役螺栓的檢測(cè)不需要拆裝即可進(jìn)行,為高速動(dòng)車組在役螺栓的檢測(cè)提供了可行方案。

6 結(jié)束語(yǔ)

周向陣列相位控制超聲導(dǎo)波檢測(cè)方法是一種較為流行和前端的超聲檢測(cè)方法。這一方法利用超聲相控陣設(shè)備，將超聲導(dǎo)波和周向陣列相位控制相結(jié)合，克服了因螺栓結(jié)構(gòu)的不同而給檢測(cè)帶來(lái)的限制，滿足了螺栓的全位置檢測(cè)要求，具有優(yōu)越性。

當(dāng)然，相對(duì)于普通超聲檢測(cè)方法，這一方法工藝略復(fù)雜，需綜合考慮各項(xiàng)因素，并且要通過試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證檢測(cè)效果。若在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)漏檢、信噪比太差等情況，還需要對(duì)傳感器、工藝參數(shù)等進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的檢測(cè)。