相控阵超声波检测技术在牵引电机环焊缝检测中的应用

相控阵超声波检测技术在牵引电机环焊缝检测中的应用

陈大为 ,邹金林 ,郭炯 ,龙艳红 ,邵瑞闽 ,张朝望

中车株洲电机有限公司   湖南省株洲市   412001

摘要：在高速、重载铁路牵引电机环焊缝检测中，相控阵超声波检测技术在具体应用过程中能够实现较快的检测速度，并且精度比较高，不需要投入较高的成本，目前已经获得了良好的应用与推广。

关键词：相控阵；超声波检测；焊缝检测；应用

1引言

随着焊接技术的迅速发展，自动化焊接技术在高速、重载铁路产品中得到了广泛的应用，而焊接技术的不断进步，也需要更好的检测手段。相控阵超声波检测技术具有检测精度高、检测成本低等优点，可用于各种管径和坡口形状的焊缝，是焊环自动检测的第一选择，对此，本文对相控阵超声波检测技术在牵引电机环焊缝检测中的应用展开探讨。

图1 牵引电机机座环焊缝

2牵引电机焊缝的特点与相控阵超声检测图谱

2.1气孔缺陷

在焊接工作中，在金属凝固之前，熔池中的气体并没有逸出，而是有一定的存留，因此， 焊缝之间就会产生一定的空洞，在一定程度上可以使焊缝断面变小，使其塑性、强度下降，导致应力集中，同时，氢气孔也会导致冷开裂。

图2 气孔相控阵超声检测图谱

2.2裂纹缺陷

所谓“裂缝”，就是由于金属原子间的键合发生了某种程度的断裂，导致了一种新的界面，由此形成了一种裂缝。在工程实践中，按照裂纹产生的条件及时间，可将裂纹分为冷裂、再热裂等。在焊接缺陷中，裂纹是最严重也是最具危害性的一种，它在一定程度上会使承载力变小，特别是在端部产生的尖角，并且会使应力高度集中，造成很大的破坏。

图3 裂纹相控阵超声检测图谱

2.3未焊透缺陷

未焊透是指母材金属还没有熔化，在实际应用中，焊接技术并没有到达接头根部，从而导致焊缝的机械结构强度下降，此外，在没有焊接透的缺口部位和头部部位，还会产生应力集中的现象，这就造成了工件的承受力较差，在受力变化时，会产生裂纹，这就给产品带来了一些安全隐患，极易出现安全问题。

图4 未焊透相控阵超声检测图谱

2.4未熔合缺陷

是指焊缝处的金属和母材，在进行焊接时，焊缝处的金属没有熔融而粘合在一起。未熔合按其存在位置可分为：层间未熔合、根未熔合和坡口未熔合。在实践中能有效地降低坡口根不结合的面积，并且在一定程度上也会减小焊缝的承载面积，从而使其应力集中更加严重，其危害仅次于裂纹。

图5 未熔合相控阵超声检测图谱

2.5夹渣缺陷

焊缝中残留的熔渣，如未熔化的焊条的药皮。它的点状夹渣所造成的危害与气孔十分类似，并且尖锐的夹渣会导致顶端的应力集中，最后很可能发展成裂缝的源头，其危害性和影响也就更大了。

图6 夹渣相控阵超声检测图谱

3相控阵超声检测技术

3.1波束聚焦原理

相控阵探测技术是用软件来控制晶圆阵列中的每一个晶圆的时延，控制脉冲发射能将光束集中在一个确定的深度上，然后以一个角度前进。

3.2焊缝的分区扫查设置

使用相控阵超声检测技术的关键在于展开分区扫查，以焊缝坡口形式、填充次数为依据，将焊缝划分为几个垂直的区。按每个区段的焊接坡口角来设置探测主声束的角度，其焦距通常为2毫米，每一块区域以焊接点为边界，分为上游和下游两条通路。

3.3系统设置

在焊缝的两边，需要对其进行单独的检测，如果使用常规超声多探头系统来对该焊缝进行扫描，则需要多个常规探头，而在128个晶片相控阵探头相控阵系统中，只需要设置相控阵探测器，就能产生128路，等于128路的普通探测器。该方法可用于不同类型的坡口焊缝的检测。

4结束语

与射线探测、常规超声波探测相比，相控阵技术是一种新的检测方法，在具体应用过程中具备很高的缺陷检出率，并且对环境比较友好，整体的检测效率也比较高，采用全过程控制，可以有效地改善高速、重载铁路牵引电机环焊缝焊接工艺，提高焊接质量是焊缝自动检查的第一选择，并在实践中获得了良好的应用与推广。

参考文献：

[1]纪炜辞.基于相控阵检测仪的动态光弹成像系统的研制[D].南昌航空大学,2020.

[2]董春远,何恩.相控阵超声波检测技术DMA探头的晶片检查[J].海洋工程装备与技术,2019,6(S1):464-468.