超聲相控陣在汽車后橋焊縫檢測中的試驗(yàn)研究

摘 要：汽車后橋焊縫是汽車承受交變應(yīng)力和沖擊較多的部位，也是疲勞缺陷多發(fā)部位。根據(jù)焊縫損傷特點(diǎn)，在常規(guī)超聲波檢測的基礎(chǔ)上，確定了超聲波相控陣檢測方法，并制作了與檢測條件完全一致的對(duì)比試塊。經(jīng)建模與仿真試驗(yàn)，超聲波相控陣可以有效檢測焊縫中的未融合、氣孔、裂紋等缺陷。驗(yàn)證了超聲波相控陣檢測技術(shù)的適用性，提高了檢測效率、可靠性及準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：相控陣；汽車后橋；扇形掃查

中圖分類號(hào)：TG115.28 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）01-0137-04

Experimental Study on Ultrasonic Phased Array in

Weld Inspection of Car’s Rear Axle

LI Dongfeng1 CHENG Shengjin2 WU Weiping1

（1.National Center of Quality Inspection Testing for Hydraulic Metal Structure Ministry of Water Resources，Zhengzhou Henan 450044；2.North China University of Water Resources and Electric Power，Zhengzhou Henan 450045）

Abstract： Car rear axle welds is the car to bear the alternating stress and the impact of more parts， but also fatigue defects in multiple parts. According to the characteristics of weld damage， on the basis of conventional ultrasonic detection， the ultrasonic phased array detection method is determined， and produced a comparison with the test conditions exactly the same test block. Through modeling and simulation test， ultrasonic phased array can effectively detect the not fused， pores， crack defects of the welds. The applicability of the ultrasonic phased array detection technology is verified to improve the detection efficiency， reliability and accuracy.

Keywords： phased array；car’s rear axle；sector scan

汽車后橋是車輛動(dòng)力傳遞的后驅(qū)動(dòng)軸組成部分，其也是用來支撐車輪和連接后車輪的裝置，是支撐汽車重量的重要構(gòu)件。但是，由于汽車后橋受交變應(yīng)力和沖擊較多，因此，容易引發(fā)疲勞缺陷。從結(jié)構(gòu)上看，汽車后橋殼與軸管連接部位受力復(fù)雜，這種結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力集中較為敏感，易引發(fā)裂紋缺陷，進(jìn)而發(fā)展成為疲勞裂紋，降低結(jié)構(gòu)的承載能力，使橋殼與軸管連接處產(chǎn)生應(yīng)力集中引發(fā)斷裂，從而造成嚴(yán)重事故[1]。

1 檢測方法確定

一般情況下，檢測焊縫內(nèi)部缺陷時(shí)，檢測人員通常會(huì)使用射線檢測技術(shù)，但射線對(duì)裂紋不敏感，容易造成漏檢。此外，射線檢測技術(shù)是在室外進(jìn)行檢測，不易實(shí)施，且射線對(duì)人體傷害較大，因此排除射線檢測[2]。

超聲波具有良好的指向性，其波長短、能量大。超聲檢測在檢測的可靠性方面比射線檢測要高，較易發(fā)現(xiàn)危害較大的面狀缺陷。采用常規(guī)超聲橫波檢測時(shí)，由于焊縫區(qū)域太小，入射波束不能對(duì)焊縫區(qū)進(jìn)行全覆蓋，會(huì)造成漏檢[2，3]。橫波在傳播時(shí)，由于聲束擴(kuò)散，造成焊縫處超聲波能量降低，從而降低檢測靈敏度。

超聲波相控陣檢測技術(shù)作為一種獨(dú)特的技術(shù)得到開發(fā)和應(yīng)用，在21世紀(jì)初已經(jīng)進(jìn)入成熟階段。該技術(shù)具有檢測速度快、靈活性好、探頭小巧、缺陷檢出率高、能檢測復(fù)雜幾何形狀的工件等優(yōu)點(diǎn)[4]。超聲波相控陣檢測技術(shù)的主要特點(diǎn)是多芯片探頭中各芯片的激勵(lì)均由計(jì)算機(jī)控制。壓電復(fù)核芯片受激勵(lì)后能產(chǎn)生聚焦波束，且聲速能以鏡面反射方式檢出不同方位的裂紋，常規(guī)單晶探頭聲束擴(kuò)散且單向，而相控陣探頭聲束聚焦且可轉(zhuǎn)向，多項(xiàng)裂紋可被相控陣檢出。因此，本文采用超聲波相控陣進(jìn)行檢測[2]。

2 試驗(yàn)內(nèi)容及試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

汽車后橋殼與軸管連接焊縫采用CO2氣體保護(hù)焊，坡口角度30°，采用V型坡口，母材厚度10mm。如圖1所示，受結(jié)構(gòu)形式的影響，檢測區(qū)域狹小，移動(dòng)區(qū)域有限，只能進(jìn)行單邊單側(cè)檢測。因此，采用普通的超聲波檢測技術(shù)時(shí)存在較大盲區(qū)，無法滿足檢測的需要[5]。本文主要利用相控陣技術(shù)解決常規(guī)超聲波難以全面檢驗(yàn)汽車后橋殼與軸管連接焊縫的問題。

2.2 試驗(yàn)方案

2.1.1 檢測系統(tǒng)組成。檢測系統(tǒng)主要包括超聲波相控陣儀器、相控陣探頭和楔塊。采用Olympus NDT公司的OminScan SX型相控陣設(shè)備，其具有常規(guī)UT、TOFD（單通道）和16∶64PR相控陣性能（單通道）數(shù)字化頻率為400MHz，脈沖發(fā)生器及接收器的孔徑為16陣元，采用64晶片，聚焦法則最大為256個(gè)，探頭型號(hào)為7.5L16A15（陣元數(shù)量：16，陣元間距：0.5mm，孔徑：8mm，中心頻率：7.5MHz），楔塊型號(hào)為SA15-N60S（聲速：2.33mm/ms，楔塊角度：39.1°）。

2.1.2 檢測工藝制定。采用超聲波相控陣扇形掃描來對(duì)焊縫斷面進(jìn)行檢測，采用EsBeamTool軟件設(shè)計(jì)檢測工藝，在不同的檢測位置，利用聲束對(duì)焊縫的覆蓋情況進(jìn)行模擬，以找到最佳的探頭位置。

通過聲場覆蓋模擬仿真需要考慮聲束對(duì)焊縫體積的全覆蓋和二次波底面反射面必須為與上表面近似平行的面。圖2（a）為一種較好的掃查方式，圖2（b）由于探頭離開焊縫中心距離較遠(yuǎn)，部分二次波在底面的反射點(diǎn)位于曲面上，導(dǎo)致深度定位和水平位置定位產(chǎn)生較大誤差。通過仿真工藝分析：用一次波掃查工件下半部分時(shí)，楔塊前端離開焊縫中心的距離可以采用較小值；用二次波掃查工件上半部分時(shí)，楔塊前端離開焊縫中心距離范圍為12～18mm。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 人工試塊試驗(yàn)結(jié)果分析

人工試塊缺陷類型是人工刻槽，分布于焊縫兩側(cè)、根部及坡口融合線處。人工刻槽分布示意圖如圖3所示，超聲波相控陣檢測結(jié)果如表1所示。

圖3 人工刻槽分布示意圖

以上人工試塊共有4處缺陷（深度分別為2、1、0.5、0.5mm的人工刻槽），經(jīng)超聲波相控陣檢測，3個(gè)缺陷被發(fā)現(xiàn)，一個(gè)缺陷未被發(fā)現(xiàn)，其中未被發(fā)現(xiàn)的人工刻槽缺陷（刻槽4，刻槽深度為0.5mm）與探頭位于同側(cè)，未被發(fā)現(xiàn)的原因是探頭能移動(dòng)的區(qū)域空間受限。

3.2 軸管連接焊縫檢測結(jié)果分析

對(duì)工件編號(hào)為X0086160801048的后橋殼與軸管連接焊縫進(jìn)行了相控陣檢測，發(fā)現(xiàn)了氣孔缺陷和未融合缺陷，缺陷斷面圖如圖4所示。

通過對(duì)缺陷斷面圖進(jìn)行分析，將相控陣探頭置于如圖2所示的焊縫一側(cè)，步進(jìn)偏移為13mm，利用二次波的40°～70°的扇形掃查進(jìn)行檢測，檢測結(jié)果如圖5所示。通過掃測可知，缺陷至距焊縫中心距離為2.52mm、2.89mm、1.44mm、3.23mm；缺陷深度及區(qū)間為6.69（5.73～7.74）mm、7.23（5.54～7.86）mm、7.85（5.48～9.48）mm及7.72（6.51～9.18）mm。按照試驗(yàn)方案的分析方法，分析圖中的缺陷信息，該分析結(jié)果與實(shí)際的缺陷參數(shù)基本一致，檢測結(jié)果如表2所示。

4 結(jié)語

根據(jù)檢測結(jié)果對(duì)各類典型缺陷的波形特點(diǎn)進(jìn)行分析。裂紋缺陷回波高度較大，起波比較快，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)波

峰，若轉(zhuǎn)動(dòng)探頭，波峰會(huì)出現(xiàn)跳動(dòng)的現(xiàn)象。未焊透缺陷多出現(xiàn)于根部，回波速度比較快，反應(yīng)強(qiáng)烈。其具有一定的長度，當(dāng)探頭沿焊縫方向移動(dòng)時(shí)，可以看到其延伸長度，位置和回波高度趨于穩(wěn)定。當(dāng)聲束相對(duì)于其延伸方向上變動(dòng)角度時(shí)，回波幅度降低。氣孔缺陷波形比較穩(wěn)定，其波幅隨氣孔的大小而不同。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)探頭時(shí)，波幅會(huì)出現(xiàn)此起彼伏的現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)：

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