基于超聲熱波成像技術(shù)的機車鉤舌的裂紋檢測

敬甫盛，李 朋，江海軍，陳 力，魏益兵

（1.神華鐵路貨車運輸有限責任公司，河北 滄州 062350；2.南京諾威爾光電系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210046）

0 引言

鐵路機車零件在加工制造過程中，經(jīng)常出現(xiàn)鑄、鍛、熱處理和機械加工產(chǎn)生的裂紋等缺陷。有些缺陷隱藏在材料內(nèi)部，外觀上看不出來，或者外觀上僅僅看見很小的裂紋，而內(nèi)部缺陷很大很深。這些缺陷如果不能及時準確地檢測出來，勢必造成安全隱患。也有零件原來完好，但由于長期受到擠壓、彎曲、沖擊，造成材料疲勞，產(chǎn)生細微裂紋，如不及時發(fā)現(xiàn)處理，將很快向深處發(fā)展，終成致命的事故。大多數(shù)關(guān)鍵零部件的損毀，最初都是一些微細裂紋，甚至不加上很重的壓力時肉眼都無法看見。但在長期運行中，裂紋逐漸擴張，有可能造成嚴重的后果。因此，對各種鐵路機車鉤舌進行檢測，是鐵路行業(yè)一直高度重視的領(lǐng)域[1-4]。

在軌道車輛制造過程中，相關(guān)的無損檢測方法包括射線、超聲、磁粉、渦流、滲透等。射線檢測方法不適用于面積型缺陷的檢測；超聲檢測方法需要耦合劑，并且只能單點檢測，不能面檢測；磁粉檢測適合于檢測表明近表面缺陷，裂紋方向平行于磁力線傳播方向時，容易發(fā)生漏檢，檢測范圍小，速度慢，工件表面覆蓋層會降低檢測靈敏度；渦流檢測受趨膚效應(yīng)的限制，多應(yīng)用于工件中單點的檢測；滲透檢測操作繁瑣，容易污染環(huán)境，同時檢測成本較高。鑒于常規(guī)檢測技術(shù)的弊端，很難檢測出軌道車輛制造加工中裂紋缺陷。鐵路機車鉤舌的檢測具有多重難點：表面布滿鐵銹、灰塵、油污等污染物，常規(guī)的無損檢測技術(shù)手段無法直接應(yīng)用，必須進行清洗；部件體積大而笨重搬運及檢測困難；部件外形不規(guī)整，表面粗糙，對常規(guī)檢測手段帶來困難。軌道車輛制造過程中裂紋檢測技術(shù)的研究是當前設(shè)備監(jiān)測診斷技術(shù)發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。采用常規(guī)檢測技術(shù)，很難達到高效率、低成本、快速發(fā)現(xiàn)裂紋。因而必須開發(fā)出新興檢測技術(shù)。

超聲熱波成像技術(shù)是一種新興的無損檢測技術(shù)[5-8]，該技術(shù)對試件中的隱藏裂紋非常敏感[9-13]；該技術(shù)是利用試件內(nèi)部缺陷區(qū)域吸收耦合的超聲能量來產(chǎn)生熱量，同時采用紅外熱像儀記錄試件表面溫度的變化，從而得到試件內(nèi)部缺陷的信息。超聲激勵屬于選擇性的激勵方式，只在缺陷部位產(chǎn)生熱量，熱波在缺陷內(nèi)部向試件表面?zhèn)鞑ミ^程中不容易受到周圍熱波信號的干擾，因此表面溫度信號的變化更明顯，該技術(shù)檢測軌道車輛中裂紋缺陷非常具有優(yōu)勢。目前在西方先進工業(yè)國家已經(jīng)成功地應(yīng)用在航天航空領(lǐng)域的關(guān)鍵金屬部件的裂紋缺陷檢測[14-16]，如發(fā)動機的葉片等。

超聲熱波成像技術(shù)非常適合應(yīng)用于鐵路車輛關(guān)鍵部件的裂紋檢測，該技術(shù)對檢測表面的形狀、銹跡、粉塵及污染等不敏感，因此可能實現(xiàn)在役檢測。超聲激勵熱波無損檢測技術(shù)在超聲耦合、熱激勵研究、圖像處理、系統(tǒng)集成等方面都需要有創(chuàng)新。但是該技術(shù)目前主要應(yīng)用于小體積的零件檢測，對于大體積的鐵路車輛部件上未見應(yīng)用，該技術(shù)應(yīng)用于機車鉤舌的裂紋檢測難點主要體現(xiàn)在兩個方面，其一在于如何在大部件體內(nèi)產(chǎn)生足夠強度的混沌聲場；其二在于該技術(shù)目前主要在實驗室使用，采用不同廠家部件組裝而成，怎么把該技術(shù)從實驗室轉(zhuǎn)化到工業(yè)應(yīng)用中。

1 方法論述

1.1 基本原理

超聲熱波成像技術(shù)又稱為超聲激勵紅外無損檢測技術(shù)，超聲熱像成像技術(shù)是將超聲激勵和紅外無損檢測相結(jié)合的新型無損檢測技術(shù)，屬于主動式紅外無損檢測方法的一種，超聲熱波成像技術(shù)原理示意圖如圖1所示。超聲熱波成像技術(shù)采用20 kHz的超聲波耦合進試件，超聲波在固體中傳播很快，裂紋缺陷區(qū)域在超聲波的作用下，由于摩擦生熱、塑性變形、熱彈效應(yīng)等產(chǎn)生熱量，裂紋缺陷區(qū)域溫度升高產(chǎn)生的熱波信號從裂紋缺陷區(qū)域向試件表面?zhèn)鞑ィ鸭y缺陷處對應(yīng)的試件表面溫度比無裂紋缺陷處溫度高，通過紅外熱像儀采集試件表面的熱波信號，得到了試件表面紅外熱圖序列。由于不同深度的裂紋所產(chǎn)生的紅外信號傳到試件表面的時間是不同的，因此可以對紅外信號強度隨時間變化的關(guān)系來對裂紋的深度、大小等信息進行判斷。

圖1 超聲熱波成像技術(shù)原理示意圖 Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic thermal wave imaging technology

超聲熱波成像技術(shù)檢測過程中熱波信號的轉(zhuǎn)化過程如下：

1）超聲能量進入試件；

2）裂紋缺陷處由于熱彈效應(yīng)、摩擦生熱使得缺陷區(qū)域溫度升高；

3）缺陷處的溫度由缺陷內(nèi)部傳播到試件表面；

4）紅外熱像儀采集試件表面的溫度信號。

超聲熱波成像技術(shù)與其他激勵方式的紅外無損檢測技術(shù)相比其特點在于：一是超聲激勵屬于選擇性激勵，僅對缺陷區(qū)域進行加熱，非缺陷區(qū)域幾乎不會產(chǎn)生熱量。缺陷區(qū)域與非缺陷區(qū)域的熱波信號信噪比更高，更容易檢測出缺陷。二是檢測時間快，超聲在固體中傳播速度很快，超聲從激勵位置傳播到缺陷位置幾乎一瞬間，熱波信號直接從缺陷區(qū)域傳播到試件表面，不用考慮從表面?zhèn)鞑サ饺毕輩^(qū)域，因而其檢測的時間非常短，從超聲激勵開始到裂紋缺陷檢測完成基本在5 s內(nèi)完成。由于熱波屬于衰減波，熱波在傳播過程中由于熱擴散容易導(dǎo)致熱波信號的衰減，超聲熱波成像技術(shù)的上述兩個優(yōu)點可以很好地減弱熱波信號衰減帶來的影響。因而超聲熱波成像技術(shù)能更好地檢測出試件內(nèi)部的微小裂紋。

1.2 技術(shù)優(yōu)勢

超聲熱波成像技術(shù)對工件施加超聲激勵，所需的電功率并不大，與磁粉檢測所需電能相比，只有磁粉檢測耗電的1/10。這樣一來，實際制成的設(shè)備很輕很小，可能制成便攜式拿到現(xiàn)場運用。它的檢測時間只有幾秒，甚至可以使用電池供電。

超聲熱波成像無損檢測技術(shù)作為一種主動式熱激勵熱像成像技術(shù)，在熱激勵方式與圖像處理手段等方面都有創(chuàng)新，其技術(shù)主要有下述特點：用途廣，可用于金屬和非金屬材料；與渦流檢測法相比，這種方法不限于導(dǎo)電材料的檢測。陶瓷、粉末冶金、注塑材料均可檢測；速度快，單次測量一般只需幾秒鐘；單次測面積大；超聲波能在材料中較遠距離的傳導(dǎo)，因而可以進行遠距離熱激勵；測量結(jié)果用圖像顯示、直觀易懂；對裂紋型缺陷敏感，尤其是垂直于材料表面的細小裂紋；該技術(shù)尤其對閉合的疲勞裂紋比較有效，因為這種裂紋的兩壁貼合，容易產(chǎn)生摩擦而發(fā)熱，而這種裂紋是其他方法比較難于檢測的；與滲透探傷相比，這種技術(shù)可能探測到材料內(nèi)部的缺陷，不一定裂紋要擴展到表面才被滲透探傷方式檢測出來。這一技術(shù)對工件表面的光潔度沒有太多要求，銹蝕和油污的影響不大，所以試件表面不需要經(jīng)過特別清理。超聲波在工件內(nèi)部傳播，不一定要將工件拆卸下來，多數(shù)情況下可以將儀器送到工件旁邊直接檢測。這樣，可以對有疑問的工件隨時監(jiān)測，不像以往必須等到大修返廠解體檢修。這種檢測方式?jīng)]有輻射，也不要加熱，對人體基本沒有危害，是一種安全的檢測方式。

鑒于這是一種無輻射、輕便可視化的檢測技術(shù)，不依賴鐵磁性，也不依賴導(dǎo)電性，在機械、鐵路、航空、航天、船舶制造等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用范圍。

1.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2所示的是超聲熱波成像技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖，主要由超聲激勵源、紅外熱像儀及結(jié)構(gòu)支架、計算機等組成。其中超聲激勵源包括超聲驅(qū)動器、超聲換能器及變幅桿等。超聲換能器固定在一移動平臺上，移動平臺由步進電機驅(qū)動，根據(jù)工件的大小調(diào)節(jié)工作距離，在移動平臺上還安裝有壓縮氣缸，用于推動超聲換能器并調(diào)節(jié)其對工件的壓力。在壓縮氣缸與超聲換能器之間有一個壓力傳感器，用于控制該壓力的大小。紅外熱像儀安裝在一個可以調(diào)節(jié)角度與位置的支架上，其圖像采集與超聲激勵系統(tǒng)保持同步狀態(tài)，以利于信號的分析。為了提高信噪比，可以采用多次激勵采集并平均的鎖相技術(shù)。底座上可對工件進行一定的夾持，防止測試時的移動。超聲激勵裝置固定支架上，方便對試件進行超聲激勵。紅外熱像儀安裝在超聲激勵裝置附近位置，便于采集紅外圖像，同時紅外熱像儀安裝在云平臺上方便進行調(diào)節(jié)。計算機主要用于對系統(tǒng)控制與紅外圖像采集以及后期紅外圖像處理。

2 實驗結(jié)果

設(shè)備主要由功率超聲換能器、紅外熱成像儀、夾具、計算機組成。設(shè)備采用500 W超聲激勵，20 kHz激勵頻率，單次激勵時間不超過1 s，可重復(fù)多次激勵以提高信噪比。紅外熱像儀采用的是制冷熱像儀，分辨率為320 pix×256 pix，等效噪聲溫差（noise equivalent temperature difference, NETD）小于20 mK，采集幀頻60 Hz。

圖2 超聲熱波成像技術(shù)的結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.2 Structural sketch of ultrasonic thermal wave imaging technology

裂紋缺陷區(qū)域產(chǎn)生的熱量與超聲波激勵加載條件、加載位置、預(yù)緊力大小、試件材料屬性、裂紋的種類和裂紋的形態(tài)等因素有關(guān)；因而在實驗過程中需要保證超聲波有效注入試件中，超聲槍激勵頭和試件接觸良好，這就要求超聲槍激勵頭與試件間施加恒定 的初始預(yù)緊力，且隨著初始預(yù)緊力的增加，耦合到試件中的能量將越多，缺陷處產(chǎn)生熱量也將越多。超聲槍激勵頭在20 kHz激勵頻率下，與試件激勵位置之間形成間歇性接觸，同時在預(yù)緊力的作用下，超聲波在試件內(nèi)部容易形成聲混沌現(xiàn)象，聲混沌越混亂，缺陷區(qū)域產(chǎn)生的溫度越高。預(yù)緊力的大小與缺陷區(qū)域產(chǎn)生的溫度有關(guān)，過小的預(yù)緊力不利于超聲波耦合進試件內(nèi)部，過大的預(yù)緊力導(dǎo)致超聲激勵頭與試件激勵位置無法形成間歇性接觸，同時過大的預(yù)緊力容易對試件造成損傷。

圖3和圖4為機車鉤舌試件，機車鉤舌重35 kg，(a)為超聲激勵位置點光學照片，(b)為缺陷位置點光學照片，(c)為檢測缺陷結(jié)果圖像；圖3(c)中可看到明顯L型裂紋，圖4(c)中可檢測出裂紋。

實驗檢測過程中發(fā)現(xiàn)超聲激勵后內(nèi)部裂紋缺陷對應(yīng)的表面溫度最高，熱波信號最強，紅外圖像中表現(xiàn)為亮斑，無裂紋區(qū)域?qū)?yīng)的表面溫度沒有變化。預(yù)緊力在實驗過程中非常關(guān)鍵，通過多次預(yù)緊力的調(diào)節(jié)，預(yù)緊力在200 N左右時，缺陷位置溫度最高；為了更好地檢測出鉤舌試件裂紋缺陷，需要激勵不同區(qū)域，以達到完全覆蓋整個試件。在超聲激勵作用下，試件中會出現(xiàn)強烈的非線性振動現(xiàn)象，包括超諧波振動、次諧波振動、準次諧波振動、混沌等；超聲激勵過程中的非線性振動變現(xiàn)為即使能量較低的情況下也會取得較好的檢測效果，聲混沌產(chǎn)生與預(yù)緊力有關(guān)，不依賴于缺陷存在。待測試件的強非線性振動現(xiàn)象能夠大大增加超聲紅外熱波成像技術(shù)對缺陷的檢測能力。

紅外熱波信號產(chǎn)生的強弱與幾個參數(shù)密切相關(guān)，在實驗過程中需要摸索出實驗參數(shù)。超聲換能器與工件之間的壓力：這對熱波信號的激勵十分重要，壓力過小聲波耦合效率不高，但過高會對換能器的壓力太大，使其不能正常工作，根據(jù)前期實驗的結(jié)果，這個壓力一般控制在200 N附近；超聲激勵的頻率：由于特定頻率在工件內(nèi)部可能產(chǎn)生駐波，因此如果裂紋處在波谷處則無法激勵熱波信號，故而采用可調(diào)頻高功率超聲驅(qū)動器，其頻率范圍可在18～22 kHz之間調(diào)諧，功率輸出在500～1000 W左右；超聲換能器與工件接觸位置：超聲變幅桿與工件直接接觸，觸點的位置很重要，有些接觸部位可能在裂紋的地方產(chǎn)生聲場的盲區(qū)而無法激勵熱波信號。該技術(shù)可以讓工件相對超聲變幅桿進行各種平移和轉(zhuǎn)動，而熱像儀也將隨之變動。超聲耦合的方式：超聲變幅桿與工件接觸時如果耦合不好則能量不能有效傳遞，同時對一些表面有 一定要求的工件直接接觸可能造成損傷，所以需要在超聲變幅桿與工件之間使用耦合材料，這些材料需要有一定的柔性，具有很強的韌性?？梢圆捎没w襯底的膠帶、高強度紙張等材料。

圖3 鉤舌試件1Fig.3 Coupler tongue specimen 1

圖4 鉤舌試件2Fig.4 Coupler tongue specimen 2

3 結(jié)語

超聲熱波成像技術(shù)是一種新興檢測技術(shù)，可以用于對列車車頭、車架、軸承、鉤頭、車鉤等零部件進行檢測，可以有效提高列車運營的安全性，減小事故發(fā)生概率，為企業(yè)提供更為有效的安全保障，更為有效地減小企業(yè)運營成本。相對于常規(guī)檢測手段，有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，具有明顯的推廣價值。可以有效解決目前一些零部件裂紋缺陷無法有效檢測的難題。本文設(shè)計開發(fā)了一套超聲熱波成像無損檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)可以很好地實現(xiàn)超聲槍與試件的耦合，最后通過該系統(tǒng)對兩個鐵路機車鉤舌試件進行了檢測，檢測出了兩個鐵路機車鉤舌的裂紋缺陷，驗證了該系統(tǒng)對機車鉤舌裂紋的檢測能力，為這些部件的質(zhì)量控制及維修工藝提供參考依據(jù)。