超聲波檢測技術(shù)在轉(zhuǎn)向架激光電弧復(fù)合焊無坡口焊縫檢測中的應(yīng)用

王麗萍，田 勐，李 凱，宋全知，陳蘊(yùn)新，白 晶，呂健瑋

1.中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062

2.中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002

0 前言

激光電弧復(fù)合焊是高效焊接技術(shù)的主流，具有高熔透性、低熱輸入、小變形等優(yōu)點(diǎn)，中車集團(tuán)各大主機(jī)廠近來年均以復(fù)合焊作為未來高效焊接技術(shù)研究與應(yīng)用的重點(diǎn)之一。轉(zhuǎn)向架側(cè)梁角焊縫為中厚板焊接結(jié)構(gòu)，焊接質(zhì)量對軌道客車的運(yùn)營安全有著重要影響。傳統(tǒng)MAG焊存在熱輸入高、熔透性不佳、焊接變形大等問題，采用激光電弧復(fù)合焊可解決以上問題，降低成本［1］，減少焊接缺陷［2］，填充量下降45%，焊接效率提升3倍以上，且疲勞性能優(yōu)于MAG焊［3］。為保證焊縫質(zhì)量必須進(jìn)行內(nèi)部檢測，由于側(cè)梁工件體積大、現(xiàn)場受限等原因無法進(jìn)行射線檢測，而超聲波檢測作為一種以信號技術(shù)為基礎(chǔ)的檢測方法［4］，非常適合用于轉(zhuǎn)向架側(cè)梁角焊縫的現(xiàn)場檢測［5］。

按照EN15085-5，內(nèi)部檢測僅針對完全焊透T型接頭和對接焊縫執(zhí)行，由于無坡口轉(zhuǎn)向架側(cè)梁激光電弧復(fù)合焊結(jié)構(gòu)的特殊性，原焊縫超聲檢測方法僅采用斜探頭難以全面掃查焊縫。本文中的轉(zhuǎn)向架側(cè)梁激光電弧復(fù)合焊取消了機(jī)加坡口工序，檢測部位為轉(zhuǎn)向架側(cè)梁無坡口的16 mm厚T型接頭激光電弧復(fù)合焊長大角焊縫，單面焊雙面成形，開展了超聲波檢測技術(shù)可行性研究，為合理制定無損檢測工藝提供依據(jù)。

1 試驗材料、設(shè)備及方法

1.1 試驗材料

軌道客車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁壁厚16 mm，是轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件。轉(zhuǎn)向架側(cè)梁角焊縫傳統(tǒng)MAG焊金相如圖1所示，激光電弧復(fù)合焊金相如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)MAG焊金相Fig.1 Metallographic diagram of traditional MAG welding

圖2 激光電弧復(fù)合焊單面焊雙面成形金相Fig.2 Metallographic diagram of single side welding and double side forming in laser arc hybrid welding

激光-MAG復(fù)合焊方法中，焊絲為BOHLER公司的ER80S-G，直徑1.2 mm；母材為S355J2W鋼板，尺寸500 mm×150 mm×12 mm，試驗前用砂輪清理試板表面的氧化層，并采用丙酮清除工件表面的油污，母材與焊絲化學(xué)成分如表1所示。試驗試板通過點(diǎn)固焊組對成無坡口的T型接頭形式，組對間隙0.5 mm，焊接保護(hù)氣體為φ（Ar）82%+φ（CO2）18%混合氣，流量25 L/min。工藝參數(shù)為：激光前置，光絲間距4 mm，離焦量-2.0 mm，激光功率8.2 kW，焊接速度45cm/min，焊接電壓26V，送絲速度10.2m/min。

表1 焊絲與母材化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions of wire and plate（wt.%）

1.2 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備為中車長春軌道客車股份有限公司的激光電弧復(fù)合焊系統(tǒng)，如圖3所示，該系統(tǒng)配備15 kW光纖激光器、6軸工業(yè)機(jī)器人、旋轉(zhuǎn)變位機(jī)、福尼斯TPS5000弧焊電源［6］。超聲波脈沖反射技術(shù)采用南京友聯(lián)公司生產(chǎn)的PXUT-F3型超聲波探傷儀，采用頻率2.5 MHz、Φ10 mm超聲波直探頭和4Z10×12A60超聲波斜探頭進(jìn)行檢測，如圖4所示。

圖3 激光電弧復(fù)合焊系統(tǒng)Fig.3 Laser arc hybrid welding system

圖4 超聲波探傷儀Fig.4 Ultrasonic flaw detector

1.3 試驗方法

轉(zhuǎn)向架側(cè)梁無坡口中厚板激光復(fù)合焊與傳統(tǒng)MAG焊坡口不同，由于一次熔透深度加大，可實現(xiàn)無坡口的T型接頭形式，進(jìn)而取消了機(jī)加坡口工序極大地提高了焊接效率。焊接層數(shù)的減少降低了層間缺陷出現(xiàn)的幾率，但由于激光電弧復(fù)合焊焊道截面熔深大、熔寬窄，對焊槍角度和位置的精確要求較高，容易出現(xiàn)側(cè)壁未熔合缺陷。因此超聲波檢測的著重點(diǎn)不同［7-8］，無坡口中厚板角接激光復(fù)合焊焊接層數(shù)為2層，一層焊接功率即能將整個板焊透并達(dá)到焊縫背面焊腳高度3～5 mm，熱影響區(qū)寬度小，那么一旦產(chǎn)生焊縫側(cè)壁未熔合缺陷其危害性較大，超聲檢測重點(diǎn)檢測這種未熔合缺陷。

通過焊接試件發(fā)現(xiàn)，試件易產(chǎn)生平行于腹板端面的未熔合缺陷并小概率出現(xiàn)其他焊接缺陷，所以超聲波檢測的探頭角度應(yīng)保證以垂直入射或盡可能接近垂直于缺陷面［7-9］。試驗方法為：采用頻率2.5 MHz、φ10 mm超聲波直探頭在T型接頭蓋板上檢測腹板與蓋板的連接焊縫是否存在未熔合缺陷，未熔合缺陷寬度和長度均用半波高度法進(jìn)行判定（半波高度法又稱6 dB法，由于波高降低6 dB后正好為原來的一半；先移動探頭找到缺陷的最大反射波，然后沿缺陷方向左右移動探頭，當(dāng)缺陷波高降低一半時，探頭中心線之間距離就是缺陷的指示長度）。此外，在T型接頭腹板上采用4Z10×12A60超聲波斜探頭檢測焊縫內(nèi)部是否存在其他缺陷。

通過以上方法可以檢測出轉(zhuǎn)向架側(cè)梁無坡口中厚板角接激光電弧復(fù)合焊關(guān)鍵焊縫中存在的內(nèi)部缺陷，實現(xiàn)焊縫的全覆蓋，保證焊縫滿足要求。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 直探頭檢測與蓋板平行的缺陷及背透成型

首先采用頻率2.5 MHz、Φ10 mm超聲波直探頭在型號RB-1試塊上進(jìn)行探測范圍的調(diào)整，具體操作方法是：將縱波直探頭對準(zhǔn)試塊水平底面，使兩次不同的底波對準(zhǔn)相應(yīng)的水平刻度值；然后將調(diào)整好的直探頭置于RB-1試塊深5 mm、孔徑3 mm橫通孔上找到最高波，將波高調(diào)至80%作為檢測靈敏度，表面耦合補(bǔ)償4 dB，并增益10 dB作為掃查靈敏度。

如圖5所示，用畫線方法在蓋板上表面標(biāo)注出腹板厚度對應(yīng)于檢測面的2條標(biāo)注線，用直探頭在標(biāo)注線上進(jìn)行鋸齒形掃查以檢測腹板與蓋板連接焊縫是否存在與蓋板平行的未熔合缺陷。轉(zhuǎn)向架側(cè)梁無坡口中厚板角接激光電弧復(fù)合焊縫背透一般為3～5 mm，針對焊縫背透檢測，直探頭在蓋板檢測面上找到蓋板底面回波，向腹板方向移動探頭至波高降至原來的一半時即為焊縫背透邊緣，即首先用直探頭在蓋板檢測面背透外范圍內(nèi)左右移動，找到蓋板底面回波最高反射波，然后向腹板方向移動，未達(dá)到焊縫背透邊緣時反射波幅基本不變，到達(dá)焊縫背透邊緣反射波高會降低到一半，沿焊縫縱向測長逐點(diǎn)標(biāo)注連線為背透標(biāo)記線，此線與腹板之間的距離即為焊縫背透透過尺寸，采用同樣方法在另一側(cè)標(biāo)記焊縫邊緣線，用直探頭在標(biāo)注線與背透標(biāo)記線之間和標(biāo)注線與焊縫邊緣線之間（2個區(qū)域內(nèi)）以鋸齒形掃查檢測焊縫內(nèi)部。經(jīng)過焊縫解剖和金相對比，采用該技術(shù)對焊縫進(jìn)行內(nèi)部檢測，可有效檢測出平行于蓋板的焊縫未熔合等缺陷。

圖5 直探頭超聲波檢測Fig.5 Straight probe ultrasonic testing

試件1尺寸為180 mm×50 mm×100 mm，有1處平行于蓋板的人工缺陷長度7 mm，如圖6所示。采用直探頭對角接焊縫進(jìn)行內(nèi)部檢測，可檢測出該缺陷，檢測結(jié)果如圖7所示，驗證了該技術(shù)可有效檢測出轉(zhuǎn)向架側(cè)梁無坡口角接激光電弧復(fù)合焊縫平行于腹板斷面的焊縫缺陷。

圖6 試件1形貌Fig.6 Appearance of test piece 1

圖7 檢測結(jié)果Fig.7 Detection result

2.2 用斜探頭檢測焊縫內(nèi)部是否存在缺陷

轉(zhuǎn)向架側(cè)梁無坡口中厚板角接激光電弧復(fù)合焊縫熔寬窄且焊角小，選擇4Z10×12A60超聲波斜探頭檢測焊縫熔寬范圍內(nèi)是否存在缺陷。

首先采用型號CSK-1A試塊調(diào)節(jié)探頭探測范圍，再用型號RB-1試塊或DAC試塊調(diào)節(jié)靈敏度，即將4Z10×12A60超聲波斜探頭置于RB-1試塊上找到深5 mm、孔徑3 mm橫通孔最高反射波將波高調(diào)至80%，并以此將其余孔徑10 mm、20 mm等橫通孔最高波依次找到并繪制距離波幅（DAC）曲線，將DAC曲線基準(zhǔn)波高增加14 dB作為掃查靈敏度進(jìn)行檢測。

斜探頭超聲波檢測如圖8所示，由于腹板內(nèi)檢測面在轉(zhuǎn)向架側(cè)梁上是封閉腔體無法放置探頭，故4Z10×12A60超聲波斜探頭在腹板外檢測面上鋸齒形掃查角接焊縫內(nèi)部。激光電弧復(fù)合焊試件2尺寸為70 mm×65 mm×80 mm，有2處焊縫內(nèi)孔狀缺陷，分別為1號缺陷和2號缺陷，直徑均為1.5 mm，如圖9所示。采用該技術(shù)對焊縫進(jìn)行內(nèi)部檢測，可準(zhǔn)確檢測出1號缺陷和2號缺陷，檢測結(jié)果見圖10、圖11，驗證了該技術(shù)能有效檢測出焊縫熔寬范圍內(nèi)缺陷。

圖8 斜探頭超聲波檢測Fig.8 Ultrasonic testing with angle probe

圖9 試件2形貌Fig.9 Appearance of test piece 2

圖10 檢出1號缺陷Fig.10 No.1 defect detected

圖11 檢出2號缺陷Fig.11 No.2 defect detected

以上試驗結(jié)果證明，超聲波檢測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對轉(zhuǎn)向架側(cè)梁無坡口中厚板角接激光電弧復(fù)合焊長大焊縫的內(nèi)部檢測，適合于現(xiàn)場使用，可以驗證無坡口激光電弧復(fù)合焊接單面焊雙面成形工藝參數(shù)的合理性和穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

近年來諸多軌道交通企業(yè)開展了高效焊接技術(shù)研究，激光電弧復(fù)合焊技術(shù)在軌道客車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁中厚板開發(fā)應(yīng)用中，實現(xiàn)了高質(zhì)量、高效率的單面焊雙面成形關(guān)鍵技術(shù)的突破。轉(zhuǎn)向架側(cè)梁中厚板角接激光電弧復(fù)合焊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沒有現(xiàn)場內(nèi)部質(zhì)量超聲波檢測工藝，也是困擾本領(lǐng)域的一大技術(shù)難題。本研究針對軌道客車轉(zhuǎn)向架側(cè)梁激光電弧復(fù)合焊角焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和檢測工藝難點(diǎn)，采用超聲波檢測技術(shù)對其焊縫進(jìn)行內(nèi)部檢測，可對該類型焊縫內(nèi)部全覆蓋，能夠發(fā)現(xiàn)焊縫未熔合、裂紋等缺陷，確保焊縫質(zhì)量，為合理制定無損檢測工藝提供了依據(jù)。更可有效保證轉(zhuǎn)向架側(cè)梁角接激光電弧復(fù)合焊的先期焊接參數(shù)的合理選擇及批量生產(chǎn)過程中的焊接質(zhì)量，實現(xiàn)軌道交通轉(zhuǎn)向架激光電弧復(fù)合焊焊接質(zhì)量的提升。