超声波检测技术在转向架激光电弧复合焊无坡口焊缝检测中的应用

超声波检测技术在转向架激光电弧复合焊无坡口焊缝检测中的应用 Application of Ultrasonic Testing Technology in Non-groove Weld Detection of Bogie Laser Arc Hybrid Welding 1 first-author 王丽萍（1976—），女，学士，高级工程师，主要从事轨道客车焊接无损检测的研究。E-mail：1325832855@qq.com。 王丽萍（1976—），女，学士，高级工程师，主要从事轨道客车焊接无损检测的研究。E-mail：1325832855@qq.com。 1325832855@qq.com 1 1 2 1 1 1 中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062 中车长春轨道客车股份有限公司,吉林 长春 130062 CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China CRRC Changchun Railway Vehicles Co., Ltd., Changchun 130062, China 中车齐齐哈尔车辆有限公司,黑龙江 齐齐哈尔 161002 中车齐齐哈尔车辆有限公司,黑龙江 齐齐哈尔 161002 CRRC Qiqihaer Rolling Stock Co., Ltd., Qiqihaer130062, China CRRC Qiqihaer Rolling Stock Co., Ltd., Qiqihaer130062, China 在轨道客车转向架中厚板的焊接中，传统MAG焊存在热输入高、熔透性不佳、焊接变形大等不足，激光电弧复合焊熔透性好、焊接热输入小、变形易控制，在诸多领域实现了工程化应用，具有较好的应用前景。结合转向架侧梁激光电弧复合焊无坡口角焊缝的结构特点开发新工艺，解决了原检测方法无法对转向架侧梁激光电弧复合焊角焊缝全面扫查的工艺难点。超声波检测技术可以准确检测出这种焊缝内部各种缺陷，实现了该焊缝的全覆盖，为合理制定无损检测工艺提供了依据。 Laser arc hybrid welding technology is one of the new welding technologies vigorously studied andpromoted by several major manufacturing plants of CRRC in recent years, especially for some shortcomings oftraditional MAG welding of medium and thick plates of railway car bogies. Laser arc hybrid welding has a goodapplication prospect. It has good penetration, small welding heat input and easy deformation control, and has beenapplied in many fields.Combined with the structural characteristics of the laser arc hybrid welding fillet weld ofthe side beam of the railway car bogie, a new process is developed, It solves the technical difficulty that theoriginal detection method cannot 才omprehensivescan the fillet weld of the bogie side beam by laser arc hybridwelding。Ultrasonic testing technology can accurately detect the internal defects of this kind of weld, and realizethe full coverage of the weld, which provides a basis for the rational formulation of nondestructive testingtechnology. 超声波 激光电弧复合焊 转向架 角焊缝 ultrasonic laser arc hybrid welding bogie fillet weld 前言 1 激光电弧复合焊是高效焊接技术的主流，具有高熔透性、低热输入、小变形等优点，中车集团各大主机厂近来年均以复合焊作为未来高效焊接技术研究与应用的重点之一。转向架侧梁角焊缝为中厚板焊接结构，焊接质量对轨道客车的运营安全有着重要影响。传统MAG焊存在热输入高、熔透性不佳、焊接变形大等问题，采用激光电弧复合焊可解决以上问题，降低成本 ［ 1 1 ］ ，减少焊接缺陷 ［ 2 2 ］ ，填充量下降45%，焊接效率提升3倍以上，且疲劳性能优于MAG焊 ［ 3 3 ］ 。为保证焊缝质量必须进行内部检测，由于侧梁工件体积大、现场受限等原因无法进行射线检测，而超声波检测作为一种以信号技术为基础的检测方法 ［ 4 4 ］ ，非常适合用于转向架侧梁角焊缝的现场检测 ［ 5 5 ］ 。 按照EN15085-5，内部检测仅针对完全焊透T型接头和对接焊缝执行，由于无坡口转向架侧梁激光电弧复合焊结构的特殊性，原焊缝超声检测方法仅采用斜探头难以全面扫查焊缝。本文中的转向架侧梁激光电弧复合焊取消了机加坡口工序，检测部位为转向架侧梁无坡口的16 mm厚T型接头激光电弧复合焊长大角焊缝，单面焊双面成形，开展了超声波检测技术可行性研究，为合理制定无损检测工艺提供依据。 试验材料、设备及方法 1 试验材料 2 轨道客车转向架侧梁壁厚16 mm，是转向架关键部件。转向架侧梁角焊缝传统MAG焊金相如 图1 图1 所示，激光电弧复合焊金相如 图2 图2 所示。 激光-MAG复合焊方法中，焊丝为BOHLER公司的ER80S-G，直径1.2 mm；母材为S355J2W钢板，尺寸500 mm×150 mm×12 mm，试验前用砂轮清理试板表面的氧化层，并采用丙酮清除工件表面的油污，母材与焊丝化学成分如 表1 表1 所示。试验试板通过点固焊组对成无坡口的T型接头形式，组对间隙0.5 mm，焊接保护气体为 φ （Ar）82%+ φ （CO 2 ）18%混合气，流量25 L/min。工艺参数为：激光前置，光丝间距4 mm，离焦量-2.0 mm，激光功率8.2 kW，焊接速度45 cm/min，焊接电压26 V，送丝速度10.2 m/min。 C Si Mn S P Cu Ni Mo Zr 焊丝 0.10 0.50 1.06 0.012 0.006 0.30 0.85 — — 母材 0.17 0.55 0.94 0.035 0.035 0.40 0.65 0.30 0.15 试验设备 2 试验设备为中车长春轨道客车股份有限公司的激光电弧复合焊系统，如 图3 图3 所示，该系统配备15 kW光纤激光器、6轴工业机器人、旋转变位机、福尼斯TPS5000弧焊电源 ［ 6 6 ］ 。超声波脉冲反射技术采用南京友联公司生产的PXUT-F3型超声波探伤仪，采用频率2.5 MHz、Φ10 mm超声波直探头和4Z10×12A60超声波斜探头进行检测，如 图4 图4 所示。 试验方法 2 转向架侧梁无坡口中厚板激光复合焊与传统MAG焊坡口不同，由于一次熔透深度加大，可实现无坡口的T型接头形式，进而取消了机加坡口工序极大地提高了焊接效率。焊接层数的减少降低了层间缺陷出现的几率，但由于激光电弧复合焊焊道截面熔深大、熔宽窄，对焊枪角度和位置的精确要求较高，容易出现侧壁未熔合缺陷。因此超声波检测的着重点不同 ［ 7 7 - 8 8 7-8 ］ ，无坡口中厚板角接激光复合焊焊接层数为2层，一层焊接功率即能将整个板焊透并达到焊缝背面焊脚高度3~5 mm，热影响区宽度小，那么一旦产生焊缝侧壁未熔合缺陷其危害性较大，超声检测重点检测这种未熔合缺陷。 通过焊接试件发现，试件易产生平行于腹板端面的未熔合缺陷并小概率出现其他焊接缺陷，所以超声波检测的探头角度应保证以垂直入射或尽可能接近垂直于缺陷面 ［ 7 7 - 9 9 7-9 ］ 。试验方法为：采用频率2.5 MHz、 <math id="M1"><mi mathvariant="normal">ϕ</mi></math> http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34292294&type= http://html.publish.founderss.cn/rc-pub/api/common/picture?pictureId=34292289&type= 1.94733346 3.38666677 10 mm超声波直探头在T型接头盖板上检测腹板与盖板的连接焊缝是否存在未熔合缺陷，未熔合缺陷宽度和长度均用半波高度法进行判定（半波高度法又称6 dB法，由于波高降低6 dB后正好为原来的一半；先移动探头找到缺陷的最大反射波，然后沿缺陷方向左右移动探头，当缺陷波高降低一半时，探头中心线之间距离就是缺陷的指示长度）。此外，在T型接头腹板上采用4Z10×12A60超声波斜探头检测焊缝内部是否存在其他缺陷。 通过以上方法可以检测出转向架侧梁无坡口中厚板角接激光电弧复合焊关键焊缝中存在的内部缺陷，实现焊缝的全覆盖，保证焊缝满足要求。 试验结果与讨论 1 直探头检测与盖板平行的缺陷及背透成型 2 首先采用频率2.5 MHz、Φ10 mm超声波直探头在型号RB-1试块上进行探测范围的调整，具体操作方法是：将纵波直探头对准试块水平底面，使两次不同的底波对准相应的水平刻度值；然后将调整好的直探头置于RB-1试块深5 mm、孔径3 mm横通孔上找到最高波，将波高调至80%作为检测灵敏度，表面耦合补偿4 dB，并增益10 dB作为扫查灵敏度。 如 图5 图5 所示，用画线方法在盖板上表面标注出腹板厚度对应于检测面的2条标注线，用直探头在标注线上进行锯齿形扫查以检测腹板与盖板连接焊缝是否存在与盖板平行的未熔合缺陷。转向架侧梁无坡口中厚板角接激光电弧复合焊缝背透一般为3~5 mm，针对焊缝背透检测，直探头在盖板检测面上找到盖板底面回波，向腹板方向移动探头至波高降至原来的一半时即为焊缝背透边缘，即首先用直探头在盖板检测面背透外范围内左右移动，找到盖板底面回波最高反射波，然后向腹板方向移动，未达到焊缝背透边缘时反射波幅基本不变，到达焊缝背透边缘反射波高会降低到一半，沿焊缝纵向测长逐点标注连线为背透标记线，此线与腹板之间的距离即为焊缝背透透过尺寸，采用同样方法在另一侧标记焊缝边缘线，用直探头在标注线与背透标记线之间和标注线与焊缝边缘线之间（2个区域内）以锯齿形扫查检测焊缝内部。经过焊缝解剖和金相对比，采用该技术对焊缝进行内部检测，可有效检测出平行于盖板的焊缝未熔合等缺陷。 试件1尺寸为180 mm×50 mm×100 mm，有1处平行于盖板的人工缺陷长度7 mm，如 图6 图6 所示。采用直探头对角接焊缝进行内部检测，可检测出该缺陷，检测结果如 图7 图7 所示，验证了该技术可有效检测出转向架侧梁无坡口角接激光电弧复合焊缝平行于腹板断面的焊缝缺陷。 用斜探头检测焊缝内部是否存在缺陷 2 转向架侧梁无坡口中厚板角接激光电弧复合焊缝熔宽窄且焊角小，选择4Z10×12A60超声波斜探头检测焊缝熔宽范围内是否存在缺陷。 首先采用型号CSK-1A试块调节探头探测范围，再用型号RB-1试块或DAC试块调节灵敏度，即将4Z10×12A60超声波斜探头置于RB-1试块上找到深5 mm、孔径3 mm横通孔最高反射波将波高调至80%，并以此将其余孔径10 mm、20 mm等横通孔最高波依次找到并绘制距离波幅（DAC）曲线，将DAC曲线基准波高增加14 dB作为扫查灵敏度进行检测。 斜探头超声波检测如 图8 图8 所示，由于腹板内检测面在转向架侧梁上是封闭腔体无法放置探头，故4Z10×12A60超声波斜探头在腹板外检测面上锯齿形扫查角接焊缝内部。激光电弧复合焊试件2尺寸为70 mm×65 mm×80 mm，有2处焊缝内孔状缺陷，分别为1号缺陷和2号缺陷，直径均为1.5 mm，如 图9 图9 所示。采用该技术对焊缝进行内部检测，可准确检测出1号缺陷和2号缺陷，检测结果见 图10 图10 、 图11 图11 ，验证了该技术能有效检测出焊缝熔宽范围内缺陷。 以上试验结果证明，超声波检测技术能够实现对转向架侧梁无坡口中厚板角接激光电弧复合焊长大焊缝的内部检测，适合于现场使用，可以验证无坡口激光电弧复合焊接单面焊双面成形工艺参数的合理性和稳定性。 结论 1 近年来诸多轨道交通企业开展了高效焊接技术研究，激光电弧复合焊技术在轨道客车转向架侧梁中厚板开发应用中，实现了高质量、高效率的单面焊双面成形关键技术的突破。转向架侧梁中厚板角接激光电弧复合焊结构复杂，没有现场内部质量超声波检测工艺，也是困扰本领域的一大技术难题。本研究针对轨道客车转向架侧梁激光电弧复合焊角焊缝的结构特点和检测工艺难点，采用超声波检测技术对其焊缝进行内部检测，可对该类型焊缝内部全覆盖，能够发现焊缝未熔合、裂纹等缺陷，确保焊缝质量，为合理制定无损检测工艺提供了依据。更可有效保证转向架侧梁角接激光电弧复合焊的先期焊接参数的合理选择及批量生产过程中的焊接质量，实现轨道交通转向架激光电弧复合焊焊接质量的提升。 参考文献 张军明 . 轨道客车转向架用耐候钢激光电弧复合焊接头组织和性能研究 ［J］. 热加工工艺 ， 2016 ， 45 （ 3 ）： 237 - 239 . 轨道客车转向架用耐候钢激光电弧复合焊接头组织和性能研究 ZHANG Junming . 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