安博，徐偉，張曉軍，崔巖，胡文浩

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司 轉(zhuǎn)向架技術(shù)中心，河北 唐山 063035）

0 引言

隨著鐵路運(yùn)營(yíng)速度等級(jí)的不斷提高，對(duì)轉(zhuǎn)向架技術(shù)提出了更高要求，構(gòu)架作為轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)，其安全性對(duì)保障高鐵平穩(wěn)運(yùn)行發(fā)揮著決定性作用。我國(guó)軌道客車、高鐵、城軌地鐵的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架均采用焊接結(jié)構(gòu)，因此，焊縫質(zhì)量不僅決定著高鐵等軌道車輛的使用性能，同時(shí)對(duì)列車行車安全也至關(guān)重要[1]。無損檢測(cè)技術(shù)在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架制造中應(yīng)用廣泛，是保證產(chǎn)品焊接質(zhì)量的重要手段。隨著我國(guó)制造業(yè)水平的不斷提高，新技術(shù)在軌道車輛制造行業(yè)得到應(yīng)用，無損檢測(cè)技術(shù)正朝著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。

1 轉(zhuǎn)向架無損檢測(cè)的對(duì)象

1.1 側(cè)梁

側(cè)梁為轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的重要組成部分，結(jié)構(gòu)類型較多（見圖1），均為箱形焊接結(jié)構(gòu)，由上、下蓋板和內(nèi)、外立板及內(nèi)部筋板組成。蓋板與立板連接焊縫形式主要為T型接頭HY/HV型坡口焊縫，內(nèi)部筋板與立板、蓋板連接焊縫形式主要為T型接頭角焊縫，少數(shù)情況也有T型接頭HY型坡口焊縫。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要、制造工藝復(fù)雜等原因，上、下蓋板或內(nèi)、外立板一般不是整體結(jié)構(gòu)，往往采用鍛鑄結(jié)構(gòu)通過對(duì)接V型焊縫進(jìn)行連接。

1.2 橫梁

圖1 側(cè)梁結(jié)構(gòu)類型示例

橫梁也是轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的重要組成部分，橫梁結(jié)構(gòu)多樣，歸納起來主要有鋼板箱形焊接結(jié)構(gòu)和鋼管焊接結(jié)構(gòu)2種。箱形結(jié)構(gòu)橫梁焊縫形式與側(cè)梁焊縫形式相似，主要為T型接頭HY/HV型坡口焊縫，由于所用鋼板厚度不同，焊縫熔深也相應(yīng)不同。鋼管焊接結(jié)構(gòu)橫梁存在大量管板連接接頭（見圖2），以管板T型接頭坡口焊縫為主，坡口均開在鋼板側(cè)。也有一定量的管板對(duì)接坡口焊縫，鋼板側(cè)開小角度坡口或不開坡口，借助鋼管外圓弧形結(jié)構(gòu)，組成焊接接頭。

1.3 構(gòu)架

構(gòu)架由2條側(cè)梁和1條橫梁組成，由橫梁結(jié)構(gòu)決定構(gòu)架的主要焊縫形式。當(dāng)橫梁為鋼管形式時(shí)，橫梁管插入側(cè)梁立板組，構(gòu)架主要為環(huán)形連接焊縫（見圖3（a）；橫梁為鋼板箱形焊接結(jié)構(gòu)時(shí)，構(gòu)架主要為對(duì)接焊縫形式（見圖3（b））。

2 轉(zhuǎn)向架無損檢測(cè)方法及應(yīng)用

軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)過程中，常用的表面無損檢測(cè)方法主要有外觀檢測(cè)和磁粉檢測(cè)，滲透檢測(cè)在轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)中應(yīng)用較少。焊縫內(nèi)部無損檢測(cè)主要采用射線檢測(cè)和超聲波檢測(cè)。根據(jù)EN 15085標(biāo)準(zhǔn)第3部分：設(shè)計(jì)要求，可確定轉(zhuǎn)向架構(gòu)架各部位承載狀況和安全性需求，查出該位置焊縫的質(zhì)量等級(jí)，并對(duì)應(yīng)出焊縫的無損探傷方法[2]。焊縫相關(guān)信息與無損檢測(cè)對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

圖2 管板連接接頭

圖3 不同橫梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)架示例

2.1 外觀檢測(cè)

外觀檢測(cè)能夠直觀地判斷焊縫表面質(zhì)量，主要采用目視檢測(cè)方式，可借助放大鏡、手電筒、焊縫檢測(cè)尺等簡(jiǎn)易工具，無需專用設(shè)備，只需對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可，由于該方法簡(jiǎn)便易行，目前在轉(zhuǎn)向架生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。軌道車輛行業(yè)焊接工作執(zhí)行EN 15085標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，在焊前、焊中、焊后整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行質(zhì)量控制，目視檢查人員應(yīng)符合ISO 9712標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。目視檢測(cè)技術(shù)主要依賴人員技能水平，同時(shí)對(duì)視力具有一定要求。

表1 焊縫相關(guān)信息與無損檢測(cè)對(duì)應(yīng)關(guān)系

目前軌道車輛行業(yè)的外觀檢測(cè)技術(shù)已有一定程度的應(yīng)用升級(jí)。高鐵鋁合金車體自動(dòng)焊接工作已應(yīng)用焊縫在線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焊接過程遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，焊工通過觀察控制系統(tǒng)，進(jìn)行自動(dòng)焊焊中控制[3]，但該過程同樣需要人員肉眼遠(yuǎn)程監(jiān)控焊接過程。在完全脫離人工操作方面，軌道車輛行業(yè)正在開展新技術(shù)的研究，通過攝像頭進(jìn)行焊縫圖像采集，計(jì)算機(jī)應(yīng)用圖像處理軟件與“特征焊縫”進(jìn)行特征對(duì)比，自動(dòng)給出被檢測(cè)焊縫的檢測(cè)報(bào)告，達(dá)到自動(dòng)化檢測(cè)的目的[4-5]。

2.2 磁粉檢測(cè)

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架主要由碳鋼、低合金鋼或耐候鋼等組焊而成，所用材料均為磁性材料。磁粉檢測(cè)技術(shù)是對(duì)磁性材料表面或近表面無損檢測(cè)的一種常用方法，在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架焊接生產(chǎn)過程中廣泛應(yīng)用。轉(zhuǎn)向架焊縫磁粉檢測(cè)采用的設(shè)備為磁軛式探傷儀，常采用干法和濕法黑磁粉檢驗(yàn)方法，干法一般用于橫梁鋼管等所用原材料的粗糙表面質(zhì)量檢測(cè)，構(gòu)架焊縫檢驗(yàn)主要采用濕法黑磁粉加反差增強(qiáng)劑的檢驗(yàn)方法。

隨著制造水平的不斷提高，目前軌道車輛轉(zhuǎn)向架無損探傷自動(dòng)化程度也在逐步提高，高鐵轉(zhuǎn)向架構(gòu)架檢修探傷已開始應(yīng)用構(gòu)架整體探傷系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)?gòu)架進(jìn)行非接觸式整體磁化，利用周向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁化整體構(gòu)架，獲得探傷所需復(fù)合磁場(chǎng)，具有自動(dòng)噴淋磁懸液、自動(dòng)退磁、工件自動(dòng)傳送及翻轉(zhuǎn)等功能，大大提高了磁粉檢測(cè)的工作效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.3 射線檢測(cè)

射線檢測(cè)是焊縫內(nèi)部缺陷檢測(cè)的重要手段，但射線檢測(cè)對(duì)工件結(jié)構(gòu)要求較高，很多結(jié)構(gòu)射線檢測(cè)無法實(shí)施，同時(shí)由于射線檢測(cè)防護(hù)要求高、成本高、傳統(tǒng)膠片難于長(zhǎng)時(shí)間保存，射線檢測(cè)的應(yīng)用具有一定局限性。CRH3型和諧號(hào)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架中橫梁管對(duì)接焊縫和CR400BF復(fù)興號(hào)動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架中連接塊對(duì)接焊縫均采用射線檢測(cè)進(jìn)行焊縫內(nèi)部探傷。

射線檢測(cè)按接收射線方式分類，主要有膠片技術(shù)、存儲(chǔ)熒光成像板計(jì)算機(jī)照相技術(shù)（CR）、數(shù)字探測(cè)器陣列（DDA）成像檢測(cè)技術(shù)（DR）等類型。相對(duì)于膠片射線探傷的局限性，DR技術(shù)利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行數(shù)字化處理，其原理與數(shù)碼相機(jī)相似，克服了膠片的弊端，圖像可長(zhǎng)期保存在計(jì)算機(jī)或存儲(chǔ)設(shè)備上，提高了檢測(cè)效率、靈敏度和缺陷識(shí)別能力。中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司采用膠片技術(shù)，使用小焦點(diǎn)棒陽極由橫梁管內(nèi)向外沿環(huán)焊縫周向曝光，管外布置膠片進(jìn)行檢測(cè)。中車唐山機(jī)車車輛有限公司（簡(jiǎn)稱中車唐山公司）在轉(zhuǎn)向架焊接生產(chǎn)中采用DR技術(shù)由外部對(duì)橫梁管雙壁透照進(jìn)行數(shù)字實(shí)時(shí)射線檢測(cè)。

隨著軌道車輛智能制造的逐步深入，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司的X射線探傷技術(shù)在自動(dòng)化、信息化、智能化方面取得重要成果，研發(fā)了我國(guó)首套高速列車焊縫射線檢測(cè)智能化評(píng)定系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)評(píng)定結(jié)果的信息化管理，實(shí)現(xiàn)了焊縫底片的數(shù)字化掃描、底片缺陷信息自動(dòng)獲取與評(píng)定，以及企業(yè)射線檢測(cè)的數(shù)據(jù)庫管理，該技術(shù)具有較高推廣價(jià)值[6]。

2.4 超聲波檢測(cè)

為保證轉(zhuǎn)向架構(gòu)架關(guān)鍵受力部位的整體性能，個(gè)別重要焊縫要求進(jìn)行焊透處理。為保證焊縫質(zhì)量，防止出現(xiàn)未焊透、未熔合等焊接缺陷，需要對(duì)焊縫進(jìn)行內(nèi)部無損探傷。由于超聲波檢測(cè)的靈敏度高、設(shè)備成本低、操作方便、缺陷波形易于識(shí)別、對(duì)操作人員無傷害等特點(diǎn)，轉(zhuǎn)向架重要焊縫基本采用超聲波檢測(cè)進(jìn)行內(nèi)部探傷。

超聲波檢測(cè)適用于檢測(cè)焊縫內(nèi)部的面積型和體積型缺陷，如裂紋、未焊透、未熔合等缺陷。目前構(gòu)架焊縫應(yīng)用的超聲波檢測(cè)技術(shù)，主要分為以單晶片探頭為主的A型顯示常規(guī)超聲檢測(cè)和以多晶片線陣元探頭為主的相控陣超聲檢測(cè)。對(duì)于單晶片探頭超聲檢測(cè)，為保證缺陷被檢出，需要重點(diǎn)考慮缺陷的方向、探頭射束入射角度及掃查移動(dòng)范圍，否則容易造成漏檢。通過觀察反射波形的A型顯示來判斷焊縫內(nèi)部有無缺陷和缺陷的大小，受人員經(jīng)驗(yàn)的影響較大，需要具備豐富經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)缺陷進(jìn)行定性和定量檢測(cè)，同時(shí)缺陷波形無法記錄、存檔。為了克服上述常規(guī)超聲檢測(cè)技術(shù)的缺點(diǎn)，相控陣超聲技術(shù)已在構(gòu)架焊縫檢測(cè)中開展應(yīng)用。雖然相控陣超聲仍屬于脈沖反射法檢測(cè)范疇，但在聲場(chǎng)特性、信號(hào)處理與成像、性能和功能等方面，與常規(guī)超聲有很大不同。相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)使用的探頭采用多陣元的晶片結(jié)構(gòu)，通過延時(shí)觸發(fā)脈沖，形成可調(diào)角度的波型（波陣面）及聚焦深度，因此無需移動(dòng)探頭或移動(dòng)較小的距離即可完整覆蓋焊縫檢測(cè)區(qū)域，解決了常規(guī)超聲探頭為了獲得最大缺陷回波，在較大范圍和多角度移動(dòng)探頭，以確保主聲束與缺陷延伸面相垂直的要求。相控陣超聲需要對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的激發(fā)孔徑、掃描角度和步進(jìn)、聚焦、靈敏度、位置傳感器校準(zhǔn)等多項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)。

同時(shí)，該領(lǐng)域研發(fā)了高頻超聲成像技術(shù)，建立了高頻超聲掃查系統(tǒng)平臺(tái)，均可實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫缺陷的有效檢測(cè)和可視化[7-9]。中車唐山公司在轉(zhuǎn)向架焊接生產(chǎn)中，部分重要焊縫已應(yīng)用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)。

3 結(jié)束語

隨著我國(guó)軌道裝備制造業(yè)的發(fā)展壯大，無損檢測(cè)技術(shù)在軌道車輛制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)要求也越來越高，無損檢測(cè)新技術(shù)應(yīng)用前景廣闊。隨著科技進(jìn)步及制造水平的不斷提高，無損檢測(cè)技術(shù)正朝著自動(dòng)化、智能化方向不斷邁進(jìn)，目前各種自動(dòng)化程度較高的無損探傷方法在鋁合金長(zhǎng)大焊縫中應(yīng)用較多，今后，該技術(shù)在軌道車輛轉(zhuǎn)向架構(gòu)架生產(chǎn)中也將實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化的應(yīng)用。