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        基于超聲熱波成像技術(shù)的機(jī)車鉤舌的裂紋檢測

        2020-05-07 09:29:30敬甫盛江海軍魏益兵
        紅外技術(shù) 2020年2期
        關(guān)鍵詞:熱像儀紅外工件

        敬甫盛,李 朋,江海軍,陳 力,魏益兵

        (1.神華鐵路貨車運(yùn)輸有限責(zé)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(jī)車零件在加工制造過程中,經(jīng)常出現(xiàn)鑄、鍛、熱處理和機(jī)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(shí)準(zhǔn)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(xì)微裂紋,如不及時(shí)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(xì)裂紋,甚至不加上很重的壓力時(shí)肉眼都無法看見。但在長期運(yùn)行中,裂紋逐漸擴(kuò)張,有可能造成嚴(yán)重的后果。因此,對各種鐵路機(jī)車鉤舌進(jìn)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(diǎn)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(shí),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(diǎn)的檢測;滲透檢測操作繁瑣,容易污染環(huán)境,同時(shí)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(jī)車鉤舌的檢測具有多重難點(diǎn):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(jìn)行清洗;部件體積大而笨重搬運(yùn)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(dāng)前設(shè)備監(jiān)測診斷技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要領(lǐng)域。采用常規(guī)檢測技術(shù),很難達(dá)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(shí)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(lì)屬于選擇性的激勵(lì)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(jìn)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(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)在役檢測。超聲激勵(lì)熱波無損檢測技術(shù)在超聲耦合、熱激勵(lì)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(jī)車鉤舌的裂紋檢測難點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面,其一在于如何在大部件體內(nèi)產(chǎn)生足夠強(qiáng)度的混沌聲場;其二在于該技術(shù)目前主要在實(shí)驗(yàn)室使用,采用不同廠家部件組裝而成,怎么把該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)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(lì)紅外無損檢測技術(shù),超聲熱像成像技術(shù)是將超聲激勵(lì)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(dòng)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(jìn)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?,裂紋缺陷處對應(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(shí)間是不同的,因此可以對紅外信號強(qiáng)度隨時(shí)間變化的關(guān)系來對裂紋的深度、大小等信息進(jìn)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(jìn)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(lì)方式的紅外無損檢測技術(shù)相比其特點(diǎn)在于:一是超聲激勵(lì)屬于選擇性激勵(lì),僅對缺陷區(qū)域進(jìn)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(shí)間快,超聲在固體中傳播速度很快,超聲從激勵(lì)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(shí)間非常短,從超聲激勵(lì)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(kuò)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(lì),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(shí)際制成的設(shè)備很輕很小,可能制成便攜式拿到現(xiàn)場運(yùn)用。它的檢測時(shí)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(dòng)式熱激勵(lì)熱像成像技術(shù),在熱激勵(lì)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(diǎn):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(yuǎn)距離的傳導(dǎo),因而可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離熱激勵(lì);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(xì)小裂紋;該技術(shù)尤其對閉合的疲勞裂紋比較有效,因?yàn)檫@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(kuò)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(shí)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(jī)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(lì)源、紅外熱像儀及結(jié)構(gòu)支架、計(jì)算機(jī)等組成。其中超聲激勵(lì)源包括超聲驅(qū)動(dòng)器、超聲換能器及變幅桿等。超聲換能器固定在一移動(dòng)平臺上,移動(dòng)平臺由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),根據(jù)工件的大小調(diào)節(jié)工作距離,在移動(dòng)平臺上還安裝有壓縮氣缸,用于推動(dòng)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(gè)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(gè)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(lì)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(lì)采集并平均的鎖相技術(shù)。底座上可對工件進(jìn)行一定的夾持,防止測試時(shí)的移動(dòng)。超聲激勵(lì)裝置固定支架上,方便對試件進(jìn)行超聲激勵(lì)。紅外熱像儀安裝在超聲激勵(lì)裝置附近位置,便于采集紅外圖像,同時(shí)紅外熱像儀安裝在云平臺上方便進(jìn)行調(diào)節(jié)。計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)組成。設(shè)備采用500 W超聲激勵(lì),20 kHz激勵(lì)頻率,單次激勵(lì)時(shí)間不超過1 s,可重復(fù)多次激勵(lì)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(lì)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(shí)驗(yàn)過程中需要保證超聲波有效注入試件中,超聲槍激勵(lì)頭和試件接觸良好,這就要求超聲槍激勵(lì)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(lì)頭在20 kHz激勵(lì)頻率下,與試件激勵(lì)位置之間形成間歇性接觸,同時(shí)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(jìn)試件內(nèi)部,過大的預(yù)緊力導(dǎo)致超聲激勵(lì)頭與試件激勵(lì)位置無法形成間歇性接觸,同時(shí)過大的預(yù)緊力容易對試件造成損傷。

        圖3和圖4為機(jī)車鉤舌試件,機(jī)車鉤舌重35 kg,(a)為超聲激勵(lì)位置點(diǎn)光學(xué)照片,(b)為缺陷位置點(diǎn)光學(xué)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(shí)驗(yàn)檢測過程中發(fā)現(xiàn)超聲激勵(lì)后內(nèi)部裂紋缺陷對應(yīng)的表面溫度最高,熱波信號最強(qiáng),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(shí)驗(yàn)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(shí),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(lì)不同區(qū)域,以達(dá)到完全覆蓋整個(gè)試件。在超聲激勵(lì)作用下,試件中會出現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性振動(dòng)現(xiàn)象,包括超諧波振動(dòng)、次諧波振動(dòng)、準(zhǔn)次諧波振動(dòng)、混沌等;超聲激勵(lì)過程中的非線性振動(dòng)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(qiáng)非線性振動(dòng)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(qiáng)弱與幾個(gè)參數(shù)密切相關(guān),在實(shí)驗(yàn)過程中需要摸索出實(shí)驗(yàn)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(lì)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果,這個(gè)壓力一般控制在200 N附近;超聲激勵(lì)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(lì)熱波信號,故而采用可調(diào)頻高功率超聲驅(qū)動(dòng)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(diǎn)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(lì)熱波信號。該技術(shù)可以讓工件相對超聲變幅桿進(jìn)行各種平移和轉(zhuǎn)動(dòng),而熱像儀也將隨之變動(dòng)。超聲耦合的方式:超聲變幅桿與工件接觸時(shí)如果耦合不好則能量不能有效傳遞,同時(shí)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(qiáng)的韌性。可以采用化纖襯底的膠帶、高強(qiáng)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(jìn)行檢測,可以有效提高列車運(yùn)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(yùn)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(jià)值??梢杂行Ы鉀Q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(jì)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(shí)現(xiàn)超聲槍與試件的耦合,最后通過該系統(tǒng)對兩個(gè)鐵路機(jī)車鉤舌試件進(jìn)行了檢測,檢測出了兩個(gè)鐵路機(jī)車鉤舌的裂紋缺陷,驗(yàn)證了該系統(tǒng)對機(jī)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)。

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