劉海寧，王尚華，鞏麗霞，王 杰

(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，永濟(jì) 044500)

某列車在運(yùn)行過(guò)程中，其牽引電機(jī)出現(xiàn)了端環(huán)與導(dǎo)條焊接部位開(kāi)裂的質(zhì)量問(wèn)題(見(jiàn)圖1)，根據(jù)事故原因進(jìn)行分析，認(rèn)為其除了與列車運(yùn)行有關(guān)外，還與存在焊接缺陷有關(guān)，為確保列車運(yùn)行安全，需要對(duì)其進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的有效控制[1]。但當(dāng)采用常規(guī)線性相控陣超聲探頭進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)結(jié)果不夠理想。為了進(jìn)一步提高檢測(cè)質(zhì)量，根據(jù)現(xiàn)有的相關(guān)型號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)導(dǎo)條焊接質(zhì)量要求，設(shè)計(jì)了專用的相控陣超聲探頭。通過(guò)對(duì)大量檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，設(shè)定了合理的檢測(cè)參數(shù)，完善了檢測(cè)工藝，將焊接缺陷數(shù)量控制在規(guī)定范圍內(nèi)，從而有效地保證了焊接質(zhì)量。

圖1 端環(huán)與導(dǎo)條焊接部位開(kāi)裂外觀

1 檢測(cè)方法

1.1 檢測(cè)對(duì)象

電機(jī)轉(zhuǎn)子的端環(huán)與導(dǎo)條采用硬釬焊連接，將端環(huán)放置在中頻感應(yīng)器上，導(dǎo)條插入端環(huán)槽內(nèi)，導(dǎo)條間隙放入銀焊料，通過(guò)感應(yīng)加熱到一定溫度后再冷卻，將端環(huán)和導(dǎo)條焊接在一起[2]。在該焊接工藝下，導(dǎo)條釬合面部位易產(chǎn)生氣孔，若端環(huán)導(dǎo)條釬合面存在的氣孔過(guò)多，將會(huì)影響電機(jī)的運(yùn)行，甚至在使用過(guò)程中釬合部位開(kāi)裂。端環(huán)導(dǎo)條焊接剖面如圖2所示。

圖2 端環(huán)導(dǎo)條焊接剖面示意

1.2 檢測(cè)方法

根據(jù)某型電機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)與導(dǎo)條的尺寸及焊接結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制作了相控陣超聲檢測(cè)用探頭，定制探頭可兼容其他型號(hào)電機(jī)的轉(zhuǎn)子端環(huán)與導(dǎo)條的尺寸，方便后續(xù)開(kāi)展其他電機(jī)的檢測(cè)試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)需要，設(shè)計(jì)制作了可調(diào)勻速旋轉(zhuǎn)工裝，避免人工手動(dòng)掃查時(shí)人為因素對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的影響；對(duì)比常規(guī)相控陣超聲探頭與定制相控陣超聲探頭掃查的結(jié)果，確定檢測(cè)參數(shù)；對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的某型電機(jī)轉(zhuǎn)子端環(huán)與導(dǎo)條的焊接部位進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，分析檢測(cè)數(shù)據(jù)，確定端環(huán)導(dǎo)條焊接端面氣孔的總體分布范圍。解體一臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子，加工后對(duì)端環(huán)導(dǎo)條焊接端面的氣孔與缺陷顯示進(jìn)行對(duì)比。

1.3 試驗(yàn)實(shí)施

根據(jù)釬焊的工藝控制方法，要求具有檢出釬焊底部φ1 mm氣孔的能力，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)確定了定制相控陣超聲探頭的各項(xiàng)參數(shù)，晶片整體尺寸為47.8 mm×10 mm，單晶片寬度為1.3 mm，晶片間隙為0.2 mm，頻率為4 MHz。在垂直線性掃查時(shí),聲束能夠完全覆蓋端環(huán)導(dǎo)條的焊接部位。

設(shè)計(jì)制作了檢測(cè)用旋轉(zhuǎn)工裝(見(jiàn)圖3)，旋轉(zhuǎn)速度可根據(jù)檢測(cè)工藝要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。檢測(cè)該型轉(zhuǎn)子時(shí)，檢測(cè)靈敏度采用端環(huán)底波調(diào)整,使底面回波達(dá)到滿屏100%，相控陣檢測(cè)儀器設(shè)置掃查長(zhǎng)度為830 mm，掃查時(shí)長(zhǎng)為83 s，旋轉(zhuǎn)工裝頻率設(shè)置為10 Hz，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)線速度為10 mm·s-1。

圖3 旋轉(zhuǎn)工裝外觀

按照設(shè)定的工藝參數(shù)，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如下所述。

(1) 采用常規(guī)32晶片線性探頭扇形掃查，聲束在工件中的傳播示意如圖4(a)所示，采用定制的32通道探頭垂直線性掃查，聲束在工件中的傳播示意如圖4(b)所示。

圖4 聲束在工件中的傳播示意

(2) 在實(shí)驗(yàn)室中,對(duì)該型轉(zhuǎn)子實(shí)際掃查檢測(cè)中缺陷的俯視成像結(jié)果如圖5所示。

圖5 缺陷的俯視成像結(jié)果

(3) 圖6為常規(guī)探頭手動(dòng)扇形掃查的結(jié)果,圖7為配合旋轉(zhuǎn)工裝采用定制探頭進(jìn)行垂直掃查的結(jié)果。由圖7可知，常規(guī)探頭扇形掃查結(jié)果不符合轉(zhuǎn)子釬焊的實(shí)際結(jié)構(gòu)，未能將整個(gè)導(dǎo)條端面缺陷成像顯示出來(lái)，所以采用常規(guī)探頭扇形掃查存在漏檢。采用定制探頭垂直掃查的結(jié)果更加接近轉(zhuǎn)子釬焊的實(shí)際結(jié)構(gòu)，俯視圖能夠反應(yīng)缺陷的實(shí)際分布位置。

圖6 常規(guī)探頭手動(dòng)扇形掃查結(jié)果

圖7 定制探頭垂直掃查結(jié)果

對(duì)該型轉(zhuǎn)子采用定制探頭垂直線性掃查檢測(cè)的部分缺陷圖像如圖8(a)所示，從缺陷圖像中可以看出每個(gè)導(dǎo)條端面的缺陷大小不一，缺陷形態(tài)也各種各樣。圖8(b)為實(shí)物解剖后的缺陷外觀，由于加工原因其未能一次性全部顯示出來(lái)，圖8(a)中A、B兩直線之間的圖像與實(shí)際解剖缺陷顯示相對(duì)應(yīng)。對(duì)比圖8(a)和圖8(b)，發(fā)現(xiàn)受探頭分辨率影響，缺陷檢測(cè)圖像相對(duì)實(shí)際缺陷尺寸存在放大現(xiàn)象，實(shí)際解剖缺陷與檢測(cè)結(jié)果缺陷顯示形態(tài)差異較大。

圖8 缺陷檢測(cè)與實(shí)物解剖結(jié)果

在固定檢測(cè)參數(shù)和檢測(cè)結(jié)果分析方法的情況下，對(duì)檢測(cè)結(jié)果采用如圖9所示的畫(huà)格分析方法進(jìn)行缺陷占比分析，取圖8中35號(hào)導(dǎo)條的實(shí)際缺陷圖像，將其與相控陣模擬圖像放大后進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)缺陷檢測(cè)圖像相對(duì)實(shí)際缺陷放大約2.5倍，如圖10所示。

圖9 缺陷顯示畫(huà)格分析

圖10 35號(hào)導(dǎo)條實(shí)際缺陷與檢測(cè)結(jié)果缺陷對(duì)比

采用畫(huà)格法對(duì)105個(gè)導(dǎo)條端面的缺陷進(jìn)行占比統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)畫(huà)出正態(tài)分布圖，如圖11所示。發(fā)現(xiàn)缺陷占比主要集中在20%35%。為了得到正態(tài)分布中偏差較大的界限值，采用拉依達(dá)準(zhǔn)則(剔除大于或小于數(shù)學(xué)期望3倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù))對(duì)正態(tài)分布中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于缺陷占比越小越好，所以只剔除正偏差的數(shù)值，分析時(shí)105組測(cè)量數(shù)據(jù)均采用，所以該處的數(shù)學(xué)期望選擇平均值，計(jì)算結(jié)果如表1所示。從表1得出該型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條端面的相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果，缺陷占比高于43%(實(shí)際缺陷占比為17.2%)時(shí)屬于異常情況，就目前的釬焊參數(shù)、制造過(guò)程、檢測(cè)方法和檢測(cè)參數(shù)固定的情況下，當(dāng)該型轉(zhuǎn)子釬焊批量出現(xiàn)導(dǎo)條端面缺陷檢測(cè)結(jié)果占比高于43%時(shí)，應(yīng)對(duì)釬焊過(guò)程進(jìn)行分析，控制釬焊工藝。

圖11 缺陷占比正態(tài)分布

表1 大于數(shù)學(xué)期望3倍標(biāo)準(zhǔn)差的界限值

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)設(shè)計(jì)并制作相控陣超聲檢測(cè)用勻速旋轉(zhuǎn)工裝及探頭夾持裝置，有效避免了手動(dòng)檢測(cè)人為因素的影響，根據(jù)該型轉(zhuǎn)子端環(huán)導(dǎo)條尺寸結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了垂直聲束一次覆蓋全部導(dǎo)條端面的相控陣超聲探頭，固定檢測(cè)參數(shù)及工裝旋轉(zhuǎn)速度后，對(duì)100臺(tái)該型轉(zhuǎn)子進(jìn)行了掃查，積累了檢測(cè)數(shù)據(jù)，另外對(duì)一臺(tái)轉(zhuǎn)子進(jìn)行了解剖試驗(yàn)，就解剖后導(dǎo)條端面的實(shí)際缺陷大小與相控陣超聲檢測(cè)出的缺陷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，制定出了該型轉(zhuǎn)子焊接質(zhì)量的檢測(cè)規(guī)范。該質(zhì)量控制規(guī)范也可用于結(jié)構(gòu)和尺寸相同的其他轉(zhuǎn)子的釬焊質(zhì)量監(jiān)控。對(duì)于同一工藝下批量生產(chǎn)的零部件，可采用上述檢測(cè)分析方法進(jìn)行異常監(jiān)控分析。