轨道车辆焊缝缺陷远场涡流检测系统设计及试验研究

徐德衍，丁亚萍，孟 鹤，郭永康，宋 凯

(1.中车南京浦镇车辆有限公司，江苏 南京 210031; 2.南昌航空大学 无损检测技术教育部重点实验室，江西 南昌 330063)

0 引 言

轨道车辆车体主要由铝合金焊接构件和不锈钢焊接构件组成[1-2]如图1所示。由于长期工作在恶劣环境下，焊接构件焊缝区域内部极易形成疲劳裂纹和应力腐蚀裂纹，为行车安全埋下隐患[3-5]。为保证轨道车辆工业的高质量发展，确保轨道车辆安全行驶，研发一种快速、可靠的轨道车辆焊缝区域埋深缺陷无损检测方法具有重要意义[6-7]。

图1 轨道车辆焊缝结构图

近年来，众多学者以及研究人员在焊缝缺陷检测评估领域做了很多研究，采用相关无损检测技术开展了焊缝的检测工作。邢艳亮等[8]基于超声检测法开展了钢衬垫单面焊双面成形焊缝的检测工作，通过辨别反射回波的来源，分析回波的传播路径和反射特性，提出了判断真假回波信号的方法，对钢衬垫焊缝的超声波检测具有一定的指导意义。但超声检测存在一定盲区且需要耦合剂。Hamade等[9]采用基于X射线的计算机断层摄影（CT）和Otsu阈值处理方法，实现了铝合金搅拌摩擦焊搭接接头的缺陷检测，成功识别了焊缝缺陷的位置和类型，通过提取的3D模型可确定缺陷的体积。然而射线检测对人体的危害限制了其应用场合。

远场涡流检测（remote field eddy current testing，RFECT）是可实现埋深缺陷检测的涡流检测新技术，具有操作便捷，无需耦合剂等优点[10-11]，适用于轨道车辆车体铝合金焊缝和不锈钢焊缝表面及埋深缺陷的检测。邹建伟等[12]使用远场涡流检测技术开展了小径管对接焊缝检测工作，总结了不同缺陷的信号特征和相应的规律，研究表明对于壁厚为5 mm的管焊缝最佳激励频率范围为70～300 Hz。随着传统涡流和新兴涡流检测方法的发展和应用，一些学者也开展了多频涡流、脉冲涡流等方法的焊缝缺陷检测工作[13-14]，但使用远场涡流方法开展焊缝缺陷检测工作的并不多见。

本文首先分析了RFECT的原理，搭建了焊缝缺陷RFECT系统，开展了轨道车辆车体不锈钢焊缝和铝合金焊缝埋深缺陷RFECT试验研究，为使用远场涡流检测焊缝埋深缺陷提供理论和技术支持。

1 RFECT原理

远场涡流检测与涡流检测相似，基于电磁感应现象实现缺陷的检测。如图2所示，屏蔽层阻断了直接耦合通道的磁场传播，检测单元无法拾取到激励单元激发的近场区域的磁场信号。由激励单元激发的穿过被检构件的远场区域的磁场信号，通过间接耦合通道被检测单元拾取。远场区域的磁场信号携带有被检构件的内部信息，以此实现金属构件埋深缺陷的检测。

图2 远场涡流检测原理图

远场涡流激励频率较低，时变涡旋电场产生的位移电流可忽略。图2中激励单元的空间电磁场可用麦克斯韦方程进行概括：

式中：H——磁场强度；

J——电流密度；

E——电场强度；

B——磁感应强度；

D——电通密度。

引入矢量磁位A可得：

将式（5）代入式（2）可得：

将式（6）代入式（1）可得：

式（8）描述了激励单元附近的远场涡流扩散现象，其中μ和σ为被检构件的磁导率和电导率。

对于时谐磁场，式（8）可简化为：

在轴对称情况下，式（9）可简化为：

式中：r、z——圆柱坐标系的基矢量；

ω——角频率。

根据式（5）、（10）可求出磁感应强度B，再由电磁感应定律可求得感应单元的电压值，则根据感应单元电压值的变化可实现金属构件的缺陷检测。

2 焊缝远场涡流探头设计

焊缝缺陷远场涡流检测系统的灵敏度主要取决于所设计的远场涡流探头。为了检测焊缝构件埋深缺陷，激励线圈激发的磁场就必须渗透至构件内部，因此激励线圈的放置方式非常重要。检测线圈主要拾取与其垂直的磁场，在检测线圈参数已定的情况下，检测信号和检测线圈的放置方式密切相关。激励线圈平行于构件放置，这种放置方式下激励磁场将垂直于构件向下渗透从而有利于增加渗透深度。检测线圈立放有利于减小由焊缝鱼鳞纹所引起的噪声信号。设计焊缝缺陷远场涡流探头如图3所示。

图3 焊缝缺陷远场涡流探头设计图

焊缝远场涡流探头采用硅钢和铁氧体PC40分别作为检测线圈和激励线圈的磁芯。其激励线圈及检测线圈的参数如表1所示。

表1 线圈参数

2.1 远场涡流探头检测灵敏度验证

为验证所研制探头的检测灵敏度，在对焊缝缺陷检测前对与母材材质相同的试块进行检测，检测对象为厚度6 mm的铝合金平板，平板表面加工有5 mm×0.13 mm×1 mm的裂纹，试块如图4、5所示。将探头放置在缺陷背面进行检测，得到检测信号的幅值如图6所示。对比无缺陷处信号与缺陷处信号可清晰识别缺陷信号特征，所研制的焊缝远场涡流探头具备检测6 mm埋深下，尺寸为5 mm×0.13 mm×1 mm裂纹的能力。

图4 铝合金平板试块设计图（单位：mm）

图5 铝合金平板试块实物图

图6 检测信号

为确认远场涡流检测探头对不锈钢埋深缺陷的检测能力，开展不锈钢平板埋深缺陷的检测试验，不锈钢平板试块示意图如图7、8所示。不锈钢平板试块的尺寸为：长度350 mm、宽度200 mm、厚度5 mm，平板表面加工有尺寸20 mm×1mm×1 mm的裂纹，将探头放置在缺陷背面进行检测，检测结果如图9所示。结合图9可知，探头具备对不锈钢试块埋深4 mm，尺寸20 mm×1 mm×1 mm裂纹的检测能力。

图7 不锈钢平板试块设计图（单位：mm）

图8 不锈钢平板试块实物图

图9 检测信号

3 远场涡流检测系统

焊缝缺陷远场涡流检测系统如图10所示，主要由硬件系统、检测探头、软件系统组成。

图10 焊缝缺陷远场涡流检测系统

硬件系统主要包括激励模块，信号调理模块和信号采集模块。激励模块用于产生激励信号以驱动检测探头，主要由信号发生器和功率放大器组成。其中信号发生器基于AD9854芯片设计，功率放大器基于LM6321设计。信号调理模块用于检测信号的放大和实部分量、虚部分量的获取，主要由前置放大器、相敏检波模块、可调增益放大模块、信号采集模块组成。其中相敏检波电路基于AD630芯片和运算放大器OPA2111搭建，可调增益放大电路基于仪表放大器AD623搭建。信号采集模块用于检测信号的采集及模数转换，并通过串口方式将数字信号传输至上位机软件，该模块主要由USB-4711A型采集卡组成。检测探头为远场涡流探头，可实现焊缝埋深缺陷的检测，检测对象为含有埋深缺陷的焊缝试块。软件系统可完成检测信号波形显示及信号相关处理，处理后的检测信号以阻抗图的形式显示。软件基于NI公司的LabVIEW2016编制，可根据实部分量、虚部分量计算信号的幅值和相位，并具有智能回零、相位旋转、阈值报警、实部虚部比例设置、数字滤波等功能。软件前面板界面如图11所示，主要由以下6个模块组成：波形显示、数据显示、滤波参数、阈值报警、参数设置、控制模块。

图11 软件前面板界面

软件的后面板程序设计是整个软件的核心部分，决定了前面板界面各个功能的实现。运行LabVIEW程序后，软件处于待机状态，完成参数设置后可开始检测任务。检测过程中实现波形显示，数据显示以及阈值报警。完成检测任务后可根据需要进行数据的保存，下面主要介绍后面板程序中3个主要功能的实现结果。

1）智能回零功能

远场涡流检测通过缺陷与无缺陷信号的差别来识别缺陷，通常先将检测探头放置在已知的无缺陷处，并以无缺陷处的检测信号为基准。为了将无缺陷处的检测信号设为基准，在后面板程序中添加了智能回零功能。

智能回零功能程序代码包括布尔控件、条件结构、运算函数等。智能回零按钮为布尔控件，按下的一瞬间其值为真，其他时刻均为假。智能回零键按下时刻，系统选定此时的数据为基准。

如表2所示，假设有连续的3个采样时刻为时刻1、时刻2、时刻3，且其采集的原始数据分别为a、b、c。若时刻1智能回零键按下，则时刻1的采集数据设为基准，时刻2和时刻3的采集数据分别为b-a、c-a，且在时刻1采样数据强制恢复为0，阻抗图光点回到原点；若在时刻2智能回零键按下，则时刻2的采集数据设为基准，时刻1采集到的数据仍为a，时刻3采集到的数据为c-b，且在时刻2采样数据强制恢复为0，阻抗图光点回到原点；若在时刻3智能回零键按下，则时刻3的采集数据设为基准，时刻1和时刻2的采集数据分别为a、b，且在时刻3采样数据强制恢复为0，阻抗图光点回到原点。后续的采样时刻4至采样时刻N的采样数据都将减去时刻3的基准，然后进行其他处理。通过智能回零功能可实现基准点的选取和阻抗图中光点回零的效果，在进行缺陷检测时有利于识别出缺陷信号。

表2 智能回零功能结果

2）实部虚部比例设置功能

使用远场涡流进行缺陷检测时，同一缺陷所引起的实部变化量和虚部变化量不相同。实部虚部的比例设置会影响阻抗图的显示效果，设置合适的实部虚部比例有利于区分缺陷信号与由焊缝鱼鳞纹引起的噪声信号，减小缺陷误判率。

实部虚部比例设置功能包括比例值输入控件、阻抗图X轴和Y轴的调用节点。通过人为设定的实部虚部比例数值来达到更改阻抗图中X轴和Y轴的数据范围的效果，定义增益比=m/l，m为实部比例系数，l为虚部比例系数，其中坐标轴数据范围为实部或虚部比例系数与缺陷信号幅值的乘积，当缺陷信号幅值不变时，实部或虚部比例系数放大或缩小n倍，则阻抗图显示的坐标轴数据范围相应的缩小或放大n倍，从而达到“放大”实部虚部分量的目的。在不同增益比下对同一缺陷进行检测，具体结果如图12所示。

图12 不同增益比时缺陷检测结果

当增益比为1/1时，阻抗图中X轴和Y轴最大值均为2 500，缺陷信号较小不利于缺陷的识别；当增益比为3/3时，阻抗图中X轴和Y轴最大值均变为833.3，缺陷信号相比较为明显，更容易识别缺陷；当增益比为5/1时，阻抗图中X轴最大值变为500，Y轴最大值为2 500，虽然可以识别出缺陷信号，但信噪比非常低，容易造成缺陷的漏判；当增益比为1/5时，阻抗图中X轴最大值为2 500，Y轴最大值变为500，此时缺陷信号较为明显，信噪比最高，有利于识别出缺陷。

3）相位旋转功能

对于不同的检测对象、不同的缺陷种类，远场涡流检测信号的初始相位有较大的差别，将缺陷信号的相位调整到合适的位置，可以更好地区分缺陷信号与噪声信号。

相位旋转功能主要包括相位旋转输入按钮、角度与弧度转换函数、正弦与余弦计算函数、程序连接线。通过设定合适的相位旋转角度，即可达到调节阻抗图中检测信号相位的目的。在实部、虚部比例相同，相位不同和实部、虚部比例不同，相位不同的情况下对同一缺陷进行检测，具体结果如图13所示。

由图13可知，在实部、虚部比例相同的情况下，相位为0°和90°时的检测信号特征相同，但相位为90°时更容易区分缺陷信号和噪声信号，有利于识别缺陷；在实部、虚部比例不同的情况下，相位为0°时虽然可以区分出缺陷信号，但信噪比较低，相位为90°时，缺陷信号非常明显，信噪比最高，可以很好地识别出缺陷。由上述分析可知，根据缺陷信号的特征设置合适的相位旋度数，有利于识别缺陷信号，提高检测信噪比。

图13 不同相位时缺陷检测结果

4 焊缝缺陷RFECT试验研究

4.1 铝合金焊缝试验研究

铝合金焊缝区域除了存在焊缝余高的，熔合区内材料属性会发生变化，并且存在残余应力，这些因素都会对远场涡流检测结果造成影响。基于RFECT检测系统开展了铝合金焊缝埋深缺陷检测试验研究。铝合金焊缝试块如图14、15所示，试块长度为350 mm、宽度为200 mm、厚度为3 mm。焊缝区域存在鱼鳞纹，试块背面通过电火花加工有尺寸为10 mm×1 mm×1 mm的裂纹。将探头放置在焊缝正面，平行于焊缝扫查，如图16所示。采用焊缝平面远场涡流分别检测焊缝试块无缺陷处和带缺陷处，结果如图17所示。

图14 铝合金焊缝试块

图15 铝合金焊缝加工图纸（单位：mm）

图16 探头扫查方式示意图

图17 铝合金焊缝试块检测结果

分析图17可知，无缺陷处检测信号的实部和虚部均有一定的变化，焊缝余高的存在会对远场涡流检测信号造成一定的干扰。无缺陷处检测信号机缺陷处检测信号存在明显的幅值及相位差异，所研制的焊缝远场涡流探头具备检测试块上埋深3 mm，尺寸为10 mm×1 mm×1 mm裂纹的能力。

4.2 不锈钢焊缝试验研究

不锈钢的焊接性相对较差，焊缝熔合区更易发生较大的材料特性转变。基于RFECT检测系统开展了不锈钢焊缝埋深缺陷检测试验研究。不锈钢焊缝试块如图18所示，试块长300 mm、宽210 mm、厚度为5 mm，焊缝区域存在鱼鳞纹，试块背面焊缝区域通过电火花加工有尺寸为20 mm×1 mm×2 mm的裂纹。将探头放置在焊缝正面进行检测，检测结果如图19所示。

图18 不锈钢焊缝试块

图19 不锈钢焊缝试块检测结果

分析图19可知，无缺陷处检测信号的实部分量和虚部分量都有相应的变化，不锈钢焊缝熔合区和焊缝余高的共同作用，对远场涡流检测信号造成干扰。所研制的探头可实现焊缝处埋深为5 mm，尺寸为20 mm×1 mm×1 mm裂纹的检测。

4.3 焊缝余高对检测的影响

焊缝余高存在使探头无法紧贴被检构件焊缝区域，同时为了降低焊缝余高对检测结果的影响，需要在检测探头有一定的提离高度时开展焊缝检测试验。为了验证探头提离高度对灵敏度的影响，开展了不同提离高度下的相同缺陷的检测试验研究，对不锈钢焊缝试块进行检测，具体结果如图20所示。

图20 不同提离高度时缺陷检测结果

分析上图可知，探头提离高度为0～8 mm时，均可识别出缺陷信号，随着提离高度的增加，电压值的变化量减小，灵敏度降低。探头提离高度为0 mm（无提离）时，电压值变化量为0.039 V；探头提离高度为2 mm时，电压值变化量为0.033 V，与无提离时相比灵敏度下降了15%；探头提离高度为4 mm时，电压值变化量为0.023 V，与无提离时相比灵敏度下降了41%；探头提离高度为6 mm时，电压值变化量为0.017 V，与无提离时相比灵敏度下降了56%；探头提离高度为8 mm时，电压值变化量为0.01 V，与无提离时相比灵敏度下降了74%。为了充分发挥检测探头本身的检测灵敏度，结合被检焊缝的余高尺寸，确定开展焊缝检测试验时，探头提离高度范围为 0～2 mm。

5 结束语

基于远场涡流检测原理，研制了远场涡流检测系统。硬件电路模块实现了探头的驱动和检测信号的处理；上位机软件实现了检测信号的波形显示，并具有相位旋转、智能回零、实部虚部比例设置等功能。开展了轨道车辆铝合金焊缝、不锈钢焊缝埋深缺陷检测试验研究。研究表明，基于远场涡流焊缝缺陷检测系统，可实现铝合金焊缝埋深3 mm、尺寸为10 mm×1 mm×1 mm裂纹检测与不锈钢焊缝埋深5 mm、尺寸为20 mm×1 mm×2 mm裂纹检测。对于不锈钢焊缝检测，由于受焊缝余高的影响，检测时探头可在0～2 mm范围内提离。