地铁列车转向架焊缝电涡流检测系统

地铁列车转向架焊缝电涡流检测系统

徐海东 赵振强

沈阳地铁集团有限公司运营分公司 辽宁 沈阳 110000

摘要：电涡流检测技术作为一种常规无损检测技术，易于实现多方向缺陷的高速自动检测，具有简单、无偶耦合剂等优点，通常用于发现导电工件表面和近表面缺陷。

关键词：转向架；焊缝；电涡流检测

转向架作为城市轨道交通列车运行部件的重要组成部分，对列车的安全运行起着重要作用。目前，我国投入使用的地铁列车转向架主要是焊接式转向架，由于焊接工艺本身特点，转向架焊接部位易产生残余应力及变形，对转向架的断裂特性、疲劳强度、形状尺寸精度、稳定性等有非常不利的影响。

一、电涡流检测系统关键技术

1、工业机器人。为实现转向架焊缝的自动跟踪及非接触检测功能，机器人配合搭载涡流传感器，能在大尺寸、焊缝种类多、分布复杂的转向架上来回穿梭。同时，还需考虑移动探头的速度及定位精度，以保证传感器以适当角度贴近焊缝并实现有效的电涡流检测。

转向架焊缝多为表面直焊缝，结构件内有少量角焊缝或环焊缝，所以在实际检测中，系统需根据焊缝类型和位置，完成机器手臂移动路径的规划。

2、三维视觉定位。电涡流探头组件的初步定位可基于机器人路径示教技术，而精确的焊缝定位需依赖机器视觉定位技术。

路径示教是指机器人系统在应用前通过示教来规划操作路径，然后在正常检测时根据示教路径复现。当工件尺寸精度高、夹具定位稳定可靠时，整个系统将正常工作。若工件加工精度不高、夹具未固定到位，对机器人示教来说风险较大。

机器视觉定位技术是指利用计算机模拟人的视觉，从客观事物图像中提取信息，对其处理和理解，最后将其用于实际检测、测量、控制。该技术最大特点是速度快、信息量大、功能强大、定位准确。

电涡流检测系统采用机器人路径示教初步定位，然后配合机器视觉技术实现精确定位。系统视觉单元结合了结构光测量技术及三维物体识别技术，利用开发的机器人三维视觉引导，能在较大测量范围和高度内对杂乱纹路进行定位与跟踪。视觉引导能在路径复现前对机器人原示教路径修正，修正后路径采用对当前工件的实时修正定位，能消除工件定位误差。

3、电涡流检测。转向架焊缝缺陷的电涡流检测无需经除漆、磁化、退磁、后续废物处理，不会对人体与环境造成危害。

该技术原理是将导电材料或弱导电率材料置于交变磁场中，在导体中产生感应电涡流。导体自身各种因素的变化会导致被测物体表面电涡流流动变化或受阻，从而产生与原交变磁场相互抵消的感生磁场，引起原磁场变化。该技术是利用电涡流传感器检测这种变化，从而判定被测导体材料的性能和表面缺陷。

通常，电涡流探头可根据缺陷位置、当量和试样材料设置不同激励频率和趋肤深度，以适应表面以下较深检测范围，提高表面以下缺陷的检出能力。

对于不同深度的焊缝缺陷，电涡流检测基本原则是高频激励探头能检测到浅表面缺陷，低频激励探头可增加检测深度。当电涡流探头扫描缺陷时，会产生明显的阻抗跳变信号。

转向架焊缝电涡流检测系统采用单通道常规探头和多通道阵列式电涡流探头的组合检测模式，能扫查不同形式的转向架焊缝。阵列式电涡流是指多个单独线圈的集成，每个线圈依次提供高频交流电，以消除互感干扰。与常规探头相比，电涡流阵列能在短时间内实现单次大规模扫查，覆盖范围大，检测效率高。

该系统检测设计思路为：对于不同类型焊缝，必须进行2～3次探头扫查，以完全覆盖焊缝宽度。

4、电涡流探头组件自动切换。探头快速自动更换装置是独立于机器人系统的配套装置，可根据识别出的焊缝位置及结构自动更换不同电涡流探头组件，以适应不同检测条件，达到最佳检测效果。

自动更换装置可将不同介质，如气体、电信号、液体、视频、超声等，从机械人手臂连接到末端执行器。执行器及电涡流探头组件通过榫固定连接，即探头通过机器人本体及工具侧本体中的榫连接及内置8芯电流控制等模块夹持固定。

5、机械臂与外部轴的同步控制。电涡流检测系统的工业机器人单元由六轴机械结构和外轴组成，外轴是指为除去机器人本体上的轴或实现其他功能而需添加的轴。外轴是根据机器人模型匹配的控制系统，在与机器人协作过程中能更快地协调，并与手臂协作，实现不同位置焊缝的检测。六个伺服电机通过减速器和同步带轮等直接驱动六个关节轴的旋转，实现手臂的灵活运动。外轴负责带动整个机械手臂实现位置转换。

多轴间的同步控制依赖于插补软件和小型PLC硬件平台组成的软硬件系统。插补软件与PLC硬件平台间采用串口通信。插补软件由人机交互模块、轨迹规划模块、脉冲数量与频率计算模块、控制数据表生成模块和数据表下载模块组成，控制数据表下载到小型PLC硬件平台的数据存储区，然后，小型PLC硬件平台根据控制数据表中描述的控制规则控制各伺服电机的脉冲发送量与频率，从而实现多轴同步控制，实现机器人各部分的运动控制。

二、电涡流检测系统工作流程

电涡流检测系统包括登录模块、账号权限设置、转向架信息管理、数据查询等功能。使用相应的权限帐户成功登录后，即可检测。检测流程为：

1、转向架上料：按车辆段原方法，用行吊将转向架吊至设备承接平台，用设备平台卡扣固定转向架。

2、翻转转向架，进入待检状态；机器人根据转向架型号自动安装探头后，设备自动标定试块。

3、机械人手臂根据规划路径将探头初始定位在转向架上，通过视觉定位方法获取待检焊缝的准确位置信息，并将探头定位在待检焊缝上检测。

4、检测完转向架一侧待检焊缝时，翻转转向架并检测其余焊缝。转向架也可根据具体要求以一定角度翻转。

5、分析及保存检测图像和数据结果。

6、疑似缺陷人工复核：采用便携式电涡流仪或磁粉探伤对焊缝异常部位进行符合探伤，进一步确定疑似缺陷当量和位置。

三、焊缝标定试块缺陷检测

1、标定试块缺陷分布。标定试块采用碳钢板，表面焊缝采用MAG焊。缺陷类型为平底孔及体积刻槽，深度为1mm，刻槽长、宽、深尺寸公差为±0.02mm；平底孔直径为3mm，深度尺寸公差为±0.02mm。刻槽为45°斜向缺陷。

2、标定试块电涡流模拟。基于COMSOL Multiphysics仿真平台，对三维标定试验块进行有限元分析计算，隐藏部分缺陷，保留平底孔、45°斜向刻槽、水平和竖直刻槽。

模型中的激励部分选用外径为3.5mm、略大于平底孔孔径的感应线圈。通过建立数值模拟模型，模拟电涡流探头在焊缝区的扫查过程。电涡流线圈励磁参数为：匝数3790匝，环绕交流电1A，频率0.9kHz。电涡流模拟结果表明，刻槽缺陷尖端是电涡流密度集中区域，电阻信号中平底孔信噪比远高于相同深度刻槽，表明不同当量缺陷电涡流检测信号不同。

3、电涡流检测焊缝缺陷。电涡流阵列的涡流探头用于试验的数据采集端，以扫查试件表面。当缺陷长度方向与电涡流流动方向成一定夹角时，电涡流检测信噪比高，所以试验采用双通道辅助方法，即同时给出两个通道的数据信息。

试验结果表明，电涡流阵列探头能检测出焊缝和热影响区的平底孔与刻槽，并能同时给出电阻检测结果和表面的C扫图像，适用于复杂形态的缺陷量化检测。

4、漆层影响。对上述标定试块表面进行涂漆，漆层厚度为160μm。使用电涡流检测系统扫查漆层表面，以获得漆层覆盖的表面缺陷信息。很明显，缺陷的信噪比很高，表明该系统在有漆层的情况下对焊缝缺陷具有很高的检测性能。

参考文献：

[1]董泽民.浅谈转向架焊接缺陷及解决办法[J].科学技术创新，2017(30).

[2]周茂庆.地铁列车转向架焊缝电涡流检测系统[J].电力机车与城轨车辆，2021(02).