基于CIVA的曲軸R角缺陷相控陣超聲檢測(cè)方法

董世運(yùn)，潘 亮，徐濱士，薛 楠

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072)

曲軸在服役過(guò)程中受到彎曲疲勞載荷的作用，R角部位容易萌生裂紋［1］。為此，對(duì)廢舊發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行再制造［2］之前，必須對(duì)其易損傷部位進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和壽命評(píng)估，以判斷其再制造的價(jià)值及再制造過(guò)程中應(yīng)該主要修復(fù)的具體位置。相控陣超聲由于具有對(duì)聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦的可控功能，已經(jīng)在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于復(fù)雜零部件的缺陷檢測(cè)［3］。然而超聲波在材料內(nèi)部傳播時(shí)不具有可視性，所以隨著相控陣延遲控制的不同，聲波在三維空間中的傳播路徑較為抽象。而且針對(duì)具體復(fù)雜零件進(jìn)行損傷檢測(cè)時(shí)，往往需要根據(jù)零件的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸及缺陷特征設(shè)計(jì)不同的檢測(cè)方法。因此，進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)之前，應(yīng)該首先進(jìn)行仿真試驗(yàn)［4］研究;通過(guò)對(duì)不同仿真檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行分析，判定檢測(cè)方法的可行性，從而正確地指導(dǎo)實(shí)際檢測(cè)工作的合理進(jìn)行，避免缺陷誤判及漏檢。

試驗(yàn)基于商業(yè)超聲仿真檢測(cè)軟件 CIVA［5-6］，對(duì)曲軸R角損傷部位進(jìn)行仿真檢測(cè)，提出針對(duì)曲軸R角損傷部位的定量檢測(cè)方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 曲軸R角損傷機(jī)理分析

曲軸的曲柄臂與連桿軸頸之間的內(nèi)側(cè)R角部位，由于服役過(guò)程中受到較大的拉伸、剪切力，而且應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，因此成為疲勞源。在彎曲疲勞載荷的作用下，裂紋萌生后，將從其萌生源沿應(yīng)力最大方向縱深不斷擴(kuò)展，且一般與曲柄臂成45°方向，最終導(dǎo)致曲軸斷裂［1］失效，其裂紋形貌如圖1所示。

圖1 裂紋形貌示意圖

觀察曲軸斷口形貌，裂紋擴(kuò)展區(qū)域呈現(xiàn)橢圓形狀，且裂紋兩邊深度較小而中心深度較大。分析認(rèn)為:這主要是由于曲軸R角處的裂紋萌生之后，在拉應(yīng)力的作用下向兩邊及內(nèi)部逐漸擴(kuò)展。通過(guò)對(duì)曲軸進(jìn)行疲勞載荷試驗(yàn)及斷口形貌分析發(fā)現(xiàn):當(dāng)R角處裂紋擴(kuò)展深度大于10 mm，服役過(guò)程中的曲軸將進(jìn)入瞬斷階段，即有馬上斷裂的危險(xiǎn)。因此，裂紋深度h成為再制造之前對(duì)曲軸R角損傷部位檢測(cè)時(shí)最為關(guān)注的尺寸參數(shù)。

2 仿真檢測(cè)試驗(yàn)

2.1 檢測(cè)方案制定

結(jié)合曲軸實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸和相控陣超聲檢測(cè)的特點(diǎn)，針對(duì)圖2中的易損傷R角處裂紋，依據(jù)探頭可能布置的位置(①、②、③)提出了3種檢測(cè)技術(shù)方案，其中:位置①為主軸頸上遠(yuǎn)離連桿軸頸的一側(cè);位置②為主軸頸上靠近連桿軸頸的一側(cè);位置③為連桿軸頸上遠(yuǎn)離主軸頸一側(cè)。

圖2 曲軸部分簡(jiǎn)化模型

值得注意的是:基于CIVA軟件的實(shí)際仿真3D建模能力，為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件各部位的檢測(cè)，在保證待檢測(cè)區(qū)域尺寸和幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)正確的條件下，仿真試驗(yàn)中必須對(duì)曲軸進(jìn)行拆分變形。已知曲軸上各段主軸頸與連桿軸頸的長(zhǎng)度相同且內(nèi)部都存在油孔。排除油孔及加工圓角的影響，經(jīng)測(cè)量，探頭中心距離曲柄臂的距離不能超過(guò)20 mm，因此試驗(yàn)中必須保證探頭及楔塊的尺寸規(guī)格盡量小。

2.2 仿真檢測(cè)實(shí)施

2.2.1 方案1

1)試驗(yàn)前可行性評(píng)估

主軸頸表面較為光滑，便于探頭與表面進(jìn)行耦合;考慮到各結(jié)構(gòu)處的尺寸數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，縱波聲束偏轉(zhuǎn)23°即可探測(cè)到易損傷R角位置，且不存在油孔、連通孔的影響，因此理論上認(rèn)為在位置①處可實(shí)現(xiàn)對(duì)R角處缺陷的檢測(cè)。

2)相關(guān)設(shè)備及檢測(cè)方式

已知待檢測(cè)曲軸材料為合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo，對(duì)聲波的衰減較小;曲軸主軸頸和連桿軸頸的半徑分別為50 mm和41 mm，且由于受到探頭可布置空間條件的限制，試驗(yàn)在保證聲束指向性的前提下選用晶片數(shù)目較少的探頭，并對(duì)楔塊規(guī)格進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。

探頭型號(hào)為線陣5L-16(5 MHz，16個(gè)陣元);選用半徑r=50 mm的凹面0°楔塊;聲束控制為0°～40°縱波扇形掃查。

3)檢測(cè)結(jié)果及分析

圖3為探頭置于位置①時(shí)的仿真簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，在曲軸易損傷R角處預(yù)置深度為10 mm的人工裂紋，裂紋傾斜角度為45°。由于主軸頸內(nèi)部油孔可能對(duì)聲束的傳播產(chǎn)生影響，所以檢測(cè)時(shí)應(yīng)盡可能地將探頭布置在靠近曲柄臂一側(cè)。從圖3(a)中可以看出:扇形掃查時(shí)，入射波聲束與裂紋平面夾角較大，這有利于縱波在裂紋端點(diǎn)處形成回波信號(hào)。

圖3 探頭置于位置①時(shí)仿真簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

圖4為進(jìn)行缺陷檢測(cè)時(shí)的S掃成像，可以看出:裂紋開(kāi)口與R角構(gòu)成新端角反射回波信號(hào)、裂紋端點(diǎn)衍射回波信號(hào)及主軸頸上探頭所在位置對(duì)面一側(cè)的底面回波信號(hào)，且經(jīng)測(cè)量，端角反射回波信號(hào)和端點(diǎn)衍射回波信號(hào)的強(qiáng)度分別為2.9×10-2和2.3×10-2。

圖4 方案1中缺陷檢測(cè)的S掃成像

已知通過(guò)S掃圖像可以測(cè)量2個(gè)端部回波信號(hào)之間的橫向距離a和縱向距離b，因此可計(jì)算易損傷R角處的裂紋深度h:

2.2.2 方案2

1)試驗(yàn)前可行性評(píng)估

主軸頸表面較為光滑，便于探頭與表面進(jìn)行耦合;考慮到各結(jié)構(gòu)處的尺寸數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算，橫波聲束偏轉(zhuǎn)51°即可探測(cè)到易損傷R角位置，且不存在油孔、連通孔的影響，因此理論上認(rèn)為在位置②處可以實(shí)現(xiàn)對(duì)R角處缺陷的檢測(cè)。

2)相關(guān)設(shè)備及檢測(cè)方式

探頭型號(hào)為線陣5L-16(5 MHz，16個(gè)陣元);選用半徑r=50 mm的凹面55°楔塊;聲束控制為40°～70°橫波扇形掃查。

3)檢測(cè)結(jié)果及分析

圖5為探頭置于位置②時(shí)的仿真簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，可以看出:在40°～70°范圍內(nèi)的橫波聲束完全覆蓋了易損傷R角部位及其附近的沉割槽;部分聲束基本垂直入射在R角及沉割槽部位，很容易形成幾何反射回波被探頭接收。圖6為預(yù)置裂紋前后的S掃成像。由圖6(a)可見(jiàn):在R角及沉割槽部位形成了強(qiáng)烈的“假缺陷”信號(hào)。圖6(b)在預(yù)置了45°方向10 mm裂紋后，沉割槽處的信號(hào)強(qiáng)度不變，而R角處的幾何反射回波信號(hào)(端角反射信號(hào))強(qiáng)度有所減小;同時(shí)在裂紋端點(diǎn)處產(chǎn)生了微弱的衍射信號(hào)，其強(qiáng)度為5.3×10-3。這主要是因?yàn)镽角處產(chǎn)生裂紋后改變了原先幾何反射回波的聲路，從而導(dǎo)致被探頭接收的反射回波強(qiáng)度發(fā)生變化;而裂紋走向與入射波聲束夾角較小，所以只能產(chǎn)生較為微弱的端點(diǎn)衍射信號(hào)。

圖5 探頭置于位置②時(shí)仿真簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

圖6 預(yù)置裂紋前后的S掃成像

2.2.3 方案3

1)試驗(yàn)前可行性評(píng)估

連桿軸頸表面較為光滑，便于探頭與表面進(jìn)行耦合。雖然存在連通孔對(duì)聲束傳播的遮擋影響，但由于面陣探頭可以進(jìn)行多角度聲束控制，合理的聲束偏轉(zhuǎn)亦可避開(kāi)連通孔的遮擋影響，所以理論上認(rèn)為位置③處可以實(shí)現(xiàn)對(duì)R角處缺陷的檢測(cè)。

2)相關(guān)設(shè)備及檢測(cè)方式

探頭型號(hào)為面陣5L-8×8(5 MHz，8×8個(gè)陣元);選用半徑r=41 mm的凹面0°楔塊;聲束控制為橫向(探頭前后方向)10°～25°縱波扇形掃查，同時(shí)縱向(探頭左右方向)20°聲束偏轉(zhuǎn)。

3)檢測(cè)結(jié)果及分析

圖7為在位置③處分別以線陣和面陣探頭進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的仿真簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖，其中圖7(a)中探頭1和2為不同位置處的同一線陣探頭。由7(a)、(b)可知:由于聲波沿直線傳播，且線陣探頭只能進(jìn)行1個(gè)自由度的聲束控制，因此當(dāng)線陣探頭置于位置1時(shí)，其發(fā)射聲波因受到連通孔的遮擋而全部反射;雖然當(dāng)線陣探頭繞連桿軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度α于位置2時(shí)，其發(fā)射聲波避開(kāi)了連通孔的遮擋影響，但同時(shí)也避開(kāi)了R角處的缺陷區(qū)域，造成缺陷漏檢。

圖7 探頭置于位置③時(shí)仿真簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

圖7(c)、(d)中使用面陣探頭對(duì)聲束進(jìn)行2個(gè)自由度的控制，既有橫向的扇形掃查，又對(duì)掃查聲束進(jìn)行縱向偏轉(zhuǎn)，可以解決線陣探頭檢測(cè)時(shí)缺陷漏檢的問(wèn)題。其S掃成像如圖8所示，可以看到預(yù)置裂紋端部的2個(gè)回波信號(hào)。但由于該檢測(cè)方式下，缺陷反射回波與入射聲波不在同一平面，造成探頭對(duì)缺陷回波接收困難，所以此處端點(diǎn)衍射信號(hào)和端角反射信號(hào)強(qiáng)度分別僅為1.5×10-4和1.1×10-4。

圖8 方案3中缺陷檢測(cè)的S掃成像

2.3 方案評(píng)價(jià)

理論上，上述3個(gè)方案都可以通過(guò)式(1)計(jì)算出R角裂紋的深度，但各方案中裂紋回波信號(hào)的強(qiáng)度并不相同。試驗(yàn)以各方案中端點(diǎn)衍射信號(hào)的強(qiáng)度作為參考進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)分貝換算公式計(jì)算可知:方案2和方案3中端點(diǎn)衍射信號(hào)的強(qiáng)度分別是方案1中端點(diǎn)衍射信號(hào)強(qiáng)度的-13 dB和-44 dB。假設(shè)方案1中端點(diǎn)衍射信號(hào)強(qiáng)度為實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中儀器某增益P下掃查成像的門(mén)檻值，即認(rèn)為該衍射信號(hào)強(qiáng)度為實(shí)際缺陷成像的臨界強(qiáng)度，那么實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)該在檢測(cè)增益P設(shè)置的基礎(chǔ)上，分別再調(diào)大檢測(cè)增益13 dB和44 dB，對(duì)信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行放大，才能使方案2和3中的端點(diǎn)衍射信號(hào)得以成像，從而實(shí)現(xiàn)裂紋端點(diǎn)位置的圖像標(biāo)定。

圖4和圖6中裂紋端部回波信號(hào)成像形貌與裂紋方位的關(guān)系如圖9所示。

圖9 信號(hào)成像與裂紋的方位關(guān)系

由圖9可以看出:2種方案中裂紋端部回波信號(hào)的成像形貌有所不同，從而導(dǎo)致裂紋端部2個(gè)回波信號(hào)間的可分辨距離不同;且方案2中信號(hào)的可分辨距離c2明顯大于方案1中信號(hào)的可分辨距離c1。由于回波信號(hào)的成像本身具有一定寬度，所以當(dāng)裂紋深度較小時(shí)，與方案1相比，方案2可以解決2個(gè)信號(hào)重疊而無(wú)法實(shí)現(xiàn)裂紋深度測(cè)量的問(wèn)題。

由于實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中儀器增益的調(diào)節(jié)具有一定范圍，且當(dāng)檢測(cè)增益調(diào)節(jié)過(guò)大時(shí)，將出現(xiàn)強(qiáng)烈的電子噪聲信號(hào)，所以從實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中缺陷信號(hào)成像的角度，方案3的可行性較低。雖然與方案1相比，方案2中裂紋的回波信號(hào)強(qiáng)度稍微小些，但從裂紋端部回波信號(hào)成像分辨性的角度考慮，方案2更具有一定優(yōu)勢(shì)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

在曲軸易損傷R角位置，采用線切割的方式預(yù)置與曲柄臂成45°方向的5 mm深人工裂紋。選擇仿真檢測(cè)中可行性較高的方案1和方案2中的相關(guān)設(shè)備及檢測(cè)方式進(jìn)行實(shí)際相控陣超聲檢測(cè)，結(jié)果如圖10所示。

圖10 實(shí)際檢測(cè)成像

由圖10可知:實(shí)際檢測(cè)中出現(xiàn)了仿真檢測(cè)的各幾何回波和缺陷回波信號(hào)。已知方案1是儀器檢測(cè)增益為70 dB設(shè)置下的檢測(cè)結(jié)果，為了使圖10(b)中裂紋端點(diǎn)衍射信號(hào)與圖10(a)中裂紋端點(diǎn)衍射信號(hào)具有相同的強(qiáng)度幅值，試驗(yàn)中方案2的儀器檢測(cè)增益調(diào)整到了81 dB，這與仿真試驗(yàn)中對(duì)端點(diǎn)衍射信號(hào)強(qiáng)度的判定結(jié)果相似。

對(duì)圖10(a)的圖幅進(jìn)行調(diào)整，使其與圖10(b)成為等比例圖像，并截取裂紋的回波信號(hào)與圖10(b)中裂紋回波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖10(c)所示?？梢园l(fā)現(xiàn):方案1中裂紋端部回波信號(hào)的可分辨距離明顯小于方案2，不便于裂紋深度的定量測(cè)量。因此，在實(shí)際檢測(cè)增益調(diào)整允許的情況下，方案2為曲軸R角裂紋檢測(cè)的最優(yōu)方案。經(jīng)多次測(cè)量端角反射信號(hào)及端點(diǎn)衍射信號(hào)中心點(diǎn)的坐標(biāo)位置，在求取平均值的情況下，最終計(jì)算得到裂紋深度為5.18 mm，與實(shí)際尺寸較為接近。

4 結(jié)論

1)針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的相控陣超聲檢測(cè)，仿真軟件CIVA能夠直觀地為聲束范圍的控制、回波信號(hào)的判定及缺陷信號(hào)成像研究提供一定理論依據(jù)，從而更加合理地指導(dǎo)缺陷實(shí)際檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)。

2)在實(shí)際檢測(cè)儀器增益調(diào)節(jié)范圍有限的條件下，仿真檢測(cè)成像中的缺陷信號(hào)在實(shí)際檢測(cè)成像中不一定都能出現(xiàn)，所以必須以仿真檢測(cè)中某一參照回波信號(hào)強(qiáng)度作為缺陷實(shí)際可檢測(cè)的門(mén)檻值，并與其他信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，從而根據(jù)仿真檢測(cè)中的缺陷數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)較低可行性方案的有效排除。

3)將線陣探頭布置在主軸頸上靠近連桿軸頸的一側(cè)，通過(guò)扇形掃查的檢測(cè)方式，可實(shí)現(xiàn)曲軸R角裂紋深度的最佳有效測(cè)量。

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