廢舊曲軸R角處缺陷的超聲波檢測

石常亮，董世運，唐維學，詹　浩，羅順，黃顯芝

(1. 廣州有色金屬研究院 分析測試中心，廣州 510650；2. 裝甲兵工程學院 再制造技術國家重點實驗室，北京 100072)

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廢舊曲軸R角處缺陷的超聲波檢測

石常亮1，董世運2，唐維學1，詹浩1，羅順1，黃顯芝1

(1. 廣州有色金屬研究院 分析測試中心，廣州 510650；2. 裝甲兵工程學院 再制造技術國家重點實驗室，北京 100072)

針對發(fā)動機再制造前廢舊曲軸R角處缺陷進行了超聲波探傷。根據(jù)曲軸的材料和結構特點，選擇了合適的探頭，設計了專用的校準試塊，對缺陷的定位問題進行了分析；采用當量對比法，對缺陷的定量問題進行了探討。結果表明，在選擇合適的檢測參數(shù)的條件下，該方法能夠對曲軸R角處缺陷進行定位、定量檢測,并在實際工程應用中，取得了良好的效果。

曲軸;缺陷;超聲波檢測;探頭

采用先進的再制造工程技術對發(fā)生疲勞的機械零件進行修復，使其質(zhì)量和性能達到或超過新品，是廢舊設備升級改造的有效途徑，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和節(jié)約型社會建設的要求[1]。而發(fā)動機再制造是再制造工程中典型的應用實例，曲軸是發(fā)動機的主要運動部件，承受復雜的交變載荷與沖擊，評定再制造前曲軸的再制造性對發(fā)動機再制造具有重要意義[2]。曲軸R角處缺陷是其失效的重要原因，但由于其結構的復雜性，常規(guī)無損檢測方法需要更換多個探頭，且很容易漏檢和錯判[3]。

筆者針對這一情況，選擇合適的單晶雙斜探頭，設計專用的曲軸探頭校準試塊，對再制造前廢舊曲軸R角處缺陷進行了超聲波探傷。根據(jù)超聲波在曲軸中的折射原理，分析了缺陷的定位問題；并采用當量對比法，探討了缺陷的定量問題；繼而對廢舊曲軸的再制造性進行評定。

1　檢測方案

圖1為曲軸結構示意圖。曲軸由軸頸和曲柄構成，軸頸又分主軸頸和連桿軸頸，在軸頸與曲柄之間有過渡圓角(R角)[4]，文章檢測的曲軸為斯太爾發(fā)動機用鍛鋼曲軸：材料為45鋼；加工工藝為鍛造；硬度要求不小于300HV；熱處理工藝為正火,表面氣體氮化。曲軸在使用過程中，其連桿軸頸通過連桿與活塞相連，長期受交變應力的作用，容易引發(fā)疲勞裂紋，并且隨著疲勞裂紋的擴展導致斷裂失效，從而造成重大損失[5]。尤其是R角部位屬于應力集中區(qū)，更易產(chǎn)生疲勞裂紋，是重點檢測區(qū)域。

無損檢測的方法有很多，其中，最常用的是五大常規(guī)無損檢測方法，即：滲透檢測、磁粉檢測、渦流檢測、超聲檢測和射線檢測[6]。合理地選擇無損檢測方法十分重要，針對再制造選擇不同的檢測方法時，應主要基于經(jīng)濟和技術兩方面考慮。由于是對軸頸及R角處內(nèi)部缺陷進行檢測，因此，超聲檢測和X射線檢測較為合適，但X射線檢測對線型缺陷不太敏感，且成本較高[7]，所以筆者采用超聲方法對曲軸R角處進行檢測。

圖1　曲軸結構示意

2　檢測設備及方法

2.1檢測儀器、探頭及校準試塊

試驗使用的檢測儀器為XZU-1型數(shù)字超聲檢測儀，耦合劑為機油。對曲軸R部位的超聲檢測采用一般的普通探頭很容易漏檢。故,根據(jù)曲軸R處的特殊性，采用單晶雙斜探頭進行檢測。即在普通斜探頭的基礎上增加一個側向傾角，使得超聲波同時向前方和側方發(fā)射，便于對曲軸R處的檢測[8]。探頭參數(shù)為2.5 MHz，晶片尺寸為9 mm×9 mm，前傾角γ的K值為2，側傾角φ為30°，探頭外觀圖片如圖2所示。

圖2　試驗用探頭外觀圖片

圖3　探頭校準示意和校準時的聲波圖形

由于探頭磨損會引起探頭零點和入射角度的變化而影響檢測結果，所以應定期使用校準試塊對探頭進行校準。又由于采用的是雙斜探頭，并且待檢表面是曲面，因此，需采用專門的校準試塊對探頭進行校準。試驗中特制了探頭校準試塊——ZF-1型曲軸探頭校準試塊來標定曲軸的實際前傾角β、實際側傾角β′、材料聲速和探頭零點。探頭校準時，將探頭耦合在試塊頂部，移動探頭找到最大回波，如圖3(a)所示。采用雙閘門形式，分別套住第一回波和第二回波(圖3(b))。調(diào)整聲速使第二回波與第一回波的聲程差為100 mm，然后調(diào)整探頭零點使第一回波聲程值為50 mm，這樣就可以確定材料聲速為3 870 m·s-1,探頭零點為2.323 μs。

在確定材料聲速和探頭零點后，將儀器設置成雙探頭形式；另外用一個小直徑凹面直探頭在試塊的球面上進行掃查而找到最大回波，經(jīng)過測量，得到試塊上兩個角度值，即探頭前傾角γ、側傾角φ的折射角β角和β′角，分別為β=55°、β′=20°。

2.2檢測方法

采用手動方式對曲軸進行檢測。設置好檢測參數(shù)后，將雙斜探頭放在軸頸上，沿著圓周方向對整個軸頸進行超聲檢測，如圖4所示。

圖4　曲軸實物圖片與檢測方式幾何簡圖

圖中P點為缺陷位置，處于R角以下。在檢測過程中，只需測量到缺陷回波的聲程EP以及前傾角γ和內(nèi)傾角φ在工件中的折射角β和β′，就能知道缺陷P的具體位置(側向距離PN、前傾距離QN和深度EQ)，再通過當量法得出缺陷的當量尺寸。其中，β和β′角由校準試塊測得,分別為55°與20°。根據(jù)幾何關系，缺陷P點位置的計算公式如下：

PN=EP×sinβ′

(1)

MP=QN=EN×sinβ=EP×cosβ′×sinβ

(2)

EQ= EN×cosβ= EP×cosβ′×cosβ

(3)

3　試驗結果及分析

為了驗證該檢測方法的準確性，在曲軸R角處以下5 mm的位置鉆有直徑φ2 mm、長度2 mm的長橫孔。采用上述檢測方法對軸徑進行檢測，增益選擇70 dB、工作頻率為1～5 MHz、檢波方式為負半波。通過試驗,得到回波波形和長橫孔回波波形，如圖5所示。

圖5　曲軸人工缺陷的超聲檢測結果

圖5(a)所示的是當超聲波遇到曲軸油孔時產(chǎn)生的回波波形，由于曲軸油孔為直徑φ8 mm的橫通孔，比人工鉆的長橫孔大很多，因此其回波的幅度很高，很容易與人工缺陷的回波區(qū)分。圖5(b)所示的是長橫孔的回波波形，從中可得到聲程EP為110 mm，根據(jù)公式(1)～(3)計算得到該人工缺陷的位置約在曲軸R角以下4.79 mm處，與長橫孔實際位置相差0.21 mm，在誤差允許范圍之內(nèi)，證明該曲軸定位檢測方法是行之有效的。

圖6　某廢舊曲軸超聲檢測的正常與異常信號對比

采用該方法檢測了30根曲軸軸頸的質(zhì)量。通過檢測發(fā)現(xiàn)有一根廢舊曲軸的第二連桿軸徑內(nèi)部回波信號產(chǎn)生異常，在同樣的參數(shù)下，它的回波信號幅度是其它軸徑相同位置處回波信號幅度的3倍以上，如圖6所示。移動檢測探頭，異常信號波形幅度迅速減小，說明該處缺陷不是裂紋形缺陷。從異常信號的波形分析，該異常波形存在多個峰值，且所占面積較大，應該為體積形缺陷。根據(jù)公式(1)～(3)計算得到該缺陷的位置約在曲軸R角以下8 mm處。采用當量對比法確定缺陷的大小，通過觀察其波形最高幅度，與當量尺寸φ2 mm、長度4 mm的長橫孔回波幅度相近。最后，通過金相顯微分析觀察發(fā)現(xiàn)缺陷為密集型夾雜，如圖7所示。

圖7　曲軸內(nèi)部夾雜缺陷

4　結語

在了解曲軸加工和使用概況的基礎上，基于經(jīng)濟和技術兩方面考慮，確定采用超聲波方法檢測曲軸。根據(jù)曲軸材料和結構特點，設計了專用的曲軸探頭校準試塊，采用單晶雙斜探頭對曲軸R角處缺陷進行了檢測。試驗結果表明,該方法能夠檢測出曲軸R角處缺陷，且在實際工程檢測中也取得了良好效果。

[1]XU Bin-shi,ZHANG Wei,LIU Shi-can.Remanufacturing technology for the 21st century[C]∥Proceedings of the 15th European Maintenance Conference. Gothenburg, Sweden: European Maintenance Association, 2008:335-339.

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[4]陳文華. 汽車發(fā)動機構造與維修[M]. 北京: 人民交通出版社, 2007.

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[7]鄭中興. 材料無損檢測與安全評估[M]. 北京: 中國標準出版社, 2004.

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Ultrasonic Testing of the Defect around R Corner in Old Crankshaft

SHI Chang-liang1, DONG Shi-yun2, TANG Wei-xue1, ZHAN Hao1, LUO Shun1, HUANG Xian-zhi1

(1. Analytical and Testing Centre, Guangzhou Research Institute of Non-ferrous Metals, Guangzhou 510650, China;2. National Key Laboratory for Remanufacturing, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072, China)

Ultrasonic testing was done to detect the defects around R corner in old crankshaft before remanufacturing. According to the characteristics of material and construction of the crankshaft, appropriate probe was applied and special calibration block was designed to locate the defects, then the equivalent method was used to quantify the defects. The results indicate that the defects around R corner in old crankshaft can be located and quantified by ultrasonic testing if the appropriate parameters are used. Moreover, the technique is successfully applied to the practical engineering testing.

Crank shaft; Defect; Ultrasonic Testing; Probe

2015-05-28

廣東省主題科研機構創(chuàng)新能力建設專項資助項目(粵科規(guī)財字[2014]208號)

石常亮(1981-)，男,博士研究生。主要從事無損檢測、失效分析、構件壽命預測、力學性能分析等方面的研究工作。

10.11973/wsjc201510006

TG115.28

A

1000-6656(2015)10-0020-04