鋼球平底孔超聲直探頭接觸法檢測(cè)研究

濮海明，王哲，康宜華，華飛

(1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430074；2.武漢華宇一目檢測(cè)裝備有限公司，武漢 430074)

鋼球作為軸承的關(guān)鍵零件，其加工質(zhì)量對(duì)軸承的精度、傳動(dòng)性能和使用壽命有著重要影響[1]。鋼球處于高速重載工況時(shí)，其表面或內(nèi)部若存在細(xì)小的氣孔或裂紋等質(zhì)量問(wèn)題，易導(dǎo)致軸承失效，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)造成重大安全事故[2]。因此，出廠前必須對(duì)鋼球進(jìn)行100%的缺陷檢測(cè)及相關(guān)測(cè)試。

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)仍采用人工目視檢測(cè)的方法進(jìn)行鋼球出廠前的缺陷檢測(cè)，該方法檢測(cè)效率低、漏檢率高，而且危害工人的身體健康[3]。渦流檢測(cè)法[4-5]、光電檢測(cè)法[6-7]、機(jī)器視覺(jué)法[8-9]及相應(yīng)的鋼球自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)設(shè)備[10-11]在國(guó)內(nèi)外得到了成功應(yīng)用，但這類(lèi)方法只能檢測(cè)鋼球表面及近表面的缺陷，對(duì)于鋼球的內(nèi)部缺陷無(wú)能為力。超聲檢測(cè)技術(shù)具有良好的方向性及穿透性，被廣泛應(yīng)用于物體內(nèi)部的缺陷檢測(cè)[12]，文獻(xiàn)[13]引入通過(guò)波形轉(zhuǎn)換產(chǎn)生表面波和橫波分別檢測(cè)鋼球表面及近表面缺陷，但并未對(duì)鋼球內(nèi)部缺陷檢測(cè)展開(kāi)研究。

金屬外層的人工平底孔是評(píng)價(jià)超聲檢測(cè)方法對(duì)內(nèi)部缺陷檢測(cè)能力的方式之一，因此，以人工平底孔作為試驗(yàn)對(duì)象，研究采用直探頭接觸檢測(cè)方式檢測(cè)鋼球內(nèi)部缺陷的可行性。

1 鋼球人工平底孔的超聲檢測(cè)試驗(yàn)

1.1 試件

試件為精度等級(jí)G10的鋼球，球徑D為54 mm，鋼球上刻有直徑d為1.6 mm，深度h分別為1,2,3 mm的平底孔，試件示意圖如圖1所示。

圖1 試件示意圖Fig.1 Diagram of test piece

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的檢測(cè)裝置主要由CTS-5021型超聲儀、超聲直探頭、探頭固定及調(diào)節(jié)裝置、鋼球展開(kāi)支架以及水箱等組成，如圖2所示。根據(jù)檢測(cè)頻率選擇原則，試驗(yàn)選用中心頻率為5 MHz、晶片直徑8 mm的直探頭。

圖2 檢測(cè)裝置示意圖Fig.2 Diagram of detection device

為避免多次界面回波對(duì)缺陷信號(hào)識(shí)別的干擾，采用直探頭接觸法檢測(cè)。直探頭與鋼球點(diǎn)接觸，點(diǎn)的附近用耦合劑(水)填充，如圖3所示。曲面接觸的耦合層厚度比平面接觸時(shí)要大，聲能的透射系數(shù)相應(yīng)減小，等同于減小了接觸面積，入射聲能損失增加，而進(jìn)入鋼球的聲束發(fā)散也較為嚴(yán)重[14]。由于聲能損失嚴(yán)重，需要增大直探頭的發(fā)射能量，同時(shí)結(jié)合考慮分辨率等因素，試驗(yàn)中選用300 V的發(fā)射電壓以及100 ns的脈沖寬度。

圖3 直探頭與軸承鋼球的接觸情況Fig.3 Contact condition between straight probe and steel ball of bearing

2 鋼球及平底孔的回波信號(hào)分析

2.1 軸承鋼球的回波信號(hào)分析

進(jìn)入鋼球的發(fā)散聲束在球面上發(fā)生反射或折射，會(huì)在鋼球的一次底波之后產(chǎn)生多種遲到波，如圖4所示。

圖4 鋼球回波的波形圖Fig.4 Oscillogram of echo signal of steel ball

一般情況下只需要觀察界面波與一次底波之間的區(qū)域來(lái)尋找缺陷回波信號(hào)，但如果界面波占面太大，還要求同時(shí)觀察一次底波與二次底波之間的區(qū)域，這就需要對(duì)產(chǎn)生的遲到波進(jìn)行識(shí)別從而避免信號(hào)誤判。對(duì)于出現(xiàn)在二次底波之后的遲到波，由于其聲路長(zhǎng)，回波分解次數(shù)多，聲能較弱，在一般檢測(cè)靈敏度下不易顯示；另外也不需要在二次底波之后的區(qū)域?qū)ふ胰毕莼夭ǎ灰虼税l(fā)生在二次底波之后的遲到波不在討論范圍。

鋼球中的三角形遲到波出現(xiàn)在一次底波與二次底波之間的位置有著固定比例的關(guān)系[15]。未發(fā)生波形轉(zhuǎn)換的三角形遲到波是指入射縱波在鋼球內(nèi)部的傳播路徑呈現(xiàn)為正三角形，如圖5a所示。內(nèi)接三角形的弦長(zhǎng)為

圖5 鋼球中三角形遲到波的傳播路徑Fig.5 propagation path of triangle delayed echo in steel ball

L=Dsin(θ/2)，

(1)

式中：L為弦長(zhǎng)；D為鋼球直徑；θ為弦長(zhǎng)的圓心角。正三角形的邊長(zhǎng)總和為3Dsin(120°/2)=2.6D，未發(fā)生波形轉(zhuǎn)換的三角形遲到波的聲程為往返距離的1/2，即1.3D，與圖4中2，3之間的關(guān)系相一致。

發(fā)生波形轉(zhuǎn)換的三角形遲到波是指入射縱波與探頭聲束軸線呈某一特定夾角傳播至球面時(shí)，波形轉(zhuǎn)換為水平方向的橫波，此橫波傳播至對(duì)側(cè)時(shí)再次轉(zhuǎn)換成縱波并返回至探頭形成等腰三角形的路徑，如圖5b所示。由圖中幾何關(guān)系可知αT=90°-2αL，則

sinαT=sin(90°-2αL)=1-2sin2αL，

(2)

結(jié)合折射定律

CL/sinαL=CT/sinαT，

(3)

得

(4)

根據(jù)弦長(zhǎng)定理求解可得

(5)

由于橫波聲速為縱波聲速的CT/CL倍，則橫波路程相當(dāng)于縱波路程的CL/CT倍，因此有

T′=(CL/CT)DcosαT,

(6)

根據(jù)上述分析求解出聲程S為

S=(2L+T′)/2=

(7)

式中：αT為橫波入射角；αL為縱波入射角；CT為鋼球中橫波傳播速度；CL為鋼球中縱波傳播速度；T為橫波路程；T′為縱波速度下的等效橫波路程；S為顯示波形的聲程。

對(duì)于軸承鋼球，CL取5 920 m/s，CT取3 230 m/s，計(jì)算得到發(fā)生波形轉(zhuǎn)換的三角形遲到波聲程為1.67D，與圖4中2，4之間的關(guān)系相一致。

2.2 平底孔的回波信號(hào)分析(h=1 mm)

試驗(yàn)中通過(guò)探頭固定及調(diào)節(jié)裝置調(diào)整直探頭的位置，使直探頭的中心軸線與鋼球的球心共線。沒(méi)有平底孔的鋼球回波信號(hào)如圖6所示；利用鋼球展開(kāi)支架不斷調(diào)整平底孔的相對(duì)位置，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平底孔背對(duì)直探頭，且中心軸線與探頭的軸心軸線共線時(shí)，在鋼球一次底波前找到可以反映平底孔的回波信號(hào)，平底孔的回波信號(hào)如圖7所示。

圖6 無(wú)平底孔的回波信號(hào)圖Fig.6 Diagram echo signal without flat bottom hole

圖7 平底孔(深1 mm)的回波信號(hào)圖Fig.7 Diagram echo signal with flat bottom hole(depth of 1 mm)

信噪比為

Δ=20lg(N2/N1)，

(8)

式中：Δ為信噪比；N1為噪聲信號(hào)波動(dòng)幅值；N2為缺陷信號(hào)波動(dòng)幅值。

根據(jù)試驗(yàn)得到的回波信號(hào)波動(dòng)幅值可得，1 mm深平底孔回波信號(hào)的信噪比為12 dB，滿足一般工程超聲探傷中信噪比大于6 dB的要求，能夠有效區(qū)分識(shí)別。

根據(jù)速度位移公式可得平底孔回波信號(hào)與鋼球底波信號(hào)之間的相對(duì)聲程為

ΔS=CL·Δt，

(9)

式中：ΔS為缺陷回波與鋼球底波的相對(duì)聲程；Δt為缺陷回波與鋼球底波之間的時(shí)間差。

由圖7可得Δt=0.017×10-5s，計(jì)算可得ΔS=5 920×0.017×10-5≈1 mm，與平底孔的深度值基本一致。由此可以推斷：當(dāng)平底孔背對(duì)直探頭，鋼球球心、直探頭中心軸線與平底孔的中心軸線三者共線時(shí)，可以有效檢測(cè)到平底孔的回波信號(hào)。

2.3 不同深度平底孔的回波信號(hào)比較

試驗(yàn)條件不變，對(duì)2，3 mm深平底孔進(jìn)行檢測(cè)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)平底孔處于相同位置時(shí)，可以在鋼球的一次底波前找到描述平底孔的回波信號(hào)，如圖8所示。根據(jù)(9)式計(jì)算得2，3 mm深平底孔回波信號(hào)與鋼球底波信號(hào)之間的相對(duì)聲程分別為2.01，2.96 mm，與平底孔深度值基本一致。

圖8 不同深度平底孔的回波信號(hào)圖Fig.8 Diagram of echo signal with different depths of flat bottom holes

通過(guò)對(duì)不同深度平底孔缺陷的回波信號(hào)波形圖進(jìn)行比較分析可知：隨著平底孔深度的增加，缺陷回波信號(hào)的波動(dòng)幅值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；且不同深度平底孔的回波信號(hào)與鋼球底波之間的相對(duì)聲程值與平底孔的深度值基本對(duì)應(yīng)。

3 鋼球平底孔的檢測(cè)機(jī)理

3.1 圓盤(pán)聲源軸線上的聲壓分布

將超聲直探頭作為理想的活塞圓盤(pán)聲源，根據(jù)疊加原理，圓盤(pán)聲源軸線上任一點(diǎn)處的聲壓等于聲源上各點(diǎn)輻射的聲壓在該點(diǎn)的疊加，由此可以推斷出聲源軸線上的聲壓分布為

(10)

式中：p0為聲源的起始聲壓；D為圓盤(pán)聲源的直徑；λ為傳聲介質(zhì)中聲波的波長(zhǎng)；x為圓盤(pán)聲源軸線上某一點(diǎn)距聲源的距離。

由(10)式繪出圓盤(pán)聲源軸線上的聲壓分布曲線，如圖9所示。從圖中可以看出(圖中N表示近場(chǎng)長(zhǎng)度，N=(D2-λ2)/4λ)：聲源軸線上一點(diǎn)至聲源的距離小于近場(chǎng)長(zhǎng)度時(shí)，聲壓與距離的關(guān)系由于干涉的作用變得較為復(fù)雜，存在多個(gè)極大值點(diǎn)與極小值點(diǎn)。因此，當(dāng)較大的缺陷位于聲壓極小值點(diǎn)時(shí)反射的信號(hào)可能較弱，而較小的缺陷位于聲壓極大值點(diǎn)時(shí)反射的信號(hào)較強(qiáng)，這種情況下信號(hào)小很容易造成誤判，甚至漏檢。當(dāng)聲源軸線上一點(diǎn)至聲源的距離大于近場(chǎng)長(zhǎng)度時(shí)，聲壓隨距離的增大單調(diào)下降，所以一般選用遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)進(jìn)行缺陷檢測(cè)。

圖9 圓盤(pán)聲源軸線上的聲壓分布Fig.9 Sound pressure distribution on axis of sound source of disk

結(jié)合超聲場(chǎng)橫截面的聲壓分布情況可知，當(dāng)聲源軸線上一點(diǎn)至聲源的距離大于近場(chǎng)長(zhǎng)度時(shí)，各截面總是中心聲壓最高，偏離中心軸線的聲壓逐漸降低。因此，對(duì)于圓盤(pán)聲源的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，聲源中心軸線的聲壓最高。當(dāng)缺陷處于聲源遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的中心軸線處時(shí)，能夠得到較好的缺陷回波信號(hào)，并且可以將超聲反射的回波信號(hào)幅值與缺陷的尺寸相關(guān)聯(lián)。

3.2 平底孔的回波聲壓

當(dāng)平底孔垂直于圓盤(pán)聲源的聲束軸線時(shí)，根據(jù)惠更斯原理，探頭發(fā)射的超聲波傳播至缺陷后，平底孔將作為新的圓盤(pán)聲源產(chǎn)生回波，由于平底孔尺寸較小，平底孔上各點(diǎn)的聲壓可視為聲束軸線上的聲壓。由圓盤(pán)聲源軸線上的聲壓分布公式推算得平底孔作為新波源的起始公式為

(11)

式中：pd為平底孔的回波聲壓；d為平底孔的直徑；h為平底孔的深度。

分析可知，當(dāng)平底孔的直徑保持不變時(shí)，平底孔的回波聲壓隨著平底孔深度的增加而逐漸增加，相應(yīng)的回波信號(hào)幅值同樣逐步增大，理論分析結(jié)果與試驗(yàn)現(xiàn)象基本一致。

4 結(jié)論

1)鋼球回波信號(hào)中存在三角形遲到波，其出現(xiàn)在一次底波與二次底波之間的位置按比例固定不動(dòng)，規(guī)避這類(lèi)回波可減少誤判。

2)采用超聲直探頭接觸法可以有效檢測(cè)出鋼球的平底孔，信噪比達(dá)到12 dB，能夠有效區(qū)分出缺陷信號(hào)。

3)回波信號(hào)的幅值隨著平底孔深度的不斷加深而逐漸增大，且回波與底波之間的相對(duì)聲程可以有效描述平底孔的深度值。

4)超聲直探頭接觸法可以有效檢測(cè)出鋼球內(nèi)部缺陷。當(dāng)鋼球內(nèi)部缺陷在直探頭聲源軸線上時(shí)，可在鋼球底波前找到缺陷回波信號(hào)。