齒輪相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

劉仕遠(yuǎn)

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

近年來(lái)，相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)是發(fā)展較為迅速的一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)新技術(shù)，隨著能源行業(yè)關(guān)于焊縫相控陣超聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，應(yīng)用范圍也越來(lái)越廣泛，在高鐵構(gòu)架、鋼軌、風(fēng)機(jī)塔筒、壓力容器腐蝕損傷、輸變電設(shè)備、石油及天然氣輸送管道等檢測(cè)中均有應(yīng)用。

1 問(wèn)題及原因分析

某型齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)裝機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)故障報(bào)警，拆解后發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)齒輪斷齒，導(dǎo)致與其配合的其他齒輪均發(fā)生不同程度的損壞。

對(duì)齒輪斷齒部位進(jìn)行微觀形貌檢查，發(fā)現(xiàn)齒根疲勞裂紋擴(kuò)展清晰可見(jiàn)，疲勞源位于齒輪齒腰心部，疲勞源處存在長(zhǎng)條形缺陷，缺陷長(zhǎng)約1.6 mm，寬約0.5 mm，距離齒輪端面約145 mm，距離齒表面約5 mm。

經(jīng)缺陷和附近基體能譜測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)：缺陷區(qū)域除基體成分外，還富含氧化鋁和氧化鈣，由此判斷為夾渣缺陷，由于其距離齒表面較近，顯著降低齒輪材料的疲勞抗力，是導(dǎo)致齒輪早期疲勞斷裂的主要原因。

以上分析表明，位于齒部的夾渣缺陷(氧化鋁、氧化鈣等)，對(duì)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行危害性很大，如果未能發(fā)現(xiàn)齒部存在的缺陷，待裝機(jī)使用后，在交變應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生疲勞擴(kuò)展，最終導(dǎo)致斷齒，斷齒掉塊后將導(dǎo)致其他機(jī)組齒輪損壞，整機(jī)將不能正常工作，且拆解維修成本高。

這類缺陷在進(jìn)行常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)，存在一定局限性不易被檢出。如果后續(xù)加工過(guò)程中，該類缺陷不顯露，或距離表面存在一定距離，成品狀態(tài)采用磁粉檢測(cè)也難以被發(fā)現(xiàn)。

因此，須在齒輪最終組裝前，對(duì)齒部這個(gè)關(guān)鍵區(qū)域再次進(jìn)行有效檢測(cè)，確保齒部無(wú)影響使用的夾渣缺陷，這對(duì)于防止齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)失效，降低成本，保障整機(jī)運(yùn)行安全具有重要意義。

2 相控陣超聲檢測(cè)方案

相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速[1]，設(shè)備性能日趨完善，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)相繼頒布[2]，它具有可同時(shí)進(jìn)行多角度掃查、缺陷顯示較常規(guī)超聲顯示直觀等優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)際應(yīng)用的檢測(cè)效果需進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 試塊設(shè)計(jì)及加工

通過(guò)對(duì)齒輪斷齒情況分析可知，引起斷齒的缺陷主要為金屬氧化物夾渣，基本位于齒高的1/3～2/3區(qū)域，考慮缺陷檢出的覆蓋范圍，需在齒表面加工人工槽，齒內(nèi)部加工橫孔及夾渣缺陷。

根據(jù)斷齒工業(yè)齒部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用齒輪實(shí)物進(jìn)行試塊加工制作，人工缺陷采用鉆孔、電火花、焊接等方式加工，試塊人工缺陷布置如圖1所示，試塊人工缺陷參數(shù)如表1所示。

圖1 試塊人工缺陷布置圖

表1 試塊人工缺陷參數(shù) /mm

2.2 相控陣探頭布置方案

根據(jù)齒輪齒頂尺寸，設(shè)計(jì)齒部相控陣檢測(cè)專用直探頭及斜探頭，頻率分別為4 MHz及5 MHz，晶片數(shù)量均為16，專用探頭布置如圖2、3所示。

圖2 相控陣超聲直探頭檢測(cè)內(nèi)部橫孔及夾渣布置圖

圖3 相控陣超聲斜探頭檢測(cè)表面人工槽布置圖

3 檢測(cè)方案試驗(yàn)

采用相控陣超聲檢測(cè)專用直探頭和斜探頭對(duì)1#和2#人工缺陷樣件進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，結(jié)果表明，所有人工缺陷均能被發(fā)現(xiàn)。為了節(jié)省篇幅，下文僅展示試塊上較小人工缺陷的的檢測(cè)結(jié)果，具體如圖4～圖7所示。

圖4 1#試塊側(cè)邊橫孔(?0.5 mm)缺陷檢測(cè)情況

圖5 2#試塊中心橫孔缺陷檢測(cè)情況

圖6 2#試塊側(cè)邊夾渣缺陷檢測(cè)情況

圖7 1#試塊表面人工槽(槽深0.3 mm)缺陷檢測(cè)情況

從試驗(yàn)結(jié)果可知，采用專用相控陣超聲直探頭和斜探頭，可以很好地對(duì)齒輪實(shí)物試塊表面及內(nèi)部人工缺陷進(jìn)行檢測(cè)，圖形顯示直觀，缺陷判別容易。

4 檢測(cè)方案應(yīng)用

采用上述超聲相控陣檢測(cè)方案對(duì)新制齒輪成品進(jìn)行檢測(cè)，為提高檢測(cè)效率，批量檢測(cè)時(shí)先采用相控陣專用直探頭從齒頂面進(jìn)行檢測(cè)，靈敏度以2#試塊上孔徑為?0.5 mm的中心橫孔F5作為基準(zhǔn)靈敏度。在批量檢測(cè)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)多起齒輪齒部存在缺陷回波顯示的情況，采用5P14FG15雙晶探頭進(jìn)行常規(guī)超聲檢測(cè)再確認(rèn)，缺陷相關(guān)信息如下：缺陷部位，齒部；檢測(cè)面，齒頂面；缺陷聲程，36.6 mm；缺陷當(dāng)量，0.81 mm。

5 實(shí)物缺陷解剖驗(yàn)證

為進(jìn)一步分析上述缺陷是否與之前所述引起斷齒的夾渣缺陷類似，對(duì)該缺陷做進(jìn)一步解剖驗(yàn)證。首先切割該齒輪的缺陷部位，然后對(duì)切割后的帶缺陷齒塊進(jìn)行缺陷形貌分析、金相檢測(cè)分析及化學(xué)成分分析。

5.1 缺陷形貌分析

采用數(shù)字射線對(duì)切割后的齒塊進(jìn)行CT檢測(cè)，缺陷截面最大尺寸為2 mm，如圖8所示。從三維提取的檢測(cè)結(jié)果可知，該缺陷形狀極不規(guī)則。

圖8 齒塊缺陷CT檢測(cè)結(jié)果

5.2 金相檢測(cè)分析

缺陷形貌分析結(jié)束后，對(duì)缺陷齒塊進(jìn)一步線切割并打磨拋光，直至缺陷顯露，如圖9所示，箭頭標(biāo)記處為缺陷區(qū)，缺陷端部為點(diǎn)狀。再進(jìn)一步切割缺陷齒塊，缺陷逐步延伸，從端部點(diǎn)狀逐漸延伸擴(kuò)展為長(zhǎng)條狀，內(nèi)部存在填充物，如圖10所示。

圖9 缺陷端部金相分析結(jié)果

圖10 缺陷中部金相分析結(jié)果

5.3 化學(xué)成分分析

金相分析結(jié)束后，對(duì)缺陷部位進(jìn)行能譜測(cè)試(見(jiàn)圖11)，檢測(cè)結(jié)果表明：缺陷化學(xué)成分主要為氧化鋁，存在少量的氧化鎂和氧化鈣。該缺陷的成分分析結(jié)果與出現(xiàn)斷齒的齒輪缺陷分析結(jié)果一致。

圖11 齒塊缺陷部位能譜分析結(jié)果

6 結(jié)語(yǔ)

以上分析結(jié)果表明，采用相控陣超聲檢測(cè)技術(shù)對(duì)齒輪齒部進(jìn)行檢測(cè)的方案可行，缺陷圖像顯示較為直觀，檢測(cè)結(jié)果可靠。為齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了有力保障，也為軌道交通、工程機(jī)械、重型機(jī)械等其他齒輪的類似檢測(cè)提供了技術(shù)參考。

上述方法是齒輪開齒前表面狀態(tài)、熱處理狀態(tài)不滿足相控陣檢測(cè)要求或齒輪已經(jīng)加工為成品后的補(bǔ)救措施。事實(shí)上，若檢測(cè)條件允許，最佳的相控陣檢測(cè)時(shí)機(jī)應(yīng)安排在開齒前，這樣既可以保障產(chǎn)品質(zhì)量，又可以避免加工浪費(fèi)，降低成本。