淺析HXN5系列電機(jī)轉(zhuǎn)軸缺陷超聲波檢測工藝研究

1 概述

為響應(yīng)國家去產(chǎn)能、節(jié)能減排的號(hào)召，我們公司生產(chǎn)的HXN5系列內(nèi)燃機(jī)車使用的電機(jī)轉(zhuǎn)軸(圖1)從自主供貨改為供應(yīng)商供貨。在入廠驗(yàn)收中需要進(jìn)行一系列的檢驗(yàn)，其中超聲波檢測就是其中一項(xiàng)。

該系列電機(jī)轉(zhuǎn)軸為35CrMo材質(zhì)，經(jīng)鍛造、熱處理、機(jī)加工后交付我公司。在進(jìn)行入庫檢驗(yàn)過程中，除力學(xué)性能、化學(xué)成分、金相等破壞性檢驗(yàn)外，還須進(jìn)行超聲波檢測、磁粉檢測等無損檢測。超聲波檢測依據(jù)GB/T6402—2008《鍛鋼件超聲波檢測方法》的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中3級(jí)驗(yàn)收等級(jí)，我公司自主供貨時(shí)，由于鍛造必能得到充分保證，產(chǎn)品質(zhì)量一直比較穩(wěn)定，依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收等級(jí)能保證安全入庫。后改用供應(yīng)商供貨后，質(zhì)量穩(wěn)定性較差，其中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸在齒輪安裝部位(D170mm)附近，距離探測面75～95mm中心區(qū)域范圍內(nèi)，出現(xiàn)波高當(dāng)量為Ф2～3mm之間，指示長度在15～80之間的缺陷反射波，偶爾也會(huì)有指示長度達(dá)到150mm。按照上述標(biāo)準(zhǔn)，長條形不連續(xù)性需要通過計(jì)算得出，并沒有明確限定長條形不連續(xù)性缺陷的指示長度，這給我公司在電機(jī)轉(zhuǎn)軸入庫時(shí)帶來困擾，與供應(yīng)商之間一直存在爭議。

貝多芬生活在古典主義與浪漫主義的過渡階段。他的作品不僅展現(xiàn)了古典義時(shí)期音樂的精髓，把古典主義音樂發(fā)展到了極致，同時(shí)他還為浪漫主義音樂開啟了先河。尤其在他晚期的作品中更是明顯的體現(xiàn)出了浪漫主義的傾向。也正因如此，后人稱是“集古典主義之大成，開浪漫主義之先河”的音樂大師。本文主要從貝貝多芬生活在古典主義與浪漫主義的過渡階段。他的作品不僅展現(xiàn)了古典主多芬的音樂思想、創(chuàng)作風(fēng)格、審美原則三方面對(duì)貝多芬的浪漫主義音樂進(jìn)行探究。

基于上述原因，決定對(duì)HXN5系列電機(jī)轉(zhuǎn)軸的超聲波檢測進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，從有爭議的電機(jī)轉(zhuǎn)軸中選取較為典型的問題產(chǎn)品，通過解剖取樣，對(duì)解剖截面采用磁粉檢測、滲透檢測、射線檢測等手段進(jìn)行分析，然后利用金相、力學(xué)性能試驗(yàn)的技術(shù)手段進(jìn)行驗(yàn)證，最終匯集數(shù)據(jù)，制定供需雙方均能接受的質(zhì)量驗(yàn)收文件，從而保證產(chǎn)品質(zhì)量。

采訪接近尾聲時(shí)，曹紫萱問了陳校長最后一個(gè)問題：“暢想未來三十年，陳校長，我們很想知道此時(shí)此刻的您，最想對(duì)第四中心的學(xué)子說些什么？”

湖南省宜章縣梅田有位種了30多年食用菌的“種菇大王”——黃永忠。1985年就開始種菇的老黃，在當(dāng)?shù)責(zé)o異于“田秀才”，是遠(yuǎn)近聞名的土專家。

2 NDT檢測試驗(yàn)

2.1 超聲波檢測

通過以上一系列的技術(shù)手段對(duì)HXN5系列電機(jī)轉(zhuǎn)軸低倍缺陷的分析，筆者查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料任務(wù)，存在低倍組織缺陷的材料在某種程度上會(huì)對(duì)這些材料生產(chǎn)的產(chǎn)品在服役運(yùn)行中產(chǎn)生一定的影響。

選取編號(hào)為DZ13-110-002的HXN5電機(jī)轉(zhuǎn)軸作為試驗(yàn)對(duì)象，該缺陷波高當(dāng)量φ3-1.5dB,根據(jù)公式1計(jì)算，當(dāng)量直徑約為2.75mm，指示長度為75mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義，其長度大于波束寬度-6dB值，屬于長條形缺陷，因此，對(duì)標(biāo)結(jié)果是合格的。然而，筆者認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)中只是解釋了長條形不連續(xù)性的定義，在驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)中，只對(duì)長條形缺陷的當(dāng)量值作了驗(yàn)收極限的規(guī)定，并沒有對(duì)指示長度作驗(yàn)收極限規(guī)定。

然后，進(jìn)行金相組織分析，依據(jù)GB/T1979—2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》，組織材料為珠光體+索氏體+鐵素體，存在局部可見疏松(圖7)、(圖8)。

式1

式中：D

靈敏度平底孔直徑(mm);D

缺陷當(dāng)量直徑(mm)

2.2 其他NDT方法的檢測

然后，對(duì)試樣進(jìn)行滲透檢測，采用新美達(dá)生產(chǎn)的DPT-5滲透套液，環(huán)境溫度23℃。表面清洗劑清洗后，滲透劑噴涂，滲透時(shí)間8min，中間補(bǔ)噴一次，去除使用清洗劑擦除，顯像使用噴涂，觀察時(shí)間5min。經(jīng)過顯像觀察，未發(fā)現(xiàn)該部位存在不連續(xù)性跡痕(圖3)。

借助于射線檢測手段，對(duì)選定的DZ13-110-002電機(jī)轉(zhuǎn)軸有缺陷部位進(jìn)行取樣，取樣部位為軸身項(xiàng)中心方向85～110mm范圍，軸向位置位于當(dāng)量波高最高處896mm處，作射線檢測，底片上無缺陷影像顯示(圖2)。

觀察組顯效37例、有效30例、無效3例，總有效率為95.7%；對(duì)照組顯效34例、有效20例、無效9例，總有效率為85.7%，差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（χ2=4.039 5，P=0.044 4）。

2.2.2 滲透檢測

Analysis on Main Points of Steam Turbine Regenerative Extraction Steam System Design HUANG Tao(68)

2.2.1 射線檢測

首先，依據(jù)GB/T1979—2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖》進(jìn)行低倍組織觀察，發(fā)現(xiàn)在取樣部位存在一般疏松，級(jí)別為1.0級(jí)；中心疏松，級(jí)別為0.5級(jí)，無其余缺陷(圖6)。

在取樣部位進(jìn)行熒光磁粉檢測，使用CEJ-4000型磁粉探傷機(jī)，復(fù)合磁化，磁懸液濃度0.4ml/100ml，環(huán)境白光照度10lx，試樣表面黑光輻照度2850μW/cm2，檢測結(jié)果：在試樣表面未發(fā)現(xiàn)磁痕顯示(圖4)。

3 其他方法試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 金相試驗(yàn)

為了更有效地對(duì)超聲波檢測結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，筆者采用了包括金相試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)等在內(nèi)的其他技術(shù)手段進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。首先，進(jìn)行金相試驗(yàn)，在經(jīng)過各種無損檢測手段檢測過的試樣進(jìn)行加工金相低倍觀察樣塊(圖5)，試樣選取3塊，分別為如圖中“1”、“2”、“3”的部位。

2.2.3 磁粉檢測

護(hù)士應(yīng)根據(jù)患者的心理特點(diǎn)和不良情緒，給予針對(duì)性的心理疏導(dǎo)，多給予鼓勵(lì)、關(guān)心、安慰、照顧等，使其感受到溫暖，緩解心理壓力，介紹手術(shù)成功的病例，幫助患者樹立信心。

3.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

對(duì)選定的DZ13-110-002電機(jī)轉(zhuǎn)軸有缺陷部位和無缺陷的部位分別取樣，加工拉伸試驗(yàn)樣棒和沖擊試驗(yàn)樣塊，依據(jù)B/T228.1—2010《金屬材料 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》、GB/T《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)作比對(duì)，這樣就能說明兩種狀態(tài)的同種材料在相同的力學(xué)性能條件下的差異。通過試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有缺陷的樣棒與無缺陷的樣棒在抗拉強(qiáng)度Rm(MPa)值、規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度Rp0.2(MPa)值、沖擊吸收能量KU2(J)值存在明顯的差異，在斷后伸長率A(%)、斷面收縮率Z(%)差異不是太明顯(圖9)、(圖10)。

4 結(jié)果分析

利用NB/T47013—2015《承壓設(shè)備無損檢測 第3部分：超聲檢測》標(biāo)準(zhǔn)中螺栓坯件徑向檢測R90mm的對(duì)比試塊中φ3mm平底孔作為調(diào)節(jié)起始靈敏度的人工發(fā)射體進(jìn)行靈敏度調(diào)校，取不同深度的3～5個(gè)深度平底孔反射波高位置的連線繪制DAC曲線，補(bǔ)償6dB作為表面耦合補(bǔ)償和衰減補(bǔ)償，再增益6dB作為掃查靈敏度。從成品電機(jī)轉(zhuǎn)軸中選取具有典型低倍組織缺陷的電機(jī)轉(zhuǎn)軸，經(jīng)過探測，從該批次 中選取了一根，其主要參數(shù)如表1：

4.1 缺陷波高當(dāng)量誤差的影響

影響缺陷定量的因素主要有：1.儀器及探頭性能的影響；2.耦合與衰減的影響；3.試件幾何形狀和尺寸的影響；4.缺陷的影響。這些因素往往會(huì)使超聲波檢測時(shí)在對(duì)缺陷定量時(shí)產(chǎn)生實(shí)際誤差，如果實(shí)物對(duì)比試塊的組織很理想，那么，在對(duì)具體電機(jī)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行檢測時(shí)，內(nèi)部存在低倍組織缺陷，由于鍛造比不足，這些缺陷會(huì)以一般疏松及中心疏松的形態(tài)存在在軸身中心附近，當(dāng)聲束穿透缺陷后，如果不考慮材質(zhì)本身的吸收衰減，聲能會(huì)損失一部分，損失量取決于疏松的嚴(yán)重程度，聲束返回被探頭接收顯示在示波屏上的信號(hào)就會(huì)有損失，并不能真實(shí)反映這些缺陷的實(shí)際大小。

4.2 缺陷指示長度的影響

在超聲波檢測中，對(duì)缺陷定量只是一種約等值，實(shí)際缺陷往往比當(dāng)量值大，這是由于缺陷的性質(zhì)、取向、大小、表面狀態(tài)、埋藏深度等因素決定的。其中，埋藏深度的影響可以通過計(jì)算來獲得，由(圖11)可以看出，聲束從近場區(qū)(N)的最后一個(gè)最高值開始到不擴(kuò)散區(qū)(1.64N)范圍內(nèi)聲束的直徑基本與晶片的直徑相當(dāng)，從不擴(kuò)散區(qū)開始，聲束的直徑隨傳播距離(聲程)的增加而增大。假設(shè)兩個(gè)相同長度的缺陷出現(xiàn)在不同深度時(shí)，使用相同直徑、相同頻率的晶片進(jìn)行探測，其標(biāo)定的指示長度就會(huì)不同(式2)、(式3)。

(式2)

=tan

×

(式3)

式中：

聲束半擴(kuò)散角(°);

聲束至缺陷位置的半徑(mm);

缺陷埋藏深度(mm);

波長(mm);

晶片直徑(mm)。

晶片發(fā)出的聲波在波源附近各向同性的介質(zhì)中輻射的波近似活塞波，等距離源的距離足夠大時(shí)，活塞波類似于球面波。球面波波束向四周擴(kuò)散，球面波各質(zhì)點(diǎn)的振幅與距離成反比。當(dāng)探頭的晶片尺寸、頻率一定時(shí)，波束的直徑隨著距離的增加簡單增加，超聲場中至波源充分遠(yuǎn)處橫截面上的個(gè)點(diǎn)的聲壓是不同的，以軸線上的聲壓最高，實(shí)際探傷中，當(dāng)主聲束的最外側(cè)的聲壓大概是軸線聲壓的一半，約降低6dB，因此，對(duì)著距離的增加，聲束的擴(kuò)散角會(huì)增加，當(dāng)缺陷的兩個(gè)端點(diǎn)處在聲束的邊界時(shí)，其指示長度也會(huì)隨著埋藏深度的增加而簡單增加。

5 結(jié)論

電機(jī)轉(zhuǎn)軸是內(nèi)燃機(jī)車上傳動(dòng)動(dòng)力的重要部件，其質(zhì)量的好壞與否直接關(guān)系到機(jī)車的運(yùn)行安全。材料中的低倍組織缺陷在超聲檢測中雖然反射波波高較低，但是，一般情況下，低倍組織缺陷在產(chǎn)品中不是以點(diǎn)狀形態(tài)存在，而是有一定的長度，大多在15～50mm左右，有的甚至可達(dá)150mm，這取決于鍛造比不足的長度。在實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)轉(zhuǎn)軸長期處于扭力、拉力、沖擊力以及自身的重力影響下不斷交變工作，在疲勞狀態(tài)下可能會(huì)發(fā)生斷裂、開裂，當(dāng)裂紋處于1～5mm之間時(shí)，發(fā)展速度較緩慢；當(dāng)裂紋發(fā)展到5mm以上時(shí)，會(huì)迅速擴(kuò)展，發(fā)生斷裂的時(shí)間可能僅需數(shù)天甚至數(shù)小時(shí)，對(duì)低倍組織缺陷的定量如果不加以有效控制的，發(fā)生質(zhì)量事故的幾率會(huì)很高。在超聲無損檢測中，如果簡單地運(yùn)用某個(gè)檢測標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)定是不科學(xué)的，假設(shè)選用2.5P14Z縱波直探頭進(jìn)行檢測，由(圖11)和(式2)、(式3)可以看出，在聲束未擴(kuò)散區(qū)處附近，超聲場的直徑與晶片的直徑相當(dāng)，約為14mm，如果缺陷的實(shí)際長度為30mm，埋藏深度在20mm時(shí)，此處聲束的直徑約為21mm；同樣長度的缺陷如果埋藏深度90mm時(shí)，此處聲束的直徑約為38mm，此時(shí)，在20mm處，實(shí)際長度30mm的缺陷可以判定為長條形缺陷，同樣長度的缺陷，如果埋藏深度在90mm處，可能會(huì)判定為點(diǎn)狀缺陷。

綜上所述，為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，除了應(yīng)該選用合適的探頭外，還應(yīng)該對(duì)指示長度加以限定，而不是籠統(tǒng)地對(duì)長條形缺陷加以定義。

[1]超聲波探傷[M].中國勞動(dòng)社會(huì)保障出版社 第2版，2008年.

[2]GB/T6402—2015 鋼鍛件超聲檢測方法[S].

[3]GBT 7736—2008 鋼的低倍缺陷超聲波檢驗(yàn)法[S].

[4]GB/T1979—2001結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評(píng)級(jí)圖[S].

[5]B/T228.1—2010金屬材料 第1部分：室溫試驗(yàn)方法[S].

[6]GB/T金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法[S]