基于柔性超聲相控陣的軸承套圈內(nèi)部缺陷檢測

叢晨日,張凱勝,孫慧霖

(中國航發(fā)哈爾濱軸承有限公司,哈爾濱 150025)

軸承套圈缺陷主要有材料缺陷(裂紋、大尺寸夾雜、碳化物偏析、孔洞等)、鍛造缺陷(折疊、裂紋、孔洞)、磨削裂紋、滲碳層深度不足/過大或不均勻等[1-3]。據(jù)統(tǒng)計:套圈外徑面缺陷占比最高(37.5%),其次為內(nèi)徑面缺陷(23.53%)和端面缺陷(9.8%);缺陷類型主要是裂紋(包含斷裂,占比63.64%)、表面缺陷(點、線、凹坑等,占比16.16%)、熱處理質(zhì)量缺陷和磨削燒傷。精準、高效地檢出套圈內(nèi)部缺陷對提高軸承的使用性能和產(chǎn)品質(zhì)量,減小經(jīng)濟損失,避免安全隱患具有重要的意義[1-2]。

軸承套圈無損檢測方法主要包括滲透、磁粉、渦流、射線和超聲等[4]。超聲無損檢測操作安全,穿透能力強,靈敏度高且檢測成本較低,可實現(xiàn)套圈表面、近表面和內(nèi)部缺陷的高分辨率檢測[5-7]。在軸承套圈加工過程中,為保證套圈滾道的良好金屬流線并提升軸承使用壽命,套圈鍛造趨向于采用直接鍛溝的方式。傳統(tǒng)的超聲檢測方法進行套圈表面及內(nèi)部缺陷定位及檢出時難以保證檢測精度,而且鍛溝曲面復雜的幾何形狀也導致套圈內(nèi)部缺陷檢出困難。柔性超聲相控陣檢測可靈活控制合成聲束的偏轉(zhuǎn)角度和聚焦深度,不移動或少移動探頭就能實現(xiàn)對套圈內(nèi)部的完整掃描。

本文針對軸承套圈內(nèi)部特殊位置缺陷開展柔性超聲相控陣檢測仿真研究,獲取評價方法并為后續(xù)實現(xiàn)軸承套圈超聲檢測的工程化應用提供仿真基礎(chǔ)。基于COMSOL有限元仿真軟件以及柔性超聲相控陣無損檢測理論,建立檢測軸承套圈內(nèi)部不同種類(主要為裂紋和孔洞)、位置和尺寸缺陷的仿真模型,利用時間延遲法則計算相控陣陣元延遲時間,通過改變合成聲束的聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)套圈內(nèi)部不同區(qū)域的掃查和檢測,進而分析不同種類、位置和尺寸缺陷的A掃描信號,探索透射式柔性超聲相控陣無損檢測方法對軸承套圈表面、次表面及鍛溝位置的適用性。

1 超聲相控陣基本原理

與傳統(tǒng)超聲無損檢測相比,超聲相控陣以多聲束掃描成像為基礎(chǔ),利用多個壓電晶片組成換能器陣列,不同陣列單元接收不同的電信號激勵壓電晶片發(fā)射聲波,球面波波前相互疊加形成合成聲束。超聲相控陣原理如圖1所示,通過控制各個陣元的相位變化實現(xiàn)合成聲束在套圈等曲面工件內(nèi)的偏轉(zhuǎn)和聚焦,改變聚焦點的位置便可在避免移動探頭的情況下完成套圈等曲面工件或大厚度、形狀復雜工件內(nèi)外表面區(qū)域的缺陷檢測與評定分析。

圖1 超聲相控陣原理圖

當聲波在套圈等曲面工件內(nèi)部傳播時,聲壓分布和聲束形狀的獲取至關(guān)重要,超聲相控陣利用電子技術(shù)實現(xiàn)聲焦與場聚偏轉(zhuǎn)的精準控制。當探頭不移動或移動距離較小時,超聲相控陣能夠以扇形、線性、動態(tài)深度聚焦掃描以及多種掃描組合的方式對工件進行檢測,并在一定程度上解決了傳統(tǒng)超聲檢測空間限制和工件檢測可達性差異的問題。此外,超聲相控陣具有較廣的檢測范圍和較高的分辨率且成像直觀,能夠?qū)崟r得到A,B,C,D,S掃描和三維成像結(jié)果[8]。其中,A掃描成像顯示聲波信號幅度與傳播時間的關(guān)系,B掃描顯示與聲束垂直傳播方向平行且與工件測量表面垂直剖面的成像,C掃描顯示工件橫斷面的成像,D掃描顯示與聲束平面及測量平面均垂直剖面的成像,S掃描顯示與入射點成一定角度的扇形掃查范圍的成像。

實際檢測過程中,柔性相控陣換能器使用柔性保護膜將換能器陣元進行包裹保護,從而適應凸面的半徑變化并與凸面檢測區(qū)域緊密貼合。柔性相控陣單層凸面延遲聚焦原理如圖2所示,探頭每次激發(fā)M個陣元為一組進行探傷掃描,當該組陣元激發(fā)并掃描結(jié)束后,在滿足時間延遲法則的條件下激勵下一組陣元進行聲波的發(fā)射和掃描,直至掃描工件整個凸面區(qū)域。

圖2 單層凸面延遲聚焦原理示意圖

由圖2可知,第m個陣元輻射聲場路徑長FP為

則各個陣元的延遲時間為

式中:R為凸面半徑;F為聲束聚焦點;θ為方便計算而定義的轉(zhuǎn)角;m為陣元從左到右的編號,m=1,2,…,M;s為陣元中心距,在掃描過程中保持不變;BF為聚焦深度;α為聲束偏轉(zhuǎn)角度;c為聲波在工件中的傳播速度。

2 數(shù)值模型

在探究超聲換能器聲場特性時,一般認為軸承套圈等曲面工件區(qū)域聲速和密度一致,區(qū)別在于存在缺陷區(qū)域。當缺陷區(qū)域的密度和聲速不均勻時,可以用波動方程描述信號的傳播,波動方程在不均勻介質(zhì)中表示為

(1)

式中:?2為梯度算法;p為壓強;ρ為介質(zhì)密度。

當聲速和介質(zhì)密度與平均值c0,ρ0存在一定的偏差時,(1)式可以表示為

(2)

其中,ρ=ρ0+Δρ且Δρ≤ρ0,c=c0+Δc且Δc≤c0。

在(2)式中,等式右側(cè)的2個多項式稱為散射項或有源項。當介質(zhì)密度及聲速非均勻時,介質(zhì)中存在等效聲源分布;當介質(zhì)均勻時,介質(zhì)中沒有等效聲源分布,右邊兩項均為0。

為求解超聲陣列換能器的輻射聲場分布,將均勻介質(zhì)中的聲波方程表示為

(3)

超聲相控陣的陣元之間按照特定的形狀排列,當二維多元換能器由Nx×Ny個活塞式陣元組成時,換能器聲場模型為[9]

(4)

式中:uij為陣列中第ij個陣元的振動幅值;ωij為振動的角頻率;αij為初始相位;kij為陣元的波數(shù);rij為陣元到觀察點的距離;Sij為陣元面積。

3 有限元仿真

3.1 仿真模型分析

在使用超聲相控陣換能器對軸承套圈進行掃查時,由于套圈表面及鍛溝曲面曲率的影響,聲波在套圈內(nèi)傳播時聲場的偏轉(zhuǎn)、聚焦特性差異較大。為探究聲波在套圈內(nèi)偏轉(zhuǎn)、聚焦特性及分布規(guī)律,研究不同種類缺陷對套圈內(nèi)部超聲回波信號的影響,在凸面延時聚焦法則和有限元理論的基礎(chǔ)上建立柔性超聲相控陣時域瞬態(tài)仿真模型,通過改變合成聲束聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)不同位置缺陷的檢測,進而分析不同時刻軸承套圈等曲面工件內(nèi)合成聲場與缺陷的相互作用過程和變化規(guī)律[10]。

A掃描(A-scan)是一種超聲檢測技術(shù),可以將接收到的回波信號以時間和振幅的形式可視化為圖形,從而反映材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷的信息。本研究通過模擬聲波在套圈內(nèi)部的傳播過程觀察不同類型缺陷(如裂紋和孔洞)對回波信號的影響,有助于更好地了解超聲相控陣技術(shù)在軸承套圈缺陷檢測中的性能,以及如何根據(jù)聲波在套圈內(nèi)的折射角度和聚焦深度調(diào)整聲束以提高缺陷檢測效果。在這種情況下,使用A掃描可以直觀地展示回波信號隨時間的變化,有助于分析聲波與缺陷之間的相互作用。

3.2 套圈尺寸和缺陷類型分析

在數(shù)值模型基礎(chǔ)上,為滿足聲波波動方程,設(shè)定套圈域、水域和缺陷域材料密度及聲波傳播速度;在換能器聲場模型基礎(chǔ)上,通過改變換能器陣元間距及陣元尺寸參數(shù)確定仿真模型中換能器檢測范圍。

某型軸承套圈的尺寸如圖3所示,在分析不同種類缺陷對超聲相控陣回波A信號的影響時,采用長方形和圓形分別近似代表裂紋缺陷和孔洞缺陷,套圈內(nèi)部(中心位置)缺陷尺寸如圖4所示,孔洞缺陷直徑分別為2,4,6 mm;裂紋缺陷尺寸為1.0 mm×0.5 mm,2種缺陷的深度均為2 mm。

圖3 軸承套圈示意圖

圖4 套圈內(nèi)部缺陷尺寸圖

3.3 柔性探頭與相控陣參數(shù)設(shè)置

柔性超聲相控陣仿真等效模型如圖5所示,探頭發(fā)射的聲波經(jīng)水域進入套圈內(nèi)部,在缺陷表面反射回水域并被信號接收探針接收。設(shè)置套圈材料為8Cr4Mo4V,密度為8 345 kg/m3,聲速為6 100 m/s,彈性模量為2.886×1011Pa,泊松比為0.253,水密度為1 000 kg/m3,聲速為1 480 m/s。

圖5 柔性超聲相控陣仿真等效模型

柔性探頭的中心頻率為10 MHz,由于軸承套圈尺寸較大且缺陷尺寸很小,為提高超聲相控陣檢測精確度和缺陷檢出率,相控陣陣元數(shù)目選為16。在仿真模型中,設(shè)置點探針在水域中接收超聲回波信號，依次將16個陣元編號[11]并添加如圖6所示的陣元延遲時間,以此實現(xiàn)聲波的偏轉(zhuǎn)和聚焦。仿真中陣元激勵信號采用高斯脈沖信號,即

圖6 不同陣元延遲時間示意圖

(7)

3.4 仿真模型參數(shù)設(shè)置

在參數(shù)設(shè)置中,將表1中的延遲時間以“壓力值”的方式施加給每個陣元,以此控制合成聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。

表1 不同陣元延遲時間

在網(wǎng)格劃分中,為減少求解時間并保證求解精度,對水域進行映射網(wǎng)格劃分,對套圈和缺陷進行自由三角形網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格尺寸均為λ/5。

設(shè)置瞬態(tài)研究的時間步長為0.05 μs,起始時間點為0,結(jié)束時間點為13.5～15.0 μs。研究中采用默認求解器配置,設(shè)置參數(shù)后點擊計算進行模型求解與運算。

由于軸承外徑面到鍛溝之間的距離約為20 mm,孔洞和裂紋缺陷分布在兩者之間,為更好檢出套圈心部的缺陷,設(shè)定合成聲束聚集深度為10～20 mm、聲束偏轉(zhuǎn)角度為5°～20°。聲束聚焦深度20 mm、偏轉(zhuǎn)角度20°條件下,Φ2 mm孔洞缺陷和1.0 mm×0.5 mm裂紋缺陷的仿真過程分別如圖7、圖8所示,仿真流程圖展現(xiàn)了缺陷被逐漸檢測的過程,圖注為仿真時間節(jié)點。

(a) 3.70 μs (b) 6.85 μs

(a) 7.10 μs (b) 8.20 μs

在聲波傳播過程中,聲波經(jīng)水層傳遞到套圈內(nèi)部,改變聲波在套圈內(nèi)的折射角度和聚焦深度可以控制聲束在套圈中檢測的區(qū)域和位置。Φ2 mm孔洞缺陷在聚焦深度10 mm、偏轉(zhuǎn)角度5°條件下的仿真過程如圖9所示。

(a) 5.85 μs (b) 9.85 μs

分析上述仿真結(jié)果可知:對軸承套圈進行檢測時,柔性超聲相控陣技術(shù)能夠控制聲波在套圈中按照不同的偏轉(zhuǎn)角度進行傳播并檢測缺陷;當聲波在套圈中傳播并遇到缺陷時,由于套圈與缺陷的材料不同,即聲阻抗大小不同,聲波會按照反射定律在缺陷表面進行反射,并由傳感器各陣元接收,進而在A掃信號中依據(jù)缺陷回波與表面回波之間的檢測時間差值計算判定缺陷位置。

4 結(jié)果分析

4.1缺陷類型對比

仿真結(jié)束后,將Φ2 mm孔洞缺陷和1.0 mm×0.5 mm裂紋缺陷以及共同存在2種缺陷時的超聲A信號進行對比,結(jié)果如圖10所示:柔性超聲相控陣技術(shù)能夠準確檢測出孔洞缺陷和裂紋缺陷;對于孔洞缺陷,由于距離套圈外表面位置較近,缺陷信號與表面波信號有部分重疊;對于裂紋缺陷,由于幾何形狀不同,聲波反射的方向性較強,探針接收到的回波能量較少,聲壓值較小;當裂紋缺陷與孔洞缺陷重疊時,缺陷形貌更加復雜,重疊部分形狀不規(guī)則且反射了更多的聲波,缺陷反射波的形狀與裂紋、孔洞單個缺陷的反射波不同且具有更大的聲壓值。

圖10 不同類型缺陷回波A信號仿真對比圖

4.2 偏轉(zhuǎn)角度對比

聚焦深度為10 mm時,Φ2 mm孔洞缺陷在不同偏轉(zhuǎn)角度下的回波A信號如圖11所示:由于點探針的位置固定,隨著偏轉(zhuǎn)角度的變化接收到缺陷回波信號的時間和能量均有所不同;當聲束的聚焦深度為10 mm、偏轉(zhuǎn)角度為10°時,缺陷回波信號的幅值最大,效果最明顯。

圖11 Φ2 mm孔洞缺陷不同偏轉(zhuǎn)角度下的回波A信號

4.3 聚焦深度對比

Φ2 mm孔洞缺陷在不同聚焦深度下的回波A信號如圖12所示:在合成聲束偏轉(zhuǎn)角度固定、聚焦深度分別為10,20 mm的時間延遲法則條件下,缺陷回波所對應的波峰位置、缺陷位置、反射聲壓均存在差異,即軸承套圈內(nèi)聲波的反射角度和能量具有明顯的差異;聚焦深度為10 mm的缺陷回波具有更高的幅值且易于檢測,聚焦深度為20 mm的缺陷回波則更早被觀測到;因此,在保證缺陷回波幅度可觀測的前提下,適當提高聲波的聚焦深度可以更快速發(fā)現(xiàn)缺陷。

(a) 偏轉(zhuǎn)角度5°

4.4 缺陷尺寸對比

在合成聲束偏轉(zhuǎn)角度為10°,聚焦深度為10 mm的條件下,不同尺寸孔洞缺陷的回波A信號如圖13所示:Φ6 mm孔洞缺陷的回波信號幅值最大且最早被觀測到,隨著缺陷尺寸的減小,缺陷回波信號的幅值和時間節(jié)點呈現(xiàn)遞減趨勢變化。

圖13 不同孔洞缺陷的回波A信號

4.5 小結(jié)

仿真對比結(jié)果表明,柔性超聲相控陣能夠?qū)崿F(xiàn)套圈內(nèi)部缺陷大小和位置的定性分析。當軸承套圈近表面和遠表面區(qū)域存在細小的孔洞、裂紋缺陷時,可針對性的確定檢測范圍并設(shè)定合成聲束的聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角度,實現(xiàn)2種缺陷對應波峰位置的精確定位并獲得較強的反射回波值,從而準確檢出缺陷。

5 結(jié)論

采用柔性超聲相控陣技術(shù)對軸承套圈內(nèi)部不同類型的缺陷開展數(shù)值計算,通過仿真分析得到以下結(jié)論:

1)使用陣元數(shù)目為16的柔性超聲相控陣換能器能檢出軸承套圈內(nèi)部不同種類(孔洞缺陷、裂紋缺陷)、位置和尺寸的缺陷,適用范圍廣,可避免重復定制傳統(tǒng)相控陣探頭。

2)在確定不同類型缺陷大致位置的基礎(chǔ)上,通過測量聲束傳播路徑和聲束與陣元中心線間的夾角,可以實現(xiàn)合成聲束聚焦深度和偏轉(zhuǎn)角度的精確控制,提高缺陷檢測效率和檢出率。

3)柔性超聲相控陣技術(shù)可對各類尺寸的孔洞缺陷和裂紋缺陷進行檢測,在計算延遲時間時,改變換能器中陣元的數(shù)目、寬度、間距和中心頻率等參數(shù)均會對聲場的偏轉(zhuǎn)和聚焦特性產(chǎn)生影響。