CN108956775A - 一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，通过对超声波探头进行校准，并绘制TCG曲线，提高灵敏度后再通过水浸法超声波探伤法对待测轴承件进行探伤，得到的A型扫描图和C型扫描图与TCG曲线进行对比，得出待测轴承件的缺陷位置。本发明采用高零敏度、高分辨力的水浸法超声波探伤法，能够检测到轴承钢材料内部的缺陷，经检验本发明在检测灵敏度不低于Φ0.4‑10dB的情况下，可以有效保证内部缺陷的检出，且经过理化分析，证明检测方法是可靠的，能够用于工业生产中。

Description

一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法

技术领域

本发明属于超声波检测领域，具体涉及一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法。

背景技术

某机三支点轴承件在使用中常出现外轨道内圈金属脱落，造成滑油污染，堵塞滑油滤网，引起滑油传感器报警，影响发动机使用。经分析内圈金属脱落为零件内部锻造缺陷扩展所致，而该零件在装机前未进行无损探伤，因此为了保证轴承轨道及其内部质量，需考虑对其进行无损检测。在目前的五大常规检测方法中，渗透、磁粉和涡流检测主要是检测表面及近表面缺陷，因此不考虑采用该三种方法，而射线检测虽然对零件结构没有特殊要求，且检测灵敏度较高，但是对于这种锻造类缺陷不敏感，容易造成漏检。基于以上考虑，只有采用超声波进行检测。

该轴承件初期原材料形状较为简单，对检测需求不高。随着制造加工，其形面变的较为复杂，其内壁呈现U型，由于超声检测需要接收回波的特点，因此对检测面、探头的选择要求极为高。同时由于其制造材料的自身属性，在检测时需要发现较小缺陷就应该采用较高的检测灵敏度。较高的灵敏度需要特殊频率的探头，且带来的噪声增加。由于国内目前还没有现行的轴承钢无损检测标准可供参考，而且该零件之前一直未进行过无损检测，因此开展超声检测面临极大地难度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，能够发现此类复杂型面轴承件的内部缺陷。

为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：

步骤一，将超声波探头置于第一基准试块上，并将反射波高调至阈值，此时灵敏度为基准灵敏度；

步骤二，不改变基准灵敏度，记录其余各基准块的反射波高为阈值时的增益值，完成TCG曲线的绘制；

步骤三，将灵敏度增益提高，对待测轴承件采用水浸法超声波探伤，进行A型扫描和C型扫描，生成A型扫描图和C型扫描图；

步骤四，对待测轴承件的A型扫描图和C型扫描图与TCG曲线进行对比，得出待测轴承件的缺陷位置。

采用水浸法超声波探伤的超声波探头前部设置有声透镜。

步骤三中，对待测轴承件进行A型扫描和C型扫描时，记录反射波高超过30％的显示信号，并标记在轴承件的表面。

步骤三中，采用水浸法超声波探伤时，将超声波探头从待测轴承件的外圆方向垂直入射。

基准试块为六个，基准试块内均埋藏有平底孔，平底孔孔径大小为Φ0.4mm，平底孔埋深分别为：0.060inch，0.125inch，0.250inch，0.50inch，1.000inch，1.500inch。

超声波探头的频率为10MHz，探测范围为1.5mm-38.1mm。

A型扫描能够得到纵波垂直入射检验时显示缺陷的深度，以及用来判断缺陷的当量尺寸回波幅度的大小。

B型扫描能够得到某一深度范围缺陷的二维形状与分布。

反射波高的阈值为80％。

步骤三中，灵敏度增益提高10dB。

与现有技术相比，本发明通过对超声波探头进行校准，并绘制TCG曲线，提高灵敏度后再通过水浸法超声波探伤法对待测轴承件进行探伤，得到的A型扫描图和C型扫描图与TCG曲线进行对比，得出待测轴承件的缺陷位置。本发明采用高零敏度、高分辨力的水浸法超声波探伤法，能够检测到轴承钢材料内部的缺陷，经检验本发明在检测灵敏度不低于Φ0.4-10dB的情况下，可以有效保证内部缺陷的检出，且经过理化分析，证明检测方法是可靠的，能够用于工业生产中。

进一步的，本发明在超声波探头前部设置声透镜，产生聚焦声束，成为聚焦探头。聚焦使声束在某一深度范围内直径变窄，声强增高，可提高局部区域的检测灵敏度与信噪比以及横向分辨力，在C扫描检测中可以提高图像的分辨率。聚焦探头的能量集中，发现小缺陷的能力强。

进一步的，本发明的超声波探头从待测轴承件的外圆方向垂直入射，能使声束轴线与缺陷的主反射面接近垂直，这对缺陷的检测是最为有利的。

附图说明

图1为本发明中超声波探头所采集的声场剖面图；

图2为待测轴承件A型扫描图；

图3为待测轴承件C型扫描图；

图4为无缺陷的轴承件C型扫描图；

图5为有缺陷的轴承件C型扫描图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明包括以下步骤：

步骤一，将超声波探头置于第一基准试块上，并将反射波高调至阈值，此时灵敏度为基准灵敏度；

步骤二，不改变基准灵敏度，记录其余各基准块的反射波高为阈值时的增益值，完成TCG曲线的绘制；

步骤三，将灵敏度增益提高，对待测轴承件采用水浸法超声波探伤，进行A型扫描和C型扫描，生成A型扫描图和C型扫描图；

步骤四，对待测轴承件的A型扫描图和C型扫描图与TCG曲线进行对比，得出待测轴承件的缺陷位置。

待测轴承件属于环形件，毛坯时内外壁表面光滑，上下端面平行，表面加工余量较小，约为2mm。成品时壁厚较小，且内壁加工轨道，带有曲率很小的圆弧面。

环形件可采用接触法和水浸法进行检验。随着计算机技术的发展，以及人们对于水浸法便于实现自动化检测、人为因素少、检测可靠性高的特点的认识的不断加深，那些要求高分辨力、高灵敏度和高可靠性检测的重要件，越来越多地采用水浸法进行检测。轴承钢材料由于内部缺陷较小，且该轴承的表面加工余量仅为2mm，检测时必须采用高零敏度、高分辨力以保证所有微小缺陷的检出，因此，适宜采用水浸法进行检测。

为了检测材料中的微小缺陷，关键是要提高小缺陷反射的超声信号幅度和信噪比。为了达到这一点，我们需要采用超声聚焦检测，由于聚焦声束在焦区能量高度集中，声压明显提高，因而小缺陷反射幅度高，其次，声束穿过的基体材料体积较小。相应引起的散射噪声也较小，使得信噪比较好。这样可明显提高小缺陷检测的灵敏度和信噪比，如图1所示。

综上，水浸聚焦检测技术可很好地满足该轴承高灵敏度，高信噪比的检测要求。

超声波的频率在很大程度上决定了超声波对缺陷的探测能力。频率高时，波长短、声束窄、扩散角小、能量集中，发现小缺陷的能力强，横向分辨力号，缺陷定位准确。

几种常用水浸探头的参数如表1所示，由于该轴承厚度和余量较小，为提高信噪比，适合选择10MHz的频率进行探伤。

表1常用水浸探头的参数

探头型号	频率	检测范围
			IX-0519GB	5MHz	3.2mm-50.8mm
IHM	5MHz	6.35mm-101.6mm
			HGE-5827-A	10MHz	1.5mm-38.1mm

在水浸平探头前加上声透镜则可产生聚焦声束，成为聚焦探头。聚焦使声束在某一深度范围内直径变窄，声强增高，可提高局部区域的检测灵敏度与信噪比以及横向分辨力，在C型扫描检测中可以提高图像的分辨率。聚焦探头的能量集中，发现小缺陷的能力强。

由于采用高频水浸聚焦检测，因此选择的检测仪应具有较大的频带宽度，低噪声电平，发射脉冲可调为窄脉冲和高阻尼。为了对零件实施完全的检测，检测设备应能够方便轴承件的装夹，系统至少具有A型扫描和C型扫描这两种显示模式，以方便缺陷的评定。为此，我们选择了以色列SCANMASTER公司的盘环件超声水浸检测系统，型号为LS200-LP，该系统精度高，具有专业化的程序软件，适宜高灵敏度下环形件的水浸探伤。

实施例：

由于该零件是首次进行超声波检测，且检测灵敏度高，需要采用同材料不同埋藏深度的一组距离幅度试块来调节灵敏度，根据该零件的加工余量和检测厚度，最终采用4013316-417试块，试块内埋藏的平底孔孔径大小为Φ0.4mm，孔深1.5mm-40mm。

检测面的选择首先考虑缺陷的最大可能取向。如果缺陷的主反射面与试件的某一表面近似平行，则选用从该表面入射的垂直入射纵波，能使声束轴线与缺陷的主反射面接近垂直，这对缺陷的检测是最为有利的。由于该零件的缺陷主要是沿着平行于圆周的方向分布，因此，宜采用从外圆方向垂直入射的纵波进行检测。

将4013316-417的前6个试块(缺陷埋深分别为：0.060inch，0.125inch，0.250inch，0.50inch，1.000inch，1.500inch)按照厚度由小到大的顺序依次摆放在试块架上，首先将HGE-5827-A探头置于第一个试块上，将最浅孔(埋深为0.060inch即1.52mm)的最高反射波高调至80％，此时灵敏度为基准灵敏度，之后不改变基准灵敏度，记录其余各孔的波高达到80％时的增益值，完成TCG曲线的绘制。

曲线制作完毕后，为了达到较高的检测灵敏度(一般不低于Φ0.4-10dB)，需再将增益提高10dB。

为防止漏检，检测时对波高超过30％的显示信号进行记录，包括缺陷的埋深，大小并在零件上定位，标记出缺陷表面位置。

对该轴承进行超声波检测，显示方式为两种：A型扫描和C型扫描。

A扫描方式：将超声信号的幅度与传播时间的关系以直角坐标的形式显示出来。横坐标为时间，纵坐标为信号幅度。水浸法检测的传播介质是水，超声波在均质材料中传播，声速是恒定的，则传播时间可转变为传播距离。因此，从A型扫描能够得到反射面距声入射面的距离(纵波垂直入射检验时显示缺陷的深度)，以及回波幅度的大小(用来判断缺陷的当量尺寸)。轴承超声波检测的检测方向是沿轴向扫查，从A型扫描图中可读出缺陷的埋深和当量大小，如图2所示。

C型扫描方式：试件的一个平面投影图，探头在试件表面作二维扫查，显示屏的二维坐标对应探头的扫查位置。在每一探头移动位置，将某一深度范围的信号幅度用电子门选出，用亮度或颜色代表信号的幅度大小，显示在对应的探头位置上，则可得到某一深度范围缺陷的二维形状与分布，如图3所示。

图像底部有一条色带，不同的颜色代表不同大小的信号幅度。如果零件内部无缺陷或者材质均匀，则C型扫描图像的显示会很均匀，颜色也基本相同。反之，若在C型扫描图像上发现局部颜色与周围呈现的颜色不同的部位，则需将探头移动到该反射信号处，结合其A型扫描图像进行评定，若A型扫描图上界面波和底波之间有反射波存在，则一般被认为是缺陷反射信号，此刻探头的位置即认为是缺陷所在部位。

实验结果：

检测对象：80件三支点轴承试验件

检测结果：该80件试验件采用超声法水浸法聚焦检测，其中45件合格，35件发现有明显的缺陷信号。

无缺陷零件C扫描图像如图4所示，缺陷件的C扫描图像如图5所示。

上图中缺陷埋深为3.35mm，距边缘位置为34mm，当量大小为Ф0.4-8dB，且该缺陷显示信号成片状显示，为密集型缺陷。对该缺陷件进行理化失效分析，结果为夹渣缺陷。

对该航空发动机三支点轴承件采用水浸超声聚焦检测技术，在检测灵敏度不低于Φ0.4-10dB的情况下，可以有效保证内部缺陷的检出，且经过理化分析，证明检测方法是可靠的，能够用于工业生产中。

Claims (10)

1.一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，将超声波探头置于第一基准试块上，并将反射波高调至阈值，此时灵敏度为基准灵敏度；

步骤二，不改变基准灵敏度，记录其余各基准块的反射波高为阈值时的增益值，完成TCG曲线的绘制；

步骤三，将灵敏度增益提高，对待测轴承件采用水浸法超声波探伤，进行A型扫描和C型扫描，生成A型扫描图和C型扫描图；

步骤四，对待测轴承件的A型扫描图和C型扫描图与TCG曲线进行对比，得出待测轴承件的缺陷位置。

2.根据权利要求1所述的一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，其特征在于，采用水浸法超声波探伤的超声波探头前部设置有声透镜。

3.根据权利要求1所述的一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，其特征在于，步骤三中，对待测轴承件进行A型扫描和C型扫描时，记录反射波高超过30％的显示信号，并标记在轴承件的表面。

4.根据权利要求1所述的一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，其特征在于，步骤三中，采用水浸法超声波探伤时，将超声波探头从待测轴承件的外圆方向垂直入射。

5.根据权利要求1所述的一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，其特征在于，基准试块为六个，基准试块内均埋藏有平底孔，平底孔孔径大小为Φ0.4mm，平底孔埋深分别为：0.060inch，0.125inch，0.250inch，0.50inch，1.000inch，1.500inch。

6.根据权利要求1所述的一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，其特征在于，超声波探头的频率为10MHz，探测范围为1.5mm-38.1mm。

7.根据权利要求1所述的一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，其特征在于，A型扫描能够得到纵波垂直入射检验时显示缺陷的深度，以及用来判断缺陷的当量尺寸回波幅度的大小。

8.根据权利要求1所述的一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，其特征在于，B型扫描能够得到某一深度范围缺陷的二维形状与分布。

9.根据权利要求1所述的一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，其特征在于，反射波高的阈值为80％。

10.根据权利要求1所述的一种发动机复杂型面轴承件的高灵敏度超声波检测方法，其特征在于，步骤三中，灵敏度增益提高10dB。