CN111896628B - 一种氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法，包括以下步骤：1）设定超声波探头的检测深度，该检测深度为距氮化硅陶瓷球表面的深度，该检测深度小于等于氮化硅陶瓷球的半径，设定氮化硅陶瓷球上单次扫描区域的大小，用超声波探头对氮化硅陶瓷球的所述扫描区域进行单次C扫描；2）转动氮化硅陶瓷球，用所述超声波探头对氮化硅陶瓷球进行多次C扫描，直至对氮化硅陶瓷球各处均进行C扫描，结合C扫描的图像检测氮化硅陶瓷球中所述检测深度范围内的质量。通过设定超声波探头的检测深度，能够对氮化硅陶瓷球设定深度的区域进行C扫描，从而检测该深度范围内的质量。

Description

一种氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法

技术领域

本发明涉及一种氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法。

背景技术

风电机组的主轴、齿轮箱、发电机等部位所装配的轴承，由于高空作业难度大，需要较长的检修时间、花费昂贵的检修成本，因此一旦发生故障会严重影响机组的使用率和风电场的发电量。

在风力发电机中，带齿轮箱异步交流发电机组由于杂散电流的作用，常常会在轴承套圈和滚动体上产生电蚀，并引起轴承故障。采用滚动元件由氮化硅陶瓷（Si₃N₄）、套圈采用轴承钢制造的混合陶瓷轴承可以消除电蚀，降低维修成本，提高运行效率，延长轴承寿命。

氮化硅轴承球的表面及亚表面的质量对轴承的寿命有重要的影响。轴承球表面的孔洞、裂纹、加工缺陷等可以通过显微镜目视检查，但内部的质量严重影响轴承球的接触疲劳寿命。目前常规的电磁探伤等无损检测方法，无法对内部缺陷进行检测。

授权公告号为CN207114482U的中国实用新型专利公开了一种用于球形工件的超声波探伤检测装置，包括用来固定支撑球形工件的定位支架，还包括旋转器，旋转器为半圆弧形结构，旋转器上安装有多个超声波探头。使用时，转动旋转器，由于旋转器为半圆弧形结构，可以与球形工件形成高度的配合，从各个方向对球形工件进行充分的扫描。

现有技术中，通过多个超声波探头能够对球形工件进行充分扫描，但是，超声波探头数量较多，成本较高，另外，由于球形工件固定放置，球形工件有与定位支架配合的部分，该部分无法进行超声波扫描，导致球形工件的扫描容易出现死角部分，无法完成全方位的扫描。

发明内容

本发明的目的在于提供一种氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法，以解决现有技术的检测装置成本较高、无法实现全方位检测的技术问题。

为实现上述目的，本发明氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法的技术方案是：一种氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法，包括以下步骤：

1）设定超声波探头的检测深度，该检测深度为距氮化硅陶瓷球表面的深度，该检测深度小于等于氮化硅陶瓷球的半径，设定氮化硅陶瓷球上单次扫描区域的大小，用超声波探头对氮化硅陶瓷球的所述扫描区域进行单次C扫描；

2）转动氮化硅陶瓷球，用所述超声波探头对氮化硅陶瓷球进行多次C扫描，直至对氮化硅陶瓷球各处均进行C扫描，结合C扫描的图像检测氮化硅陶瓷球中所述检测深度范围内的质量。

本发明的有益效果是：通过设定超声波探头的检测深度，能够对氮化硅陶瓷球设定深度范围内的区域进行C扫描，从而检测该深度范围内的质量。通过设定单次扫描区域，并转动氮化硅陶瓷球，能够对氮化硅陶瓷球的各个扫描区域依次进行C扫描，实现对氮化硅陶瓷球的全方位检测。与现有技术相比，仅需一个探头，成本更低，另外，在检测时是转动氮化硅陶瓷球，能够对氮化硅陶瓷球的各处均进行扫描检测，不会存在死角位置，实现全方位扫描检测。

作为进一步优化的方案，步骤1）中，在设定氮化硅陶瓷球单次扫描区域时，先用超声波探头对整个氮化硅陶瓷球进行C扫描，根据C扫描图像，选取其中无杂波和气泡干扰的最大区域，以该最大区域作为氮化硅陶瓷球上单次扫描区域。

本方案的效果在于，通过先对整个氮化硅陶瓷球进行C扫描，然后选取最大区域作为单次扫描区域，能够在保证无杂波和气泡干扰的前提下，扩大单次扫描区域的面积，减少扫描的次数，节省时间。

作为进一步优化的方案，所述扫描区域为A×A的正方形区域，转动氮化硅陶瓷球时，单次转动的角度为2×arcsin(A/D)，其中，D为氮化硅陶瓷球的直径。

本方案的效果在于，通过将扫描区域和转动角度结合起来，能够避免出现死角并避免出现重叠，节省时间。

作为进一步优化的方案，步骤1）中，设定超声波探头的检测深度前，用超声波探头对与氮化硅陶瓷球材质相同、已知高度的试块进行A扫描，根据A扫描图像计算该材质内纵波速度；设定超声波探头的检测深度时，根据纵波速度选取超声波扫描显微镜中设定时间的回波信号。

本方案的效果在于，通过计算氮化硅陶瓷球中的纵波速度，能够将检测深度与超声波扫描显微镜的设定时间结合起来，从而得到该设定时间的回波信号。

附图说明

图1为本发明氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法实施例1中超声波探头A扫描区域的示意图；

图2为本发明氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法实施例1中整体C扫描氮化硅陶瓷球时的图像；

附图标记说明：1-氮化硅陶瓷球；2-可检测区域；3-反射杂波。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

本发明的氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法的具体实施例1：

如图1和图2所示，本实施例中利用超声波扫描显微镜对氮化硅陶瓷球的内部进行无损检测。本实施例中氮化硅陶瓷球的直径为50.8mm。

氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法采用的设备有超声波扫描显微镜和表面展开机构，超声波扫描显微镜包括超声波探头，发射纵波并进行接收。表面展开机构能够驱动氮化硅陶瓷球绕相垂直的两个轴线转动，以使氮化硅陶瓷球的各部位均能与超声波探头进行对应。无论是超声波扫描显微镜还是表面展开机构均为现有技术，在此不再赘述。

如图1所示，超声波探头朝氮化硅陶瓷球1发出纵波后，可检测区域2如图所示，同时在其他的部分会存在反射杂波3。

氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法包括以下步骤：

步骤一：将具有已知高度的氮化硅材质的试块浸没于水中，调节超声波扫描显微镜中换能器（即超声波探头）的位置，使待检测的氮化硅试块位于换能器的焦点，并对氮化硅试块进行某一超声波频率下的A扫描，根据所得的超声波扫描图像，计算设定超声波频率下超声波在氮化硅材质内的纵波速度。步骤一中，采用频率为100MHz，焦距f=12.7mm的换能器，根据所得的超声波扫描图像，计算在该氮化硅材质内的纵波速度为11152m/s。

步骤二：将待测的氮化硅陶瓷球置于表面展开机构上，并将氮化硅陶瓷球及表面展开机构浸没于水中。步骤二中，表面展开机构可以选取现有技术中常见的表面展开机构，比如可以选用授权公告号为CN208303269U的中国实用新型专利中的表面展开检测机构，本实施例中，由于表面展开机构需要放入水中，应选择能够防水的表面展开机构，或者对表面展开机构进行防水处理。

步骤三：设定超声波的检测深度，检测深度为距氮化硅陶瓷球表面的深度。步骤三中，先设定氮化硅陶瓷球需要检测的深度，根据步骤一中计算得出的纵波速度，根据纵波速度和检测深度计算超声波信号传到该深度并反射回换能器时所需的时间，截取该时间所对应的回波信号。步骤三中，设定氮化硅陶瓷球需要检测的深度为25mm，其他实施例中，深度可以为20-25mm，或者可以更小，深度均小于氮化硅陶瓷球的半径，即不需要对氮化硅陶瓷球的中心位置进行检测，原因在于，影响氮化硅陶瓷球质量的部位大多为表面或亚表面。其他实施例中，需要检测的深度设定值可以等于氮化硅陶瓷球的半径。

步骤四：对待测的氮化硅陶瓷球进行整体C扫描，根据所测的超声波扫描图像，选择无杂波和气泡的单次扫描区域，并计算面积。步骤四中，如图2所示，在对氮化硅陶瓷球进行整体C扫描后发现，在C扫描图像中显示出较多的杂波以及气泡，为方便后续的计算机图形处理，在图像中截取出最大的无干扰区域作为单次扫描区域。本实施例中，无干扰的最大区域面积为6mm×6mm。在后续的整个扫描过程中，换能器单次扫描的区域面积均为6mm×6mm。

步骤五：用换能器对氮化硅陶瓷球进行全方位扫描，C扫描过程中，先进行一次C扫描，然后旋转2×arcsin(6/50.8)角度，之后用换能器再进行一次C扫描，之后绕相垂直的轴线旋转2×arcsin(6/50.8)角度，之后依次类推，即采用表面展开机构绕相垂直的两个轴线交替转动氮化硅陶瓷球，单次转动的角度均一致，直至实现对氮化硅陶瓷球每个扫描区域均进行超声波C扫描，并结合图像检测氮化硅陶瓷球检测深度范围内的质量。

定义单次扫描区域为A×A的正方形区域，轴承球直径为D，本实施例中的A=6mm，D=50.8mm。

本实施例中仅以一种数值来阐述检测方法，应当说明的是，数值可以根据实际情况进行改变。

本发明氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法的具体实施例2：

本实施例中，A值可以根据实际情况进行增减，而且，单次扫描区域也可以为长宽不等的长方形。

本发明氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法的具体实施例3：

实施例1中，在对轴承球进行C扫描前，通过对已知高度、材质相同的试块进行A扫描，来计算纵波速度，其他实施例中，当氮化硅陶瓷球中纵波速度已知的情况下，可以取消这一步骤。

本发明氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法的具体实施例4：

实施例1中，表面展开机构和氮化硅陶瓷球均浸没在水中，本实施例中，氮化硅陶瓷球必须浸没在水中，而表面展开机构可以部分浸没在水中。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）设定超声波探头的检测深度，该检测深度为距氮化硅陶瓷球表面的深度，该检测深度小于等于氮化硅陶瓷球的半径，设定氮化硅陶瓷球上单次扫描区域的大小，用超声波探头对氮化硅陶瓷球的所述扫描区域进行单次C扫描；

2）转动氮化硅陶瓷球，用所述超声波探头对氮化硅陶瓷球进行多次C扫描，直至对氮化硅陶瓷球各处均进行C扫描，结合C扫描的图像检测氮化硅陶瓷球中所述检测深度范围内的质量；

所述扫描区域为A×A的正方形区域，转动氮化硅陶瓷球时，单次转动的角度为2×arcsin(A/D)，其中，D为氮化硅陶瓷球的直径；C扫描过程中，先进行一次C扫描，然后旋转2×arcsin(A/D)角度，之后再进行一次C扫描，之后绕相垂直的轴线旋转2×arcsin(A/D)角度，之后依次类推，绕相垂直的两个轴线交替转动氮化硅陶瓷球，单次转动的角度均一致，直至实现对氮化硅陶瓷球每个扫描区域均进行超声波C扫描。

2.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法，其特征在于：步骤1）中，在设定氮化硅陶瓷球单次扫描区域时，先用超声波探头对整个氮化硅陶瓷球进行C扫描，根据C扫描图像，选取其中无杂波和气泡干扰的最大区域，以该最大区域作为氮化硅陶瓷球上单次扫描区域。

3.根据权利要求1或2所述的氮化硅陶瓷球超声波无损检测方法，其特征在于：步骤1）中，设定超声波探头的检测深度前，用超声波探头对与氮化硅陶瓷球材质相同、已知高度的试块进行A扫描，根据A扫描图像计算该材质内纵波速度；设定超声波探头的检测深度时，根据纵波速度选取超声波扫描显微镜中设定时间的回波信号。