基于CIVA的曲軸R角缺陷相控陣超聲檢測方法

董世運，潘 亮，徐濱士，薛 楠

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京100072)

曲軸在服役過程中受到彎曲疲勞載荷的作用，R角部位容易萌生裂紋［1］。為此，對廢舊發動機曲軸進行再制造［2］之前，必須對其易損傷部位進行無損檢測和壽命評估，以判斷其再制造的價值及再制造過程中應該主要修復的具體位置。相控陣超聲由于具有對聲束偏轉和聚焦的可控功能，已經在工業各個領域廣泛應用于復雜零部件的缺陷檢測［3］。然而超聲波在材料內部傳播時不具有可視性，所以隨著相控陣延遲控制的不同，聲波在三維空間中的傳播路徑較為抽象。而且針對具體復雜零件進行損傷檢測時，往往需要根據零件的材料、結構、尺寸及缺陷特征設計不同的檢測方法。因此，進行相控陣超聲檢測之前，應該首先進行仿真試驗［4］研究;通過對不同仿真檢測的結果進行分析，判定檢測方法的可行性，從而正確地指導實際檢測工作的合理進行，避免缺陷誤判及漏檢。

試驗基于商業超聲仿真檢測軟件 CIVA［5-6］，對曲軸R角損傷部位進行仿真檢測，提出針對曲軸R角損傷部位的定量檢測方法，并進行了試驗驗證。

1 曲軸R角損傷機理分析

曲軸的曲柄臂與連桿軸頸之間的內側R角部位，由于服役過程中受到較大的拉伸、剪切力，而且應力集中較為嚴重，因此成為疲勞源。在彎曲疲勞載荷的作用下，裂紋萌生后，將從其萌生源沿應力最大方向縱深不斷擴展，且一般與曲柄臂成45°方向，最終導致曲軸斷裂［1］失效，其裂紋形貌如圖1所示。

圖1 裂紋形貌示意圖

觀察曲軸斷口形貌，裂紋擴展區域呈現橢圓形狀，且裂紋兩邊深度較小而中心深度較大。分析認為:這主要是由于曲軸R角處的裂紋萌生之后，在拉應力的作用下向兩邊及內部逐漸擴展。通過對曲軸進行疲勞載荷試驗及斷口形貌分析發現:當R角處裂紋擴展深度大于10 mm，服役過程中的曲軸將進入瞬斷階段，即有馬上斷裂的危險。因此，裂紋深度h成為再制造之前對曲軸R角損傷部位檢測時最為關注的尺寸參數。

2 仿真檢測試驗

2.1 檢測方案制定

結合曲軸實際結構尺寸和相控陣超聲檢測的特點，針對圖2中的易損傷R角處裂紋，依據探頭可能布置的位置(①、②、③)提出了3種檢測技術方案，其中:位置①為主軸頸上遠離連桿軸頸的一側;位置②為主軸頸上靠近連桿軸頸的一側;位置③為連桿軸頸上遠離主軸頸一側。

圖2 曲軸部分簡化模型

值得注意的是:基于CIVA軟件的實際仿真3D建模能力，為了實現復雜零件各部位的檢測，在保證待檢測區域尺寸和幾何結構特點正確的條件下，仿真試驗中必須對曲軸進行拆分變形。已知曲軸上各段主軸頸與連桿軸頸的長度相同且內部都存在油孔。排除油孔及加工圓角的影響，經測量，探頭中心距離曲柄臂的距離不能超過20 mm，因此試驗中必須保證探頭及楔塊的尺寸規格盡量小。

2.2 仿真檢測實施

2.2.1 方案1

1)試驗前可行性評估

主軸頸表面較為光滑，便于探頭與表面進行耦合;考慮到各結構處的尺寸數據，經計算，縱波聲束偏轉23°即可探測到易損傷R角位置，且不存在油孔、連通孔的影響，因此理論上認為在位置①處可實現對R角處缺陷的檢測。

2)相關設備及檢測方式

已知待檢測曲軸材料為合金結構鋼42CrMo，對聲波的衰減較小;曲軸主軸頸和連桿軸頸的半徑分別為50 mm和41 mm，且由于受到探頭可布置空間條件的限制，試驗在保證聲束指向性的前提下選用晶片數目較少的探頭，并對楔塊規格進行合理設計。

探頭型號為線陣5L-16(5 MHz，16個陣元);選用半徑r=50 mm的凹面0°楔塊;聲束控制為0°～40°縱波扇形掃查。

3)檢測結果及分析

圖3為探頭置于位置①時的仿真簡化結構圖，在曲軸易損傷R角處預置深度為10 mm的人工裂紋，裂紋傾斜角度為45°。由于主軸頸內部油孔可能對聲束的傳播產生影響，所以檢測時應盡可能地將探頭布置在靠近曲柄臂一側。從圖3(a)中可以看出:扇形掃查時，入射波聲束與裂紋平面夾角較大，這有利于縱波在裂紋端點處形成回波信號。

圖3 探頭置于位置①時仿真簡化結構

圖4為進行缺陷檢測時的S掃成像，可以看出:裂紋開口與R角構成新端角反射回波信號、裂紋端點衍射回波信號及主軸頸上探頭所在位置對面一側的底面回波信號，且經測量，端角反射回波信號和端點衍射回波信號的強度分別為2.9×10-2和2.3×10-2。

圖4 方案1中缺陷檢測的S掃成像

已知通過S掃圖像可以測量2個端部回波信號之間的橫向距離a和縱向距離b，因此可計算易損傷R角處的裂紋深度h:

2.2.2 方案2

1)試驗前可行性評估

主軸頸表面較為光滑，便于探頭與表面進行耦合;考慮到各結構處的尺寸數據，經計算，橫波聲束偏轉51°即可探測到易損傷R角位置，且不存在油孔、連通孔的影響，因此理論上認為在位置②處可以實現對R角處缺陷的檢測。

2)相關設備及檢測方式

探頭型號為線陣5L-16(5 MHz，16個陣元);選用半徑r=50 mm的凹面55°楔塊;聲束控制為40°～70°橫波扇形掃查。

3)檢測結果及分析

圖5為探頭置于位置②時的仿真簡化結構圖，可以看出:在40°～70°范圍內的橫波聲束完全覆蓋了易損傷R角部位及其附近的沉割槽;部分聲束基本垂直入射在R角及沉割槽部位，很容易形成幾何反射回波被探頭接收。圖6為預置裂紋前后的S掃成像。由圖6(a)可見:在R角及沉割槽部位形成了強烈的“假缺陷”信號。圖6(b)在預置了45°方向10 mm裂紋后，沉割槽處的信號強度不變，而R角處的幾何反射回波信號(端角反射信號)強度有所減小;同時在裂紋端點處產生了微弱的衍射信號，其強度為5.3×10-3。這主要是因為R角處產生裂紋后改變了原先幾何反射回波的聲路，從而導致被探頭接收的反射回波強度發生變化;而裂紋走向與入射波聲束夾角較小，所以只能產生較為微弱的端點衍射信號。

圖5 探頭置于位置②時仿真簡化結構

圖6 預置裂紋前后的S掃成像

2.2.3 方案3

1)試驗前可行性評估

連桿軸頸表面較為光滑，便于探頭與表面進行耦合。雖然存在連通孔對聲束傳播的遮擋影響，但由于面陣探頭可以進行多角度聲束控制，合理的聲束偏轉亦可避開連通孔的遮擋影響，所以理論上認為位置③處可以實現對R角處缺陷的檢測。

2)相關設備及檢測方式

探頭型號為面陣5L-8×8(5 MHz，8×8個陣元);選用半徑r=41 mm的凹面0°楔塊;聲束控制為橫向(探頭前后方向)10°～25°縱波扇形掃查，同時縱向(探頭左右方向)20°聲束偏轉。

3)檢測結果及分析

圖7為在位置③處分別以線陣和面陣探頭進行檢測時的仿真簡化結構圖，其中圖7(a)中探頭1和2為不同位置處的同一線陣探頭。由7(a)、(b)可知:由于聲波沿直線傳播，且線陣探頭只能進行1個自由度的聲束控制，因此當線陣探頭置于位置1時，其發射聲波因受到連通孔的遮擋而全部反射;雖然當線陣探頭繞連桿軸頸轉動一定角度α于位置2時，其發射聲波避開了連通孔的遮擋影響，但同時也避開了R角處的缺陷區域，造成缺陷漏檢。

圖7 探頭置于位置③時仿真簡化結構

圖7(c)、(d)中使用面陣探頭對聲束進行2個自由度的控制，既有橫向的扇形掃查，又對掃查聲束進行縱向偏轉，可以解決線陣探頭檢測時缺陷漏檢的問題。其S掃成像如圖8所示，可以看到預置裂紋端部的2個回波信號。但由于該檢測方式下，缺陷反射回波與入射聲波不在同一平面，造成探頭對缺陷回波接收困難，所以此處端點衍射信號和端角反射信號強度分別僅為1.5×10-4和1.1×10-4。

圖8 方案3中缺陷檢測的S掃成像

2.3 方案評價

理論上，上述3個方案都可以通過式(1)計算出R角裂紋的深度，但各方案中裂紋回波信號的強度并不相同。試驗以各方案中端點衍射信號的強度作為參考進行對比，通過分貝換算公式計算可知:方案2和方案3中端點衍射信號的強度分別是方案1中端點衍射信號強度的-13 dB和-44 dB。假設方案1中端點衍射信號強度為實際檢測過程中儀器某增益P下掃查成像的門檻值，即認為該衍射信號強度為實際缺陷成像的臨界強度，那么實際檢測過程中應該在檢測增益P設置的基礎上，分別再調大檢測增益13 dB和44 dB，對信號強度進行放大，才能使方案2和3中的端點衍射信號得以成像，從而實現裂紋端點位置的圖像標定。

圖4和圖6中裂紋端部回波信號成像形貌與裂紋方位的關系如圖9所示。

圖9 信號成像與裂紋的方位關系

由圖9可以看出:2種方案中裂紋端部回波信號的成像形貌有所不同，從而導致裂紋端部2個回波信號間的可分辨距離不同;且方案2中信號的可分辨距離c2明顯大于方案1中信號的可分辨距離c1。由于回波信號的成像本身具有一定寬度，所以當裂紋深度較小時，與方案1相比，方案2可以解決2個信號重疊而無法實現裂紋深度測量的問題。

由于實際檢測過程中儀器增益的調節具有一定范圍，且當檢測增益調節過大時，將出現強烈的電子噪聲信號，所以從實際檢測過程中缺陷信號成像的角度，方案3的可行性較低。雖然與方案1相比，方案2中裂紋的回波信號強度稍微小些，但從裂紋端部回波信號成像分辨性的角度考慮，方案2更具有一定優勢。

3 試驗驗證

在曲軸易損傷R角位置，采用線切割的方式預置與曲柄臂成45°方向的5 mm深人工裂紋。選擇仿真檢測中可行性較高的方案1和方案2中的相關設備及檢測方式進行實際相控陣超聲檢測，結果如圖10所示。

圖10 實際檢測成像

由圖10可知:實際檢測中出現了仿真檢測的各幾何回波和缺陷回波信號。已知方案1是儀器檢測增益為70 dB設置下的檢測結果，為了使圖10(b)中裂紋端點衍射信號與圖10(a)中裂紋端點衍射信號具有相同的強度幅值，試驗中方案2的儀器檢測增益調整到了81 dB，這與仿真試驗中對端點衍射信號強度的判定結果相似。

對圖10(a)的圖幅進行調整，使其與圖10(b)成為等比例圖像，并截取裂紋的回波信號與圖10(b)中裂紋回波信號進行對比，結果如圖10(c)所示?？梢园l現:方案1中裂紋端部回波信號的可分辨距離明顯小于方案2，不便于裂紋深度的定量測量。因此，在實際檢測增益調整允許的情況下，方案2為曲軸R角裂紋檢測的最優方案。經多次測量端角反射信號及端點衍射信號中心點的坐標位置，在求取平均值的情況下，最終計算得到裂紋深度為5.18 mm，與實際尺寸較為接近。

4 結論

1)針對復雜結構零部件的相控陣超聲檢測，仿真軟件CIVA能夠直觀地為聲束范圍的控制、回波信號的判定及缺陷信號成像研究提供一定理論依據，從而更加合理地指導缺陷實際檢測方法的設計。

2)在實際檢測儀器增益調節范圍有限的條件下，仿真檢測成像中的缺陷信號在實際檢測成像中不一定都能出現，所以必須以仿真檢測中某一參照回波信號強度作為缺陷實際可檢測的門檻值，并與其他信號強度進行對比，從而根據仿真檢測中的缺陷數據，實現較低可行性方案的有效排除。

3)將線陣探頭布置在主軸頸上靠近連桿軸頸的一側，通過扇形掃查的檢測方式，可實現曲軸R角裂紋深度的最佳有效測量。

［1］ 周迅.曲軸疲勞行為及可靠性的理論與試驗研究［D］.杭州:浙江大學，2006.

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