面向再制造工程的無(wú)損檢測(cè)方法與應(yīng)用研究進(jìn)展

丁立紅，雷衛(wèi)寧，錢海峰

(江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

0 引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷深入和世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，資源的可持續(xù)利用成為全人類面臨的重大難題[1]，是符合科學(xué)發(fā)展觀的一種新型的發(fā)展模式，從而再制造業(yè)應(yīng)運(yùn)而生。再制造技術(shù)是以產(chǎn)品的壽命周期設(shè)計(jì)和管理為指導(dǎo)，以廢舊產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)性能和外觀的跨越式提升為目的，以高品質(zhì)、高效率、低能耗、綠色環(huán)保為原則，以先進(jìn)技術(shù)和量化生產(chǎn)為手段，對(duì)廢舊產(chǎn)品進(jìn)行修復(fù)和改造的一項(xiàng)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)[2]。

無(wú)損檢測(cè)是在不損傷被檢測(cè)對(duì)象的條件下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在的異?；蛉毕菟鸬膶?duì)熱、光、電、磁、聲、等的反應(yīng)，來(lái)探測(cè)各種零部件內(nèi)部和表面缺陷，并對(duì)缺陷的類型、性質(zhì)、形狀、數(shù)量、尺寸、位置、分布等做出判斷和評(píng)價(jià)[4]。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦流檢測(cè)、滲透檢測(cè)等五大檢測(cè)技術(shù)[3]。

1 無(wú)損檢測(cè)方法

1.1 超聲檢測(cè)

超聲波檢測(cè)是利用材料本身或內(nèi)部缺陷的聲學(xué)性質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響，非破壞性地檢測(cè)材料內(nèi)部和表面的缺陷。超聲檢測(cè)對(duì)于金屬、非金屬、復(fù)合材料內(nèi)部缺陷的檢測(cè)都非常有效，是主要的無(wú)損檢測(cè)方法之一。

1.2 磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)是磁性材料被磁化后，因工件上存在不連續(xù)性，其表面和近表面的磁力線會(huì)發(fā)生局部畸變而產(chǎn)生漏磁場(chǎng)，吸附在表面的磁粉會(huì)形成可見(jiàn)的磁痕，從而進(jìn)行檢測(cè)的方法。

1.3 射線檢測(cè)

射線檢測(cè)是依據(jù)被檢測(cè)工件由于成分、密度、厚度等的不同，對(duì)射線產(chǎn)生不同的散射或吸收的特性，對(duì)被檢工件的質(zhì)量、尺寸、特性等作出判斷。射線檢測(cè)是檢測(cè)零件內(nèi)部缺陷的一種比較有效的方法之一，X、Y射線和中子射線檢測(cè)方法應(yīng)用較多。

1.4 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)是利用電磁感應(yīng)原理，通過(guò)測(cè)定被檢工件內(nèi)感生渦流的變化來(lái)無(wú)損評(píng)定導(dǎo)電材料及其工件的某些性能，或發(fā)現(xiàn)缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法。渦流檢測(cè)可用于表面或近表面缺陷的無(wú)損檢測(cè)，也可用于材料選擇、測(cè)量厚度和測(cè)定電導(dǎo)率等。

1.5 滲透檢測(cè)

由于毛細(xì)作用，滲透液滲入到細(xì)小的表面開(kāi)口缺陷中，清除工件表面的多余滲透液，干燥后施加顯像劑，缺陷中的滲透液在毛細(xì)現(xiàn)象的作用下被重新吸附到零件表面上，就形成放大了的缺陷顯示。滲透檢測(cè)主要用于檢測(cè)非疏孔性的金屬或非金屬零部件的表面開(kāi)口缺陷[5]。

除了常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)外，無(wú)損檢測(cè)還有包括了一些已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)中的技術(shù)，例如:磁記憶檢測(cè)技術(shù)、微波檢測(cè)、聲發(fā)射檢測(cè)、磁彈性檢測(cè)、工業(yè)內(nèi)窺鏡檢測(cè)、噪聲檢測(cè)、激光全息檢測(cè)等。

2 無(wú)損檢測(cè)在再制造領(lǐng)域的應(yīng)用

各種無(wú)損檢測(cè)技術(shù)與其它技術(shù)相配合，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的失效機(jī)理，從而為再制造產(chǎn)品的性能改進(jìn)提供重要的依據(jù)。無(wú)損檢測(cè)工程包括再制造毛坯的質(zhì)量檢測(cè)、再制造加工過(guò)程的優(yōu)化和在線監(jiān)控、再制造成品的無(wú)損檢測(cè)和破壞性抽檢等。應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以對(duì)非連續(xù)加工、連續(xù)加工的再制造零部件進(jìn)行實(shí)時(shí)的質(zhì)量控制，快速查出次品，降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。[4，6]

不同的無(wú)損檢測(cè)方法有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，適用于不同方面的應(yīng)用，為了更直觀地表達(dá)，整理如表1所示。[7－12]

表1 無(wú)損檢測(cè)優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用

2.1 無(wú)損檢測(cè)對(duì)再制造廢舊驅(qū)動(dòng)橋殼方面的應(yīng)用[13]

驅(qū)動(dòng)橋殼在焊縫處熔池凝固是非平衡結(jié)晶，冷卻速度快，結(jié)晶時(shí)化學(xué)成分不能及時(shí)擴(kuò)散，導(dǎo)致在焊接后極易出現(xiàn)成分偏析現(xiàn)象[14]，在熔合區(qū)成分不均勻更為明顯;彈簧座與殼體圓弧過(guò)渡處則會(huì)在沖壓成形時(shí)出現(xiàn)塑性變形，在車橋運(yùn)行過(guò)程中成為斷裂危險(xiǎn)區(qū)域，過(guò)渡弧外側(cè)受拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力，汽車運(yùn)行時(shí)，橋殼受加載力、扭轉(zhuǎn)力。故在疲勞載荷作用下驅(qū)動(dòng)橋殼最易損壞的位置為半軸套管與橋殼本體焊縫處、彈簧座與殼體圓弧過(guò)渡處，兩處危險(xiǎn)區(qū)。

隨機(jī)抽取2根廢舊驅(qū)動(dòng)橋殼，對(duì)半軸套管與橋殼本體焊縫處(A檢測(cè)區(qū))+彈簧座與殼體圓弧過(guò)渡處(B檢測(cè)區(qū))進(jìn)行磁記憶檢測(cè)。檢測(cè)A區(qū)時(shí)，探頭垂直沿半軸套管母線方向在焊縫附近區(qū)域檢測(cè);檢測(cè)B區(qū)時(shí)，探頭垂直沿橋殼軸向檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)探頭移動(dòng)方向保持一致，提離高度為1 mm，移動(dòng)速度為8 mm/s。橋殼變形量通過(guò)測(cè)量橋殼高度差的方法來(lái)測(cè)定，橋殼兩端半軸套管用支撐環(huán)支承，旋轉(zhuǎn)橋殼，采用高度游標(biāo)卡尺測(cè)量加強(qiáng)環(huán)中心點(diǎn)a的上下偏差，如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)橋殼檢測(cè)示意圖

檢測(cè)區(qū)A、B的檢測(cè)結(jié)果，各個(gè)廢舊橋殼檢測(cè)區(qū)A沿橋殼母線檢測(cè)得到的梯度分布如圖2(a)，檢測(cè)區(qū)B沿橋殼母線檢測(cè)得到的梯度分布如圖2(b)。(橫坐標(biāo)為檢測(cè)長(zhǎng)度L;縱坐標(biāo)為梯度K)

圖2 橋殼檢測(cè)區(qū)梯度K

結(jié)果表明，在同一檢測(cè)環(huán)境下，不同變形量的廢舊橋殼與磁記憶特征信號(hào)表現(xiàn)出一定的相關(guān)性。由圖像我們可以進(jìn)一步得到，在疲勞載荷下彈簧座處塑性變形情況更加嚴(yán)重。

2.2 無(wú)損檢測(cè)在再制造毛坯殘余應(yīng)力檢測(cè)方面的應(yīng)用[15]

在再制造毛坯中由于蠕變和疲勞而產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，而殘余應(yīng)力的集中程度是對(duì)毛坯進(jìn)行篩選、再制造的重要因素[16]。無(wú)損檢測(cè)中的金屬磁記憶檢測(cè)在應(yīng)力集中區(qū)有明顯的磁記憶特異性信號(hào)，在應(yīng)力集中區(qū)域的Hp值有較大的躍變，應(yīng)力集中的程度可用磁場(chǎng)梯度K來(lái)表示，同時(shí)輔助以磁感應(yīng)強(qiáng)度Hp信號(hào)的峰值ΔHp對(duì)構(gòu)件應(yīng)力集中程度進(jìn)行測(cè)定[17]。(ΔHp根據(jù)磁記憶檢測(cè)中的波形圖取值;ΔLk為2個(gè)測(cè)點(diǎn)之間距離)

2.3 無(wú)損檢測(cè)對(duì)鋼疲勞裂紋擴(kuò)展檢測(cè)的應(yīng)用

黃海鴻[18]等人，以510L鋼為研究對(duì)象，采集裂紋擴(kuò)展過(guò)程各個(gè)區(qū)域的磁記憶信號(hào)，計(jì)算裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，分析疲勞斷口形貌，研究出磁記憶方法對(duì)鐵磁材料裂紋擴(kuò)展檢測(cè)與疲勞損傷的可行性，并建立裂紋尖端磁記憶信號(hào)梯度Kmax值和應(yīng)力強(qiáng)度因子KI之間的關(guān)系。結(jié)果表明:試樣宏觀切口處的磁記憶信號(hào)特征量比裂紋尖端應(yīng)力集中處的磁記憶信號(hào)特征量明顯;Kmax和KI在疲勞循環(huán)累積下均呈指數(shù)形式增加，從斷裂力學(xué)角度說(shuō)明Kmax反映疲勞累積損傷的可行性;磁記憶信號(hào)特征量ΔHp(y)及Kmax反映了經(jīng)過(guò)不同服役期鋼不同損傷情況，為再制造修復(fù)和加工提供依據(jù)。

3 無(wú)損檢測(cè)的研究現(xiàn)狀及展望

無(wú)損檢測(cè)經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，即無(wú)損檢查、無(wú)損檢測(cè)、無(wú)損評(píng)價(jià)。目前無(wú)損檢測(cè)技術(shù)也逐步以無(wú)損評(píng)價(jià)來(lái)代替無(wú)損探傷和無(wú)損檢測(cè)[4，20]。

射線檢測(cè)極大地拓寬了無(wú)損檢測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域，引進(jìn)了計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)后的射線檢測(cè)，得到的圖像質(zhì)量能與膠片圖像質(zhì)量相媲美。

磁記憶檢測(cè)是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的一門新技術(shù)，通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)的檢測(cè)，就可對(duì)構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力集中區(qū)域做出判斷，從而達(dá)到早期診斷的目的[19]。這對(duì)于再制造產(chǎn)品有著特別重要的意義，因?yàn)榻?jīng)過(guò)再制造的產(chǎn)品，均不同程度地存在著應(yīng)力集中，使其在運(yùn)行過(guò)程中存在著極大的安全隱患，而磁記憶技術(shù)可以對(duì)應(yīng)力集中做出判斷，從而避免隱患發(fā)展成事故。

無(wú)損檢測(cè)中的聲發(fā)射檢測(cè)和紅外檢測(cè)都是非接觸性在線監(jiān)測(cè)，這些也是近期無(wú)損檢測(cè)研究的重點(diǎn)。無(wú)損智能在線檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)對(duì)大型、精密裝備運(yùn)行在線檢測(cè)分析，對(duì)其壽命(失效)進(jìn)行智能預(yù)測(cè)，增強(qiáng)裝備運(yùn)行的可靠性。

總之，無(wú)損檢測(cè)已經(jīng)成為再制造中的一部分，而且可以預(yù)見(jiàn)兩者之間的聯(lián)系必將越來(lái)越緊密。

4 結(jié)語(yǔ)

本文分別介紹了超聲檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、射線檢測(cè)、渦流檢測(cè)、滲透檢測(cè)的原理及其應(yīng)用，并且介紹了無(wú)損檢測(cè)的幾方面具體應(yīng)用，最主要是磁記憶檢測(cè)的應(yīng)用，該無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的。當(dāng)然，隨著科技的不斷發(fā)展，再制造無(wú)損檢測(cè)必將有更多的應(yīng)用與發(fā)展。

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