葉輪相控陣超聲檢測方法

董世運, 朱學耕, 徐濱士, 潘 亮

(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)

葉輪相控陣超聲檢測方法

董世運, 朱學耕, 徐濱士, 潘 亮

(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)

為排除閉式葉輪的質量隱患，基于超聲脈沖反射法原理，利用相控陣超聲檢測技術，并通過CIVA11.0軟件對聲波在工件中的傳播、聲場的分布以及聲波與缺陷的相互作用進行模擬，進而優化實驗方案，最后利用縱波聚焦掃描對人工預置平底孔進行檢測。結果表明：利用相控陣超聲檢測技術在葉輪內腔對輪盤進行檢測，缺陷信號明顯，缺陷定位精度高，為葉輪質量控制提供了一種參考方法。

葉輪；相控陣超聲；CIVA；缺陷檢測

閉式葉輪是壓縮機的重要組成部件，它通過高速旋轉將機械能轉換為氣體的內能與動能[1]。由于葉輪復雜的服役環境，其承載著巨大的離心力、彎曲應力、振動應力等交變載荷，易出現疲勞裂紋與沖蝕磨損[2-3]。對葉輪表面宏觀裂紋以及沖蝕磨損直接用肉眼就能觀察，然而對葉輪的微細裂紋以及內部的氣孔、夾雜直接用肉眼是無法觀察的，且為保證其結構的完整性，需要用無損手段對其進行檢測。常用的無損檢測方法中，滲透檢測只能夠檢測葉輪表面的微細裂紋[4]；渦流檢測和磁粉檢測只能檢測葉輪表面以及近表面缺陷[5-6]；射線檢測雖然能夠檢測葉輪內部缺陷[7]，但其檢測成本太高，且對人體具有輻射性。

為了控制葉輪質量和提高經濟效益，必須選擇正確的檢測手段，及時檢測出存在的危險。超聲波檢測因其具有靈敏度高、穿透能力強、分辨率好、檢測速度快、成本低、設備簡單和對人體無害等一系列優點而被廣泛應用于工件的內部缺陷檢測[8]。同時，傳統超聲檢測探頭的單一聲束很難滿足復雜幾何形狀的葉輪缺陷檢測，但相控陣超聲聲束具有聚焦和偏轉的特性，在解決復雜幾何形狀零件缺陷檢測中具有很大的優勢[9-10]。因此，筆者基于傳統超聲脈沖反射法原理，利用相控陣超聲檢測技術對葉輪輪盤內部缺陷檢測進行探索研究。

1 相控陣超聲模擬檢測

1.1 楔塊設計

壓縮機葉輪的幾何形狀比較復雜，葉輪內腔呈圓柱狀，輪盤端面為平面但空間較小。相控陣探頭在檢測中需要連接楔塊，因此檢測中需要較大的空間。為了對輪盤進行完全檢測，選擇將探頭放置在葉輪的內腔。常用的楔塊工作面為平面，而葉輪內腔具有一定的曲率，為了使探頭與工件之間更好地耦合，需要設計專用凸形楔塊，其中：楔塊的長、寬需滿足相控陣探頭的連接，楔塊的厚度需根據檢測深度設計。運用Snell公式等分析計算超聲相控陣探頭楔塊厚度，其設計原則[11]為

(1)

式中：v1=5 900 m/s，為工件中的聲速；v2=2 237 m/s，為楔塊內的聲速；h1=65 mm，為工件內的檢測深度；經計算h2=25 mm，為楔塊的厚度。

根據計算結果并結合實際相控陣探頭的大小，采用有機玻璃材料制作的實際楔塊如圖1所示，其中：楔塊的長度a=65 mm，寬度b=32 mm，高度h=25 mm，曲率半徑r=68 mm。

圖1 實際楔塊

1.2 超聲波在葉輪中的傳播

超聲波是一種機械波，其傳播特性與光波有所區別。為了對超聲波在工件中的傳播有更加清晰的認識，以及了解其聲場分布情況，對葉輪結構進行簡化并在此基礎上進行建模，然后將其簡化模型導入CIVA11.0軟件，采用聲線模型[12]模擬聲波在工件中的傳播情況。圖2為縱波在葉輪中的傳播過程，可以看出：聲波垂直入射到輪盤以及葉片內部，聲波與輪盤以及葉片相互作用后沿著入射路徑返回，由于輪盤以及葉片的幾何形狀比較復雜，葉片有彎曲部分，當聲波與曲面相互作用后，有一部分聲波反射到其他方向。

圖2 縱波在工件中的傳播過程

1.3 掃描方式選擇

線性掃描與聚焦掃描是相控陣電子掃描2種重要的掃描方式，二者的差異主要是延時率的不同。為了選擇恰當的掃描方式，將其參數設置為：激發晶片為第1個晶片，每組激發16個晶片，掃描步進為1個晶片;其中聚焦掃描的聚焦深度為10 mm，掃描過程中采用縱波。圖3為線性掃描的聲場分布，可以看出：1)聲場分布在輪盤以及葉片內，且輪盤內的聲波強度相對較弱，能量不夠集中，這是由于聲波在傳播過程中因聲程差引起干涉而使聲波信號加強；2)葉片內聲束較寬，這是因為聲波在傳播過程中向四周發散而使聲束變寬，符合聲波的傳播特性。

圖3 線性掃描聲場分布

采用聚焦掃描時，其聲場分布如圖4所示，可以看出:1)聲波強度在葉片以及輪盤中得到明顯增強，但是葉片中的聲波強度仍然較強,這符合聚焦聲束的特性;2)與線性掃描聲場不同的是輪盤中的聲束比較窄，聲波能量比較集中，散射能量較少，這是由于改變延時率后聲波在輪盤內發生干涉，輪盤內聲束寬度變窄,其橫向分辨率增高，有利于缺陷的檢測。

圖4 聚焦掃描聲場分布

超聲波信號強度越大,越有利于缺陷的發現。為了更好地比較線性掃描與聚焦掃描聲波能量的分布情況，對其聲束軸線聲壓進行分析，如圖5所示。可以看出：2種掃描方式的聲壓曲線分布趨勢基本相同，均是先變強后變弱；在距離為32.1 mm以內時，聚焦掃描的聲壓強度明顯高于線性掃描，32.1 mm后則低于線性掃描。由于葉輪輪盤中缺陷距離其內腔壁在32.1 mm以內，而聲壓越高，則能量越強，越利于缺陷的檢測，因此采用聚焦掃描。

圖5 聲束軸線聲壓分布

1.4 聲波與缺陷的相互作用

在葉輪的輪盤處預置直徑0.6 mm、深10 mm的平底孔，采用縱波聚焦掃描，其檢測時的掃描參數與聚焦掃描聲場模擬時的參數設置相對應。聲波與缺陷的相互作用如圖6所示，可以看出：聲波與缺陷相互作用后，一部分沿著入射路徑返回，被晶片接收；一部分向其他方向反射，此部分能量基本損耗。

圖6 聲波與缺陷作用示意圖

1.5 缺陷檢測模擬

采用聚焦掃描對預置缺陷進行檢測模擬，探頭參數為：中心頻率f=5 MHz，陣元個數n=64，陣元間隙d=0.1 mm，陣元寬度a=0.5 mm，陣元長度b=10 mm。矩形聲源近場長度公式為

(2)

式中：N為近場長度;Fs為聲源面積;λ為波長。

由式(2)可求出N=1.33 mm。近場區中含有若干個聲壓極大值和極小值，不利于缺陷的定位與定量，而輪盤內的缺陷易出現在靠近葉根處，其所處深度遠大于聲場的近場長度，所以缺陷檢測并不會受到影響。探頭的檢測參數設置與聚焦掃描聲場模擬時一致，檢測結果如圖7所示。從圖7可以看出：輪盤中沒有缺陷處的工件材料比較均勻，聲波反射信號強度沒有發生突變，所形成的聲波B信號如圖中a所示；在預置缺陷處，聲波信號強度發生了比較明顯的變化，所形成的聲波B信號如圖中b所示。

圖7 缺陷模擬檢測結果

2 實驗驗證

葉輪材料為FV520B，聲波在其內部的傳播速度為5 900 m/s，其內腔直徑為136 mm。在距離葉輪內腔壁13.8 mm處，預置人工缺陷平底孔，其直徑為0.6 mm，深為10 mm，位置如圖8所示。將Olympus5L64A2型相控陣探頭與凸形楔塊連接，另一端通過電纜與Multi2000相控陣超聲檢測儀相連接，然后放置在葉輪的內腔，如圖9所示。在缺陷實際

圖8 人工缺陷平底孔位置

圖9 探頭放置

檢測過程中，采用縱波聚焦掃描，探頭參數以及聚焦掃描參數設置與缺陷模擬檢測時一致。運行設備后，檢測結果如圖10所示，可以看出：顯示結果與缺陷模擬檢測結果相對應，并可以初步判斷出底部紅色信號T為端面反射信號B顯示圖，紅色信號F為缺陷信號。為了更清楚地判斷缺陷信號，取某一時刻缺陷的A信號顯示圖進行分析，如圖11所示。

圖10 缺陷實際檢測結果

圖11 缺陷A信號顯示圖

由圖11可以看出：在聲程為0 mm處有明顯的回波信號，此處的聲波為端面回波，與圖10中底部紅色信號T相對應；在聲程為13.68 mm處有一明顯的較強回波信號，與圖10中紅色信號F相對應，根據預置缺陷的實際位置，可判定此回波信號為缺陷信號。根據檢測結果判斷出的缺陷位置與實際位置相比，其誤差僅為0.9%，精度較高。

3 結論

為實現壓縮機葉輪的質量控制，利用縱波聚焦掃描葉輪的內腔，完成了葉輪輪盤內部缺陷的檢測，檢測精度較高，為葉輪以及具有相似結構的工件提供了一種實際可行的檢測方法。然而，實驗中只考慮了直孔缺陷，而實際中工件內的缺陷形式比較復雜，對于輪盤內斜的孔狀缺陷或者面狀缺陷，采用何種波形、掃描方式以及需要設計何種楔塊將是下一步需要探索的重要內容。

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(責任編輯:尚菲菲)

Ultrasonic Testing Method for the Impeller Phased Array

DONG Shi-yun, ZHU Xue-Geng, XU Bin-shi, PAN Liang

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

In order to eliminate the quality hidden danger of enclosed impeller, based on the principle of ultrasonic pulse reflection method, the paper uses phased array ultrasonic testing technology to simulate the sound wave propagation in impeller, sound field distribution and interaction between defect and sound wave by CIVA11.0 for optimizing the experiment plan, at last, the artificial flat bottom hole is detected by longitudinal wave focus scanning. Detection result shows that the phased array ultrasonic testing technology is utilized to detect the turbine disc through impeller inner cavity and finds that signal of defect is evident and the locating precision of defect is high, which provides a reference method for impeller quality control.

impeller; phased array ultrasonic; CIVA; defect detection

1672-1497(2015)04-0093-04

2015-03-19

國家“973”計劃項目(2011CB013403; 2011CB013405)

董世運(1973-)，男，研究員，博士。

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.04.019