曲軸R角缺陷的超聲相控陣快速檢測

付汝龍，陳建華，林丹源，林齊梅，曾慶勛

(廣東汕頭超聲電子股份有限公司 超聲儀器分公司，汕頭 515041)

曲軸R角缺陷的超聲相控陣快速檢測

付汝龍，陳建華，林丹源，林齊梅，曾慶勛

(廣東汕頭超聲電子股份有限公司 超聲儀器分公司，汕頭 515041)

為了實現發動機曲軸R角部位的快速掃查檢測，在CTS-PA22A型超聲相控陣檢測儀上，開發了具有曲軸R角部位3D聲束仿真模型的曲軸檢測專用模塊，并在曲軸R角部位設置了切槽和通孔人工缺陷。超聲相控陣檢測結果表明，采用具有專用曲軸模塊的相控陣扇形掃描檢測方式，可以實現對曲軸R角缺陷的快速有效檢測，同時結合曲軸R角部位3D仿真模型,可實現曲軸R角缺陷的精確定位。

曲軸R角；超聲相控陣；3D聲束仿真模型；扇形掃描

曲軸R角部位缺陷的常規超聲檢測，是在普通斜探頭的基礎上增加了一個側向傾角，使得超聲波同時向前方和側方發射，便于實現對曲軸R角處的檢測[1]。

曲軸R角缺陷的超聲相控陣檢測不同于常規的超聲檢測，其采用多聲束掃描的方式。并且，為了驗證檢測工藝是否滿足要求，其需要對受檢件建模并進行聲束覆蓋仿真；為了實現曲軸連桿軸頸R角處缺陷的檢測，需要通過超聲檢測仿真軟件，獲得最佳的檢測參數；而且，通過軟件仿真，可以正確指導檢測工作合理進行[2-4]。

雖然，仿真軟件可以實現檢測參數的優化，但是對于檢測結果的分析，需要采用輔助軟件對缺陷進行定位，使缺陷位置顯示更直觀，這樣也有利于缺陷的判別[5]。

筆者將曲軸R角部位3D聲束仿真模型內置到CTS-PA22A型超聲相控陣檢測儀上，以實現對曲軸R角缺陷的快速、有效檢測。

1 超聲相控陣檢測原理

超聲相控陣檢測使用的相控陣探頭由多個晶片按一定的規律分布排列，通過軟件可以單獨控制每個晶片的激發時間，從而控制發射超聲波束(波陣面)的形狀和方向，實現超聲波的波束掃描、偏轉和聚焦；因此，超聲相控陣可以檢測出不同方位及取向的缺陷，這些缺陷可能隨機分布在遠離聲束軸線的位置上。

筆者采用的扇形掃描又稱方位掃描或角掃描，該掃描是使陣列中相同晶片組發射的聲束對某一聚焦深度在掃描范圍內移動，聚焦點的軌跡為圓弧曲線，扇形掃描原理如圖1(a)所示(圖中d為陣元間距，A為激勵孔徑；N為陣元數目；f為聚焦深度；α為角度范圍；θ為角度步進)。扇形掃描可以實現工件整個斷面的顯示掃查，不同角度和不同深度位置的缺陷均可檢測出來，典型的扇形掃描圖像如圖1(b)所示。

圖1 相控陣扇形掃描原理及掃描圖像

扇形掃查具有良好的聲束可達性，不需要復雜的掃查裝置或更換探頭，不移動探頭或盡量少移動探頭就可實現厚大工件和形狀復雜工件的整個體積或所關心區域的多角度多方向掃查，是解決可達性差、空間受限及結構復雜工件檢測的有效手段，因而是檢測曲軸R角部位缺陷的理想掃查方式。

2 曲軸3D仿真模型設計

圖2 曲軸工件實物及簡化結構示意

2.1 曲軸工件 采用的某型曲軸實物及簡化結構如圖2所示。根據曲軸R角缺陷部位實現檢測的對比要求，在曲軸的R角部位設置4個人工缺陷，缺陷位置如圖2(b)所示，曲軸有8個R角部位，在位置2與位置8分別設置了深度10 mm和5 mm，傾斜角度均為45°的線切割槽來模擬表面裂紋，在位置4和位置6各設置了一個直徑為2 mm的通孔來模擬內部缺陷。

2.2 計算機軟件仿真

采用某計算機仿真軟件對曲軸8個R角部位進行聲束仿真，扇形掃描角度范圍均為0°～45°。根據人工缺陷的設置，位置1和8配對，位置2和7配對，位置3和6配對，位置4和5配對。其中對位置1，8，3，6分別進行檢測時，相控陣探頭放在主軸頸位置的聲束仿真圖像如圖3所示，從位置1和8的聲束仿真結果可知，位置8的線切割槽阻擋了部分聲束；從位置3和6的聲束仿真可知，位置6的通孔阻擋了部分聲束。

圖3 相控陣探頭放置在主軸頸位置的聲束仿真圖像

當對位置2，7，4，5進行檢測時，相控陣探頭放置在連桿軸頸位置的聲束仿真圖像如圖4所示，從位置2和7的聲束仿真可知，位置2的線切割槽阻擋了部分聲束；從位置4和5的聲束仿真可知，位置4的通孔阻擋了部分聲束。

圖4 相控陣探頭放置在連桿軸頸位置的聲束仿真圖像

2.3 曲軸3D仿真軟件設計

通過計算機仿真軟件的仿真，相控陣探頭放置的位置有兩個，一個是主軸頸位置，另一個是連桿軸頸位置。將探頭放置在主軸頸位置進行檢測時，可采用與連桿軸頸位置相同的檢測工藝仿真參數；同樣將探頭放置在連桿軸頸位置進行檢測時，也可采用與主軸頸位置相同的檢測工藝仿真參數。因此可以簡化曲軸仿真工藝，將曲軸簡化為3個部分：主軸、曲壁、連桿軸。通過分別設置主軸、曲壁和連桿軸的參數即可實現各類曲軸工件的3D建模。

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完成工件的建模后，可以在工件模型上設置探頭、楔塊的參數，選擇探頭放置位置，設置扇形掃描參數，完成超聲聲束的覆蓋仿真。仿真時，相控陣探頭可以在軸頸上實現軸向移動和周向移動，以實現檢測位置的精確定位；同時工件模型可分別沿x軸、y軸、z軸三個方向旋轉，可進行放大和縮小，可以在屏幕任意位置平移，可切換查看三視圖，所有的參數調節均實現觸屏操作。因此，設計的曲軸檢測工藝仿真軟件提供了探頭、楔塊、工件、掃查等菜單的設置；其中探頭菜單可以選擇內置在儀器里的相控陣探頭型號，楔塊菜單可以選擇內置在儀器里的相控陣楔塊型號，工件菜單可以分別設置連桿軸、曲壁、主軸的具體參數，掃查菜單可以設置扇形掃查參數及探頭位置參數；同時，通過觸控儀器屏幕右側的快捷圖標(包括x/y/z軸旋轉、放大/縮小、平移、三視圖切換、還原等)可在屏幕上左右滑動，從各個方向查看仿真模型和具體細節。

探頭位于連桿軸頸位置的曲軸3D模型仿真圖像如圖5所示。

圖5 探頭位于連桿軸頸位置的曲軸3D模型仿真圖像

探頭放置在主軸頸位置的曲軸3D模型仿真圖像如圖6所示。

圖6 探頭位于主軸頸位置的曲軸3D模型仿真

3 檢測方法及結果

3.1 檢測方法

采用具有曲軸R角部位3D聲束仿真模型的曲軸檢測專用模塊的CTS-PA22A型超聲相控陣檢測儀，對加工有人工切槽和通孔的曲軸試塊進行檢測。采用的相控陣探頭參數為：頻率2.5 MHz，陣元數16個，陣元間距1 mm，R26.5 mm弧度延時塊，R35 mm 弧度延時塊；采用的曲軸試塊參數為：連桿軸直徑53 mm，主軸直徑70 mm，曲臂厚度20 mm，連桿軸和主軸重合部位8 mm；采用的扇形掃描參數為：扇形掃描角度范圍為0°～45°。由于在曲軸試塊上制作人工缺陷的時候已經考慮到對比的要求，即，同類型部位的檢測兩兩配對，一個設置有人工缺陷，一個不設置人工缺陷；這樣在檢測時可以對比有無缺陷的檢測圖像，驗證采用超聲相控陣檢測方法來檢測曲軸R角缺陷的可靠性。

圖7 檢測設備外觀

檢測設備外觀如圖7所示，儀器視圖顯示包括A掃描窗口、扇形掃描窗口、曲軸3D模型窗口等。A掃描窗口顯示扇形掃描中某個角度聲束位置的A掃描波形，扇形掃描窗口顯示曲軸檢測的扇形掃描圖像，曲軸3D模型窗口顯示曲軸的模型仿真。同時，根據當前聲束角度的波形實時顯示缺陷在模型中的位置，位置的指示采用紅色指示點標識。

3.2 檢測結果

圖8 主軸位置上的超聲相控陣檢測圖像

3.2.1 在主軸位置上檢測結果

在主軸位置上進行檢測時，探頭放置方法如圖3所示，分別針對位置1，8，3，6進行檢測。其中，位置1和8配對，位置8設置有人工切槽缺陷；位置3和6配對，位置6設置有通孔缺陷。

主軸位置上超聲相控陣檢測圖像如圖8所示，圖8(a)為位置6的檢測圖像，由于位置6設置有通孔缺陷，因此檢測圖像中可以看到明顯的通孔回波圖像，且通孔回波圖像在3D模型的指示正好位于R角，與實際情況符合；圖8(b)為位置3的檢測圖像，由于位置3沒有設置人工缺陷，因此檢測圖像中沒有看到可疑回波顯示；圖8(c)為位置8的檢測圖像，位置8設置了切槽人工缺陷，檢測圖像中可以明顯看到切槽的端角回波；圖8(d)為位置1的檢測圖像，由于位置1沒有設置人工缺陷，因此檢測圖像中沒有看到可疑回波顯示。

從圖8的檢測圖像可知，當相控陣探頭放置在主軸位置上進行檢測時，曲軸R角部位是否存在缺陷可從檢測圖像中一目了然，且缺陷的位置在模型中能夠定位顯示，定位位置與實際位置符合。

圖9 連桿軸位置上的超聲相控陣檢測圖像

3.2.2 在連桿軸位置上檢測結果

在連桿軸位置上進行檢測，探頭放置如圖4所示，分別針對位置2，7，4，5進行檢測。檢測圖像如圖9所示，位置2和7配對，位置2設置有人工切槽缺陷；位置4和5配對，位置4設置有通孔缺陷。圖9(a)為位置4的檢測圖像，由于位置4設置有通孔缺陷，因此檢測圖像中可以看到明顯的通孔回波圖像，且通孔回波圖像在3D模型的指示正好位于R角部位，與實際情況符合；圖9(b)為位置5的檢測圖像，由于位置5沒有設置人工缺陷，因此檢測圖像中沒有看到可疑回波顯示；圖9(c)為位置2的檢測圖像，位置2設置了切槽人工缺陷，檢測圖像中可以明顯看到切槽的端角回波；圖9(d)為位置7的檢測圖像，由于位置7沒有設置人工缺陷，因此檢測圖像中沒有看到可疑回波顯示。

從圖9的檢測圖像可知，當相控陣探頭放置在連桿軸位置上進行檢測時，曲軸R角部位是否存在缺陷，從檢測圖像中便可看出，且缺陷的位置在模型中能夠定位顯示，定位的位置與實際位置符合。

圖9(c)圖像中除了切槽端角回波外，在端角回波的右上角仍然有一個疑似缺陷回波。對其進行測量，切槽端角回波參數為深度54.5 mm，水平16.1 mm，疑似缺陷回波參數為深度45.1 mm，水平25.8 mm，這兩個缺陷之間的深度差為9.4 mm，水平差為9.7 mm，從測量結果看這個疑似缺陷回波可能是切槽尖端部位的反射回波，但需要進一步確定。

4 結論

(1) 儀器內置曲軸R角3D仿真模型，在檢測之前需要進行工件建模和聲束仿真，以保障檢測工藝的可靠性。

(2) 通過曲軸R角3D仿真模型與扇形掃描檢測圖像的同屏顯示，用戶可實時定位曲軸R角缺陷位置，輔助缺陷判斷。

(3) 相控陣扇形掃描的多聲束角度特點，能實現曲軸R角部位的全方位覆蓋檢測。檢測時探頭移動可沿主軸頸和連桿軸頸周向旋轉，實現曲軸R角缺陷的快速掃查檢測。

(4) 通過采用具有曲軸3D仿真模型的儀器，可大大降低檢測人員檢測曲軸R角缺陷的難度。

[1] 石常亮,董世運,唐維學,等.廢舊曲軸R角處缺陷的超聲波檢測[J].無損檢測, 2015,37(10):20-23.

[2] 董世運,劉彬,徐濱士,等.舊曲軸缺陷超聲相控陣檢測仿真設計與驗證[C]//無損檢測高等教育發展論壇暨電磁超聲無損檢測技術交流會.[S.l.]:[s.n], 2011.

[3] 董世運,潘亮,徐濱士,等.基于CIVA的曲軸R角缺陷相控陣超聲檢測方法[J].裝甲兵工程學院學報, 2013,27(3):70-74.

[4] 閆曉玲,董曉云,王新月,等.基于超聲相控陣的再制造曲軸缺陷檢測方法研究[J].現代制造工程,2013(10):20-24.

[5] 陸銘慧,鄧勇,劉勛豐.曲軸區域超聲相控陣檢測方法研究[J].中國測試,2016,42(7):97-102.

The Rapid Ultrasonic Phased Array Testing of Crankshaft R-angle Defects

FU Rulong, CHEN Jianhua, LIN Danyuan, LIN Qimei，ZENG Qingxun

(Ultrasonic Instrument Branch, Guangdong Goworld Co., Ltd., Shantou 515041, China)

To achieve the rapid testing of engine crankshaft R-angle defects, the 3D beam simulation model of crankshaft R-angle parts is developed in the CTS-PA22A phased array ultrasonic testing instrument, and crankshaft R-angle parts are made with cutting groove and hole-type artificial defects. The phased array ultrasonic testing experimental results show that the phased array S-scan, which is with crankshaft R-angle parts 3D beam simulation model, can rapidly and effectively test the R-angle defects of the crankshaft, and also can accurately locate the defects.

crankshaft R-angle; ultrasonic phased array; 3D beam simulation model; S-scan

2016-09-12

付汝龍(1982-)，男，碩士，電子工程師(中級)，主要從事超聲無損檢測技術研究工作

付汝龍，rlfu@st-ndt.com

10.11973/wsjc201705009

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0037-05