相控陣技術(shù)對軸承內(nèi)部缺陷性質(zhì)的分析

彭志戰(zhàn)，楊德勝，陳翠麗，陳文君

（1.洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039；2.航空精密軸承國家重點實驗室，河南 洛陽 471039）

1 軸承的無損檢測方法

常用的軸承無損檢測方法包括磁粉、渦流、滲透、超聲波和射線檢測等。磁粉、渦流和滲透檢測方法用于表面缺陷檢測；超聲波和射線檢測方法用于內(nèi)部缺陷檢測。由于射線檢測方法適用于體積型內(nèi)部缺陷，所以常用于焊縫與鑄件檢測，極少用于軸承內(nèi)部缺陷檢測。

采用超聲波對軸承內(nèi)部進行無損檢測時主要根據(jù)超聲波探頭接收的波幅來計算內(nèi)部缺陷的當(dāng)量值以判定缺陷的質(zhì)量等級，這是對缺陷進行定量判別，而很多時候需對缺陷性質(zhì)進行判定，如JB／T 5000.15—2007《重型機械通用技術(shù)條件 第15部分 鍛鋼件無損檢測》中規(guī)定不允許存在過燒、白點、裂紋、縮孔等類型的缺陷，而超聲波檢測對此判定存在難點。最直接的手段是對缺陷解剖后進行分析，這種破壞性檢測既耗費時間，又給企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。

2 相控陣技術(shù)和工業(yè)CT技術(shù)的運用

隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，無損檢測水平得以提高，現(xiàn)可運用相控陣技術(shù)和工業(yè)CT技術(shù)對內(nèi)部缺陷形貌進行圖像顯示，比以往單純的超聲波波形顯示直觀得多。通過圖像形貌的特征去分辨不同類型的內(nèi)部缺陷，不必采用破壞分析即可判斷缺陷性質(zhì)。

對比常規(guī)超聲波檢測技術(shù)，相控陣技術(shù)具有如下優(yōu)點：

1）快速。相控陣線性掃查比常規(guī)探頭的光柵掃查快得多，不但顯著縮短工廠的停工期，還節(jié)省費用。

2）靈活。單個相控陣探頭根據(jù)設(shè)置文件采用不同掃查方式即可檢測不同零件。

3）可進行復(fù)雜檢測。相控陣可檢測幾何型面復(fù)雜的軸承零件。

4）陣列尺寸小。小晶片的陣列在具體檢測中易于應(yīng)用，例如相控陣探頭在轉(zhuǎn)盤軸承齒部的檢測中可克服常規(guī)探頭受空間所限無法檢測的問題。

5）可靠性強。檢測時在工件上移動量越小，檢測系統(tǒng)越可靠。電子掃查代替機械掃查既減少了磨損，又增加了系統(tǒng)的可靠性。

6）方向難以辨別的缺陷可檢測性增強。波束的聚焦增加了信噪比，在扇形掃查中大量A掃數(shù)據(jù)增加每個角度的分辨率，從而增強檢出率。

相控陣技術(shù)除具有一般超聲波的A掃外，又增加了B掃、C掃、D掃和S掃。S掃使內(nèi)部缺陷顯示具有直觀性，更易于判斷。

工業(yè)CT技術(shù)不但能準(zhǔn)確判定被檢缺陷的空間位置分布、形狀、大小，而且圖像較清晰，但其存在造價高、檢測速度慢、檢測工件尺寸要求有限制、不易移動等缺點，故主要用于研究，而很少用于在線檢測。為了加強對軸承內(nèi)部缺陷形貌的認(rèn)識，加入工業(yè)CT圖像的內(nèi)容，以利于分析和判斷軸承內(nèi)部缺陷性質(zhì)。

3 相控陣探傷原理和工業(yè)CT成像原理

相控陣技術(shù)通過不同的電子激發(fā)時間改變探頭性質(zhì)。相控陣探頭是一種單獨調(diào)節(jié)晶片的激發(fā)時間以控制聲束軸線和焦點等參數(shù)的晶片陣列。探頭的每個晶片分別被獨立的脈沖激發(fā)，根據(jù)Ferma原理可計算晶片的激發(fā)時間和延遲時間，使所有晶片產(chǎn)生的柱狀波（球面波）的波前在同一時間到達(dá)空間的同一點。基于缺陷的反射波被晶片接收，檢測得出的波幅是每個激發(fā)的晶片所得相同相位的波幅總和。

工業(yè)CT基于射線投影進行圖像重建，工作過程大致可分為2步：1）利用組成工業(yè)CT系統(tǒng)的各硬件獲得被檢物體在某平面上多角度下的射線投影；2）運用某種數(shù)學(xué)方法從射線投影中求解斷面各點的線性吸收系數(shù)分布，即被檢物體某斷層的密度分布，再利用圖像灰度值表示密度大小分布可得該斷層的CT圖像[1]。

工業(yè)CT重建的離散三維體數(shù)據(jù)可表示為對物體空間衰減系數(shù)連續(xù)分布的采樣數(shù)據(jù)[2]，即

根據(jù)上式進行斷層數(shù)據(jù)和體數(shù)據(jù)可視化處理。首先對離散數(shù)據(jù)場重構(gòu)，得到連續(xù)數(shù)據(jù)場的信息，然后根據(jù)不同的可視化方法，在設(shè)定的視點視線、視角范圍、光照模型和顯示特性等參數(shù)下對重構(gòu)的連續(xù)數(shù)據(jù)場進行重新采樣，并經(jīng)圖像合成得到可視化圖像。

4 相控陣圖像采集與分析

對從軸承生產(chǎn)中收集到的多種常見內(nèi)部缺陷進行相控陣圖像和工業(yè)CT圖像采集，掌握缺陷的典型形貌特征，根據(jù)特征差別判斷內(nèi)部缺陷性質(zhì)。下列相控陣圖像均采用S掃圖像，同時與工業(yè)CT圖像進行了對比。

4.1 夾渣

夾渣的相控陣圖像如圖1所示，其多為點狀、塊狀、長條狀和片狀。由于反射面較大，較易進行相控陣檢測。移動相控陣探頭可看到較大體積的夾渣在內(nèi)部空間的走向變化。夾渣的CT層掃視圖及3D視圖如圖2所示，判斷其為體積型缺陷。

圖1 夾渣的相控陣圖像Fig.1 Phased array images of slag inclusions

圖2 夾渣的CT層掃視圖及3D視圖Fig.2 CT layer scanning and 3D figure of slag inclusions

4.2 過燒

過燒的相控陣圖像如圖3所示，其多為較小的多點密集型缺陷，在材料內(nèi)部寬度與深度方向均呈蜂窩狀分布。單個缺陷圖像以團狀形態(tài)出現(xiàn)，不易檢測。過燒的CT層掃視圖及3D視圖如圖4所示，顯示其多為多點密集型缺陷。

圖3 過燒的相控陣圖像Fig.3 Phased array images of overburning

圖4 過燒的CT層掃視圖及3D視圖Fig.4 CT layer scanning and 3D figure of overburning

4.3 白點

白點的相控陣圖像如圖5所示，其多為扁平狀體積缺陷，缺陷較多且分散，長短不一，從不同探測面均可發(fā)現(xiàn)其較易檢測。白點的CT層掃視圖及3D視圖如圖6所示，確定其以密集分散狀態(tài)存在，且大多數(shù)單體較小。

圖6 白點的CT層掃視圖及3D視圖Fig.6 CT layer scanning and 3D figure of flakes

4.4 裂紋

裂紋的相控陣圖像如圖7所示，其較為扁平，呈線性，顏色較淺。由于裂紋走向不確定，檢測難度具有不確定性，與檢測面平行的裂紋缺陷較易檢出，與檢測面垂直的裂紋缺陷則不易檢出。裂紋的CT層掃視圖及3D視圖如圖8所示，缺陷呈線狀，由于工業(yè)CT對體積型缺陷具有較強檢出能力，而對于面積型缺陷檢出能力不強，從3D圖上看不到缺陷，故不是體積型缺陷。

圖7 裂紋的相控陣圖像Fig.7 Phased array images of cracks

圖8 裂紋的CT層掃視圖及3D視圖Fig.8 CT layer scanning and 3D figure of cracks

4.5 縮孔

縮孔的相控陣圖像如圖9所示。縮孔位于滾子軸心部位且沿軸向分布，較長且體積較大，易于從滾子外徑面檢測，但從滾子端面基本無法檢測。縮孔的CT層掃視圖及3D視圖如圖10所示，其貫穿滾子中心，的確為較大的體積型缺陷。

圖9 縮孔的相控陣圖像Fig.9 Phased array images of shrinkage cavities

圖10 縮孔的CT層掃視圖及3D視圖Fig.10 CT layer scanning and 3D figure of shrinkage cavities

5 軸承內(nèi)部缺陷相控陣圖像特征對比

通過收集大量軸承內(nèi)部缺陷相控陣圖像，并通過工業(yè)CT進行驗證，對各自的圖像特征進行總結(jié)，見表1。

表1 軸承內(nèi)部缺陷相控陣圖像特征對比Tab.1 Characteristics comparison of phased array images of bearing internal defects

依據(jù)表1可對軸承零件內(nèi)部缺陷性質(zhì)進行大致判斷，比如：長條狀缺陷可判斷為夾渣或縮孔類缺陷；點狀密集型缺陷可判斷為過燒缺陷；多點分散型的片狀缺陷可判斷為白點缺陷；線狀且方向性很強的缺陷可判斷為裂紋。

6 結(jié)束語

采用相控陣技術(shù)對軸承零件內(nèi)部缺陷圖像進行顯示可快速、準(zhǔn)確判斷內(nèi)部缺陷性質(zhì)，及時采取必要的應(yīng)對措施，避免有內(nèi)部缺陷的軸承零件流入下道工序，嚴(yán)格控制軸承產(chǎn)品質(zhì)量。作為一種檢測技術(shù)，相控陣技術(shù)可代替工業(yè)CT用于實際生產(chǎn)中進行缺陷檢測。