鋼球平底孔超聲直探頭接觸法檢測研究

濮海明，王哲，康宜華，華飛

(1.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074；2.武漢華宇一目檢測裝備有限公司，武漢 430074)

鋼球作為軸承的關鍵零件，其加工質量對軸承的精度、傳動性能和使用壽命有著重要影響[1]。鋼球處于高速重載工況時，其表面或內部若存在細小的氣孔或裂紋等質量問題，易導致軸承失效，嚴重時將會造成重大安全事故[2]。因此，出廠前必須對鋼球進行100%的缺陷檢測及相關測試。

目前，國內大多數企業仍采用人工目視檢測的方法進行鋼球出廠前的缺陷檢測，該方法檢測效率低、漏檢率高，而且危害工人的身體健康[3]。渦流檢測法[4-5]、光電檢測法[6-7]、機器視覺法[8-9]及相應的鋼球自動無損檢測設備[10-11]在國內外得到了成功應用，但這類方法只能檢測鋼球表面及近表面的缺陷，對于鋼球的內部缺陷無能為力。超聲檢測技術具有良好的方向性及穿透性，被廣泛應用于物體內部的缺陷檢測[12]，文獻[13]引入通過波形轉換產生表面波和橫波分別檢測鋼球表面及近表面缺陷，但并未對鋼球內部缺陷檢測展開研究。

金屬外層的人工平底孔是評價超聲檢測方法對內部缺陷檢測能力的方式之一，因此，以人工平底孔作為試驗對象，研究采用直探頭接觸檢測方式檢測鋼球內部缺陷的可行性。

1 鋼球人工平底孔的超聲檢測試驗

1.1 試件

試件為精度等級G10的鋼球，球徑D為54 mm，鋼球上刻有直徑d為1.6 mm，深度h分別為1,2,3 mm的平底孔，試件示意圖如圖1所示。

圖1 試件示意圖Fig.1 Diagram of test piece

1.2 試驗裝置

試驗采用的檢測裝置主要由CTS-5021型超聲儀、超聲直探頭、探頭固定及調節裝置、鋼球展開支架以及水箱等組成，如圖2所示。根據檢測頻率選擇原則，試驗選用中心頻率為5 MHz、晶片直徑8 mm的直探頭。

圖2 檢測裝置示意圖Fig.2 Diagram of detection device

為避免多次界面回波對缺陷信號識別的干擾，采用直探頭接觸法檢測。直探頭與鋼球點接觸，點的附近用耦合劑(水)填充，如圖3所示。曲面接觸的耦合層厚度比平面接觸時要大，聲能的透射系數相應減小，等同于減小了接觸面積，入射聲能損失增加，而進入鋼球的聲束發散也較為嚴重[14]。由于聲能損失嚴重，需要增大直探頭的發射能量，同時結合考慮分辨率等因素，試驗中選用300 V的發射電壓以及100 ns的脈沖寬度。

圖3 直探頭與軸承鋼球的接觸情況Fig.3 Contact condition between straight probe and steel ball of bearing

2 鋼球及平底孔的回波信號分析

2.1 軸承鋼球的回波信號分析

進入鋼球的發散聲束在球面上發生反射或折射，會在鋼球的一次底波之后產生多種遲到波，如圖4所示。

圖4 鋼球回波的波形圖Fig.4 Oscillogram of echo signal of steel ball

一般情況下只需要觀察界面波與一次底波之間的區域來尋找缺陷回波信號，但如果界面波占面太大，還要求同時觀察一次底波與二次底波之間的區域，這就需要對產生的遲到波進行識別從而避免信號誤判。對于出現在二次底波之后的遲到波，由于其聲路長，回波分解次數多，聲能較弱，在一般檢測靈敏度下不易顯示；另外也不需要在二次底波之后的區域尋找缺陷回波；因此發生在二次底波之后的遲到波不在討論范圍。

鋼球中的三角形遲到波出現在一次底波與二次底波之間的位置有著固定比例的關系[15]。未發生波形轉換的三角形遲到波是指入射縱波在鋼球內部的傳播路徑呈現為正三角形，如圖5a所示。內接三角形的弦長為

圖5 鋼球中三角形遲到波的傳播路徑Fig.5 propagation path of triangle delayed echo in steel ball

L=Dsin(θ/2)，

(1)

式中：L為弦長；D為鋼球直徑；θ為弦長的圓心角。正三角形的邊長總和為3Dsin(120°/2)=2.6D，未發生波形轉換的三角形遲到波的聲程為往返距離的1/2，即1.3D，與圖4中2，3之間的關系相一致。

發生波形轉換的三角形遲到波是指入射縱波與探頭聲束軸線呈某一特定夾角傳播至球面時，波形轉換為水平方向的橫波，此橫波傳播至對側時再次轉換成縱波并返回至探頭形成等腰三角形的路徑，如圖5b所示。由圖中幾何關系可知αT=90°-2αL，則

sinαT=sin(90°-2αL)=1-2sin2αL，

(2)

結合折射定律

CL/sinαL=CT/sinαT，

(3)

得

(4)

根據弦長定理求解可得

(5)

由于橫波聲速為縱波聲速的CT/CL倍，則橫波路程相當于縱波路程的CL/CT倍，因此有

T′=(CL/CT)DcosαT,

(6)

根據上述分析求解出聲程S為

S=(2L+T′)/2=

(7)

式中：αT為橫波入射角；αL為縱波入射角；CT為鋼球中橫波傳播速度；CL為鋼球中縱波傳播速度；T為橫波路程；T′為縱波速度下的等效橫波路程；S為顯示波形的聲程。

對于軸承鋼球，CL取5 920 m/s，CT取3 230 m/s，計算得到發生波形轉換的三角形遲到波聲程為1.67D，與圖4中2，4之間的關系相一致。

2.2 平底孔的回波信號分析(h=1 mm)

試驗中通過探頭固定及調節裝置調整直探頭的位置，使直探頭的中心軸線與鋼球的球心共線。沒有平底孔的鋼球回波信號如圖6所示；利用鋼球展開支架不斷調整平底孔的相對位置，試驗發現，當平底孔背對直探頭，且中心軸線與探頭的軸心軸線共線時，在鋼球一次底波前找到可以反映平底孔的回波信號，平底孔的回波信號如圖7所示。

圖6 無平底孔的回波信號圖Fig.6 Diagram echo signal without flat bottom hole

圖7 平底孔(深1 mm)的回波信號圖Fig.7 Diagram echo signal with flat bottom hole(depth of 1 mm)

信噪比為

Δ=20lg(N2/N1)，

(8)

式中：Δ為信噪比；N1為噪聲信號波動幅值；N2為缺陷信號波動幅值。

根據試驗得到的回波信號波動幅值可得，1 mm深平底孔回波信號的信噪比為12 dB，滿足一般工程超聲探傷中信噪比大于6 dB的要求，能夠有效區分識別。

根據速度位移公式可得平底孔回波信號與鋼球底波信號之間的相對聲程為

ΔS=CL·Δt，

(9)

式中：ΔS為缺陷回波與鋼球底波的相對聲程；Δt為缺陷回波與鋼球底波之間的時間差。

由圖7可得Δt=0.017×10-5s，計算可得ΔS=5 920×0.017×10-5≈1 mm，與平底孔的深度值基本一致。由此可以推斷：當平底孔背對直探頭，鋼球球心、直探頭中心軸線與平底孔的中心軸線三者共線時，可以有效檢測到平底孔的回波信號。

2.3 不同深度平底孔的回波信號比較

試驗條件不變，對2，3 mm深平底孔進行檢測。試驗發現，當平底孔處于相同位置時，可以在鋼球的一次底波前找到描述平底孔的回波信號，如圖8所示。根據(9)式計算得2，3 mm深平底孔回波信號與鋼球底波信號之間的相對聲程分別為2.01，2.96 mm，與平底孔深度值基本一致。

圖8 不同深度平底孔的回波信號圖Fig.8 Diagram of echo signal with different depths of flat bottom holes

通過對不同深度平底孔缺陷的回波信號波形圖進行比較分析可知：隨著平底孔深度的增加，缺陷回波信號的波動幅值呈現增大的趨勢；且不同深度平底孔的回波信號與鋼球底波之間的相對聲程值與平底孔的深度值基本對應。

3 鋼球平底孔的檢測機理

3.1 圓盤聲源軸線上的聲壓分布

將超聲直探頭作為理想的活塞圓盤聲源，根據疊加原理，圓盤聲源軸線上任一點處的聲壓等于聲源上各點輻射的聲壓在該點的疊加，由此可以推斷出聲源軸線上的聲壓分布為

(10)

式中：p0為聲源的起始聲壓；D為圓盤聲源的直徑；λ為傳聲介質中聲波的波長；x為圓盤聲源軸線上某一點距聲源的距離。

由(10)式繪出圓盤聲源軸線上的聲壓分布曲線，如圖9所示。從圖中可以看出(圖中N表示近場長度，N=(D2-λ2)/4λ)：聲源軸線上一點至聲源的距離小于近場長度時，聲壓與距離的關系由于干涉的作用變得較為復雜，存在多個極大值點與極小值點。因此，當較大的缺陷位于聲壓極小值點時反射的信號可能較弱，而較小的缺陷位于聲壓極大值點時反射的信號較強，這種情況下信號小很容易造成誤判，甚至漏檢。當聲源軸線上一點至聲源的距離大于近場長度時，聲壓隨距離的增大單調下降，所以一般選用遠場區進行缺陷檢測。

圖9 圓盤聲源軸線上的聲壓分布Fig.9 Sound pressure distribution on axis of sound source of disk

結合超聲場橫截面的聲壓分布情況可知，當聲源軸線上一點至聲源的距離大于近場長度時，各截面總是中心聲壓最高，偏離中心軸線的聲壓逐漸降低。因此，對于圓盤聲源的遠場區，聲源中心軸線的聲壓最高。當缺陷處于聲源遠場區的中心軸線處時，能夠得到較好的缺陷回波信號，并且可以將超聲反射的回波信號幅值與缺陷的尺寸相關聯。

3.2 平底孔的回波聲壓

當平底孔垂直于圓盤聲源的聲束軸線時，根據惠更斯原理，探頭發射的超聲波傳播至缺陷后，平底孔將作為新的圓盤聲源產生回波，由于平底孔尺寸較小，平底孔上各點的聲壓可視為聲束軸線上的聲壓。由圓盤聲源軸線上的聲壓分布公式推算得平底孔作為新波源的起始公式為

(11)

式中：pd為平底孔的回波聲壓；d為平底孔的直徑；h為平底孔的深度。

分析可知，當平底孔的直徑保持不變時，平底孔的回波聲壓隨著平底孔深度的增加而逐漸增加，相應的回波信號幅值同樣逐步增大，理論分析結果與試驗現象基本一致。

4 結論

1)鋼球回波信號中存在三角形遲到波，其出現在一次底波與二次底波之間的位置按比例固定不動，規避這類回波可減少誤判。

2)采用超聲直探頭接觸法可以有效檢測出鋼球的平底孔，信噪比達到12 dB，能夠有效區分出缺陷信號。

3)回波信號的幅值隨著平底孔深度的不斷加深而逐漸增大，且回波與底波之間的相對聲程可以有效描述平底孔的深度值。

4)超聲直探頭接觸法可以有效檢測出鋼球內部缺陷。當鋼球內部缺陷在直探頭聲源軸線上時，可在鋼球底波前找到缺陷回波信號。