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        巴氏合金/鋼復(fù)合層的超聲成像檢測

        2013-12-04 03:17:30陸銘慧劉述煌
        無損檢測 2013年8期
        關(guān)鍵詞:特性阻抗聲壓幅值

        陸銘慧,劉述煌,2

        (1.南昌航空大學(xué) 無損檢測技術(shù)教育部重點實驗室,南昌 330063;2.中國人民解放軍海軍91362部隊,寧波 315020)

        巴氏合金是大型機(jī)械主軸的軸瓦、軸承等使用的材料。巴氏合金耐磨性好但耐熱性較差,通常是澆注在鋼基體上來使用。因此要求合金與鋼質(zhì)基體緊密結(jié)合,一旦出現(xiàn)復(fù)合層界面局部脫落或熔化,將導(dǎo)致連續(xù)油膜被破壞,輕則造成軸振動過大,重則導(dǎo)致軸瓦燒毀。因此,對巴氏合金澆注層進(jìn)行無損檢驗,是一項非常重要的環(huán)節(jié)[1-3]。目前,對巴氏合金/鋼復(fù)合層界面的檢測主要利用工件底面的脈沖回波和結(jié)合界面回波的相對變化、接收回波的異常來判斷,國內(nèi)外也制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[4-6]。筆者提出用特征掃描成像系統(tǒng)對巴氏合金/鋼復(fù)合層界面進(jìn)行檢測,使用高性能水浸聚焦探頭,依據(jù)界面回波的幅值變化判斷缺陷的存在及大小,以圖像方式顯示檢測結(jié)果,實現(xiàn)巴氏合金/鋼復(fù)合層性能評價。

        1 復(fù)合層界面質(zhì)量超聲檢測方法

        1.1 巴氏合金/鋼復(fù)合層的聲傳播特性

        分析巴氏合金/鋼復(fù)合層的聲傳播特性前,先了解這兩種金屬材料的聲特性阻抗情況。當(dāng)超聲波從垂直方向入射到兩種不同介質(zhì)的界面時,將在第一介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相反的反射波,在第二介質(zhì)中產(chǎn)生一個與入射波方向相同的透射波。

        復(fù)合層回波聲壓計算:

        設(shè)入射波聲壓為P0,界面回波聲壓為Pr,則超聲波入射到兩種不同介質(zhì)的界面時回波聲壓為:Pr=P0·r。

        式中:ρ為介質(zhì)密度;C為該介質(zhì)聲速;r為聲壓反射率;t為聲壓透射率;Z1為介質(zhì)1特性阻抗;Z2為介質(zhì)2特性阻抗。

        此處主要討論錫基巴氏合金,在錫基巴氏合金中,錫含量極高,所以把錫基巴氏合金看成錫,作為第一介質(zhì)。錫、鋼、空氣的縱波聲速分別為3 320,5 900,344m/s;根據(jù)z=ρC各介質(zhì)的特性阻抗特性阻抗分別為24.223,46.31,0.004×106Pa·s/m。

        根據(jù)上述參數(shù),可以計算:

        在錫基合金與基體鋼結(jié)合良好的情況下,Z1為錫基合金特性阻抗,Z2為鋼特性阻抗,則:

        在錫基合金未完全結(jié)合的情況下,Z1為錫基合金聲阻抗,Z2為空氣聲阻抗,則回波聲壓:

        復(fù)合層界面脫接和完全結(jié)合時的回波分貝差Δ為:

        在合金復(fù)合層結(jié)合良好的情況下,底波B 與界面波I的分貝差為:

        因此,依據(jù)界面回波和底面回波的變化可以判斷合金結(jié)合層的結(jié)合質(zhì)量。

        1.2 巴氏合金/鋼復(fù)合層的超聲檢測方法

        1.2.1 手工檢測方法

        巴氏合金/鋼復(fù)合層的手工檢測選取直探頭或雙晶探頭,采用底面回波法和無底面回波法[7]進(jìn)行,上一節(jié)的計算結(jié)果表明,利用底面回波法和無底面基準(zhǔn)波高檢測的方法是可行的。

        對巴氏合金/鋼復(fù)合層進(jìn)行手工檢測時,探頭形式的選擇主要依據(jù)合金的厚度。合金層較厚時采用直探頭,當(dāng)合金層較薄時,用直探頭存在始波占寬大、盲區(qū)大、難以識別近距離缺陷等問題。針對此問題,可以采取兩種方法:①選擇在單直探頭上裝有延遲塊,以減少盲區(qū)。②根據(jù)合金厚度選擇雜波少靈敏度高的雙晶探頭。

        目前采用的手工檢測方法存在準(zhǔn)確性不高、受工件形狀、衰減影響較大,缺陷評定未考慮缺陷性質(zhì),特別是弱結(jié)合問題。

        1.2.2 超聲成像檢測方法

        采用先進(jìn)的成像檢測技術(shù)可提高檢測準(zhǔn)確性和可靠性。在各種成像檢測技術(shù)中,特征掃描(Feature-Scan)是一項新技術(shù),其由傳統(tǒng)的C 掃描成像發(fā)展而來,利用計算機(jī)全波列采集檢測信號,提取和存儲缺陷及工件的多種特征,經(jīng)信號處理后,按多種特征進(jìn)行成像顯示;通過對檢測信號進(jìn)行頻譜分析和數(shù)字濾波,提高缺陷判斷的準(zhǔn)確性。

        超聲特征掃描系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括:機(jī)械掃描裝置,超聲波發(fā)射和接收裝置,信號采集、處理單元,專用換能器等。軟件系統(tǒng)提供多種特征掃描成像,包括:B、C掃描成像、相位特征成像、當(dāng)量特征成像、超聲CT 成像、頻譜分析等等。

        針對巴氏/鋼合金復(fù)合層的檢測需求,可以形成幅值特征等圖像。比如,以結(jié)合良好處的界面回波波幅作為基準(zhǔn),掃描得到的回波幅值按高于基準(zhǔn)的百分比賦予不同的顏色,形成幅值特征的彩色圖像,直觀地顯示出復(fù)合層缺陷的大小和幅值特征。

        2 超聲檢測試驗

        2.1 試驗樣品

        檢測對象為厚度不同的巴氏合金/鋼復(fù)合層樣品,如圖1所示,樣品可分為六個區(qū)域,其中合金厚度為:1,4,6區(qū)10mm,2,5區(qū)15mm,3區(qū)5mm,其中1區(qū)和5區(qū)結(jié)合較好。

        圖1 巴氏合金/鋼復(fù)合層試塊尺寸示意

        2.2 手工直探頭檢測

        為了研究結(jié)合層回波的幅值變化,試驗采用5077UA 超聲發(fā)射接收儀激勵和接收超聲,示波器顯示超聲波時域波形,探頭選擇5 MHz直探頭。

        底面回波法檢測:將探頭放在巴氏合金面上,尋找一處結(jié)合好的區(qū)域,將第一次底面回波調(diào)至滿刻度的80%,以此作為檢測的起始靈敏度。在檢測中如發(fā)現(xiàn)底波降低超過6dB,可以認(rèn)為結(jié)合層存在結(jié)合不良。圖2為5mm 厚合金底面回波顯示,在圖2(a)中可以看到有兩次以上底面回波,而圖2(b)中顯示的是各次回波幅值降低明顯,如果底波消失,則表示出現(xiàn)完全脫接缺陷。同理,對巴氏合金厚度為10mm 的檢測結(jié)果如圖3所示,底波幅值降低超過6dB,說明存在結(jié)合缺陷。試驗證明,利用底面回波降低6dB法可以確定結(jié)合不良區(qū)域。

        無底面回波法檢測:將探頭置于標(biāo)準(zhǔn)試樣(相同厚度、相同合金成分和背襯材料)的合金面上,將結(jié)合層第一次回波調(diào)至滿刻度的40%,以此作為檢測的起始靈敏度。如果發(fā)現(xiàn)待檢巴氏合金/鋼復(fù)合層界面回波升高6dB 及以上的可以認(rèn)為界面存在結(jié)合不良。圖4顯示的是5mm 厚度標(biāo)準(zhǔn)試樣界面回波波形圖和試驗樣品3區(qū)部分的結(jié)合不良處的界面回波波形圖,結(jié)合不良時界面回波的幅值和次數(shù)有明顯的增加,利用界面回波增加6dB法同樣可以確定結(jié)合不良區(qū)域。

        2.3 巴氏合金/鋼復(fù)合層特征掃描成像

        超聲掃描成像系統(tǒng)對巴氏合金工件進(jìn)行檢測時,重要的是選擇合適的參數(shù)進(jìn)行成像顯示。由于出現(xiàn)結(jié)合不良會引起復(fù)合層界面回波和底面回波的變化,而界面回波的變化更為明顯,受工件形狀影響小,因此成像檢測中以復(fù)合層界面回波為特征,進(jìn)行成像顯示。圖5顯示的是厚10 mm 合金層的檢測結(jié)果,把正常的結(jié)合層界面回波調(diào)至滿刻度的40%,每增加滿刻度的20%進(jìn)行測量,用不同顏色進(jìn)行顯示,結(jié)果形成一幅界面回波高度變化圖,根據(jù)圖像判斷結(jié)合不良區(qū)域,如圖中深色為結(jié)合不良缺陷,深色區(qū)域表示結(jié)合層回波幅值超過80%。試驗表明,用特征掃描成像方法,結(jié)合層回波分辨容易,結(jié)果直觀,并且由于F特征掃描成像由C 掃描發(fā)展而來,同樣具備水浸C 掃描的優(yōu)勢,在檢測時,數(shù)據(jù)的獲取、處理包括探頭的移動都是通過計算機(jī)來控制和完成,減少了人為因素的影響,檢測效率高。為了有效檢測近表面的結(jié)合不良,采用聚焦探頭,改善了近表面缺陷的分辨能力,對薄層探傷有利,分辨率高。圖6為5mm 結(jié)合層特征掃描成像檢測結(jié)果,工件上界面回波和結(jié)合層回波能明顯分開,保證了可采用結(jié)合層回波成像。

        3 結(jié)論

        介紹了兩種針對巴氏合金/鋼復(fù)合層界面質(zhì)量的超聲檢測方法,討論了利用特征掃描成像對巴氏合金/鋼復(fù)合層質(zhì)量檢驗的可行性,兩種方法原理都是利用復(fù)合層回波或者是底波幅值的變化來判斷合金復(fù)合層的結(jié)合狀況,但特征掃描成像有兩點優(yōu)勢:①利用計算機(jī)全波列采集檢測信號,提取和存儲缺陷及工件的多種特征,故結(jié)果更加直觀,效率更高,更能準(zhǔn)確反映復(fù)合層質(zhì)量狀況。②采用高性能聚焦探頭,改善了近表面缺陷的檢測能力。

        [1] 張彥新,牛曉光.復(fù)合材料軸瓦結(jié)合狀況的超聲波檢測[J].河北電力技術(shù),2004,23(5):17-18.

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        [3] 李國良.軸瓦合金結(jié)合質(zhì)量的超聲波檢測方法[J].廣西電力,2011,34(1):30-31.

        [4] DL/T 297-2011 汽輪發(fā)電機(jī)合金軸瓦超聲波檢測[S].

        [5] ISO 4386-1-1992 滑動軸承多層金屬滑動軸承,第1部分:結(jié)合強(qiáng)度超聲波無損檢驗[S].

        [6] ISO 4386-3-1992 滑動軸承多層金屬滑動軸承 第3部分:無損穿透檢測[S].

        [7] 明德純.滑動軸承等巴氏合金/鋼復(fù)合層質(zhì)量超聲波檢測與評定[J].柴油機(jī),1991(5),31-34.

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        [9] 陳以方,駱巍,陳玉寶,等.復(fù)合材料的特征掃描聲成像檢測[J].無損檢測,2001,23(10):427-431.

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