董世運(yùn), 朱學(xué)耕, 徐濱士, 潘 亮

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)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(yùn), 朱學(xué)耕, 徐濱士, 潘 亮

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京 100072)

為排除閉式葉輪的質(zhì)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(shù)，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(jìn)行模擬，進(jìn)而優(yōu)化實驗方案，最后利用縱波聚焦掃描對人工預(yù)置平底孔進(jìn)行檢測。結(jié)果表明：利用相控陣超聲檢測技術(shù)在葉輪內(nèi)腔對輪盤進(jìn)行檢測，缺陷信號明顯，缺陷定位精度高，為葉輪質(zhì)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(jī)的重要組成部件，它通過高速旋轉(zhuǎn)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為氣體的內(nèi)能與動能[1]。由于葉輪復(fù)雜的服役環(huán)境，其承載著巨大的離心力、彎曲應(yīng)力、振動應(yīng)力等交變載荷，易出現(xiàn)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(xì)裂紋以及內(nèi)部的氣孔、夾雜直接用肉眼是無法觀察的，且為保證其結(jié)構(gòu)的完整性，需要用無損手段對其進(jìn)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(xì)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(nèi)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(zhì)量和提高經(jīng)濟(jì)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(qiáng)、分辨率好、檢測速度快、成本低、設(shè)備簡單和對人體無害等一系列優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于工件的內(nèi)部缺陷檢測[8]。同時，傳統(tǒng)超聲檢測探頭的單一聲束很難滿足復(fù)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(zhuǎn)的特性，在解決復(fù)雜幾何形狀零件缺陷檢測中具有很大的優(yōu)勢[9-10]。因此，筆者基于傳統(tǒng)超聲脈沖反射法原理，利用相控陣超聲檢測技術(shù)對葉輪輪盤內(nèi)部缺陷檢測進(jìn)行探索研究。

1 相控陣超聲模擬檢測

1.1 楔塊設(shè)計

壓縮機(jī)葉輪的幾何形狀比較復(fù)雜，葉輪內(nèi)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(jìn)行完全檢測，選擇將探頭放置在葉輪的內(nèi)腔。常用的楔塊工作面為平面，而葉輪內(nèi)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(shè)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(jù)檢測深度設(shè)計。運(yùn)用Snell公式等分析計算超聲相控陣探頭楔塊厚度，其設(shè)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(nèi)的聲速；h1=65 mm，為工件內(nèi)的檢測深度；經(jīng)計算h2=25 mm，為楔塊的厚度。

根據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合實際相控陣探頭的大小，采用有機(jī)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(jī)械波，其傳播特性與光波有所區(qū)別。為了對超聲波在工件中的傳播有更加清晰的認(rèn)識，以及了解其聲場分布情況，對葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行建模，然后將其簡化模型導(dǎo)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(nèi)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(fù)雜，葉片有彎曲部分，當(dāng)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(dāng)?shù)膾呙璺绞?，將其參?shù)設(shè)置為：激發(fā)晶片為第1個晶片，每組激發(fā)16個晶片，掃描步進(jìn)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(nèi)，且輪盤內(nèi)的聲波強(qiáng)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(qiáng)；2)葉片內(nèi)聲束較寬，這是因為聲波在傳播過程中向四周發(fā)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(qiáng)度在葉片以及輪盤中得到明顯增強(qiáng)，但是葉片中的聲波強(qiáng)度仍然較強(qiáng),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(nèi)發(fā)生干涉，輪盤內(nèi)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(qiáng)度越大,越有利于缺陷的發(fā)現(xiàn)。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(jìn)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(qiáng)后變?nèi)酰辉诰嚯x為32.1 mm以內(nèi)時，聚焦掃描的聲壓強(qiáng)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(nèi)腔壁在32.1 mm以內(nèi)，而聲壓越高，則能量越強(qiáng)，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(yù)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(shù)與聚焦掃描聲場模擬時的參數(shù)設(shè)置相對應(yīng)。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(yù)置缺陷進(jìn)行檢測模擬，探頭參數(shù)為：中心頻率f=5 MHz，陣元個數(shù)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(qū)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(nèi)的缺陷易出現(xiàn)在靠近葉根處，其所處深度遠(yuǎn)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(shù)設(shè)置與聚焦掃描聲場模擬時一致，檢測結(jié)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(qiáng)度沒有發(fā)生突變，所形成的聲波B信號如圖中a所示；在預(yù)置缺陷處，聲波信號強(qiáng)度發(fā)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(jié)果

2 實驗驗證

葉輪材料為FV520B，聲波在其內(nèi)部的傳播速度為5 900 m/s，其內(nèi)腔直徑為136 mm。在距離葉輪內(nèi)腔壁13.8 mm處，預(yù)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(nèi)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(shù)以及聚焦掃描參數(shù)設(shè)置與缺陷模擬檢測時一致。運(yùn)行設(shè)備后，檢測結(jié)果如圖10所示，可以看出：顯示結(jié)果與缺陷模擬檢測結(jié)果相對應(yīng)，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(jìn)行分析，如圖11所示。

圖10 缺陷實際檢測結(jié)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(yīng)；在聲程為13.68 mm處有一明顯的較強(qiáng)回波信號，與圖10中紅色信號F相對應(yīng)，根據(jù)預(yù)置缺陷的實際位置，可判定此回波信號為缺陷信號。根據(jù)檢測結(jié)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(jié)論

為實現(xiàn)壓縮機(jī)葉輪的質(zhì)量控制，利用縱波聚焦掃描葉輪的內(nèi)腔，完成了葉輪輪盤內(nèi)部缺陷的檢測，檢測精度較高，為葉輪以及具有相似結(jié)構(gòu)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(nèi)的缺陷形式比較復(fù)雜，對于輪盤內(nèi)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(shè)計何種楔塊將是下一步需要探索的重要內(nèi)容。

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(責(zé)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(yùn)(1973-)，男，研究員，博士。

TG115.28

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.04.019