楊二楓，周自強，2，戴國洪，2，畢珂

（1.江蘇省機電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點建設(shè)實驗室，江蘇 常熟 215500；2.常熟理工學院機械工程學院，江蘇 常熟 215500）

機電產(chǎn)品循環(huán)利用檢測技術(shù)研究進展

楊二楓1，周自強1，2，戴國洪1，2，畢珂1

（1.江蘇省機電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)重點建設(shè)實驗室，江蘇 常熟 215500；2.常熟理工學院機械工程學院，江蘇 常熟 215500）

機電產(chǎn)品循環(huán)利用檢測技術(shù)貫穿產(chǎn)品循環(huán)利用的整個過程，是確保產(chǎn)品質(zhì)量、提高效率的重要保障.本文從壽命評估、內(nèi)部缺陷檢測和涂層性能檢測3個方面闡述了目前無損檢測的研究進展.以期對機電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)中的檢測技術(shù)研究提供可資借鑒的參考.

機電產(chǎn)品；循環(huán)利用；無損檢測；發(fā)展方向

1 引言

隨著經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，各種技術(shù)先進、功能完備的產(chǎn)品層出不窮，極大地豐富、便利著人們的生活.然而，伴隨著人口的日益增多，產(chǎn)品的數(shù)量也在急劇地增大.當這些產(chǎn)品失去利用價值，達到生命的終點，便面臨著淘汰與報廢.而數(shù)量如此龐大的產(chǎn)品作為廢品拋擲到環(huán)境中，將對環(huán)境造成極大的傷害，對我們的生活也會產(chǎn)生嚴重的影響.同時，地球上的資源是有限的，伴隨著大量產(chǎn)品的廢置，用于制造新品的資源急劇減少，而廢舊的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化成可再利用的資源卻需要相當長的時間，如此下去資源的消耗與供給將發(fā)生嚴重的失衡.因此，探討廢舊產(chǎn)品的有效處理，合理利用資源，保護環(huán)境已經(jīng)成為人們關(guān)注的問題，對人類社會的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義.

各類產(chǎn)品中，機電產(chǎn)品在人們生產(chǎn)、生活的各個方面占據(jù)著極大的比例.對機電產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)進行研究，不但可以最大限度地保留舊件中原材料的價值，同時也可以將附加在舊件上的勞動力價值保留下來.這樣不僅對減輕環(huán)境污染具有重要意義，也將對資源的充分利用產(chǎn)生重大影響.在諸如再利用、維修再利用、材料回收利用的各種產(chǎn)品循環(huán)利用技術(shù)中，再制造技術(shù)扮演著重要的角色.

再制造工程以節(jié)約資源能源、保護環(huán)境為特色，以綜合利用信息技術(shù)、納米技術(shù)、生物技術(shù)等高技術(shù)為核心，可使廢舊資源中蘊含的價值得到最大限度開發(fā)和利用，緩解資源短缺與資源浪費的矛盾，減少失效、報廢產(chǎn)品對環(huán)境的危害，是廢舊機電產(chǎn)品資源化的有效途徑［1］.一般的再制造過程如圖1所示.

圖1 再制造過程

在再制造的過程中，無論對回收的舊件、拆卸清洗后的再制造毛坯、再制造成品還是裝配完成的再制造設(shè)備，均要進行或簡單或復雜的檢測，以保證本工序產(chǎn)品的性能，并為下一工序提供保障.例如通過對舊件的檢測可以獲取最初的原始資料，對再制造的加工方法有重要指導作用；對再制造加工后的成品進行檢測可以獲取成品的性能參數(shù)，為零部件的后期服役提供性能依據(jù)；在加工過程中，對加工過程的溫度、速度等進行實時檢測以獲得實時數(shù)據(jù)，可保證再制造的產(chǎn)品質(zhì)量.

檢測技術(shù)貫穿再制造過程的始終，其對提升產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)約成本，具有重要意義.零部件的檢測內(nèi)容主要包括幾何精度檢測、表面質(zhì)量檢測、力學性能檢測、內(nèi)部缺陷檢測、重量與平衡檢測等.常用的方法包括感覺檢測法、儀器工具檢測法和物理檢測法［2］.

在各種檢測方法中，無損檢測是目前發(fā)展最快的一種方法.無損檢測是在不破壞待檢部件的情況下實施檢測，避免了對零部件造成二次損壞.同時，無損檢測方法相較其他傳統(tǒng)方法更便捷、更智能，能夠完成更加全面、更加細致、更加深入的檢測，并且易于實現(xiàn)自動化、智能化，提高生產(chǎn)效率.因此，本文在總結(jié)傳統(tǒng)檢測方法的基礎(chǔ)之上，主要關(guān)注無損檢測在再制造過程中的研究進展.

2 毛坯檢測技術(shù)

再制造毛坯是再制造過程中的重要部件，是連接再制造產(chǎn)品和舊品的重要橋梁，其性能的好壞直接影響著再制造產(chǎn)品的質(zhì)量，也會對再制造的成本產(chǎn)生重要影響.因此，對再制造毛坯進行全面的檢測，掌握好舊件的廢棄與利用是再制造檢測的重要環(huán)節(jié).

廢舊機電產(chǎn)品在其服役過程中的工況千差萬別，即使同樣的零部件，由于使用方法、服役狀況的不同也會表現(xiàn)出極大的狀態(tài)差別.因此，面對狀態(tài)不一的零部件，所用的方法也要有針對性.再制造毛坯的損傷不僅有外觀方面的，其內(nèi)部也會在服役的過程中萌生許多缺陷.一般檢測內(nèi)容包括以下幾項［2-3］：

（1）幾何精度：如毛坯的尺寸、形狀和表面相互位置精度等.

（2）表面質(zhì)量：如表面粗糙度、腐蝕、磨損、裂紋、剝落、燒損等.

（3）理化性能：如毛坯硬度、硬化層深度、應力狀態(tài)、彈性、剛度、平衡狀況及振動等.

（4）潛在缺陷：如毛坯內(nèi)部夾渣、氣孔、疏松、空洞、微觀裂紋等.

（5）材料性質(zhì)：如毛坯合金成分、滲碳層含碳量、各部分材料的均勻性、高分子類材料的老化變質(zhì)程度等.（6）表層材料與基體的結(jié)合強度：如毛坯電刷鍍層、噴涂層、堆焊層和基體金屬的結(jié)合強度等.

2.1 毛坯外觀缺陷檢測

毛坯的外觀缺陷易于檢測，一般由人工用傳統(tǒng)的方法完成檢測評價.其常用方法有以下幾種［2-3］：

（1）感官檢測法.常用的方法有目測、聽測、觸測.此類方法一般都依賴于檢測人員長期積累的經(jīng)驗，精度不高，不易實現(xiàn)自動化，常用于對毛坯件進行初步的篩選，對那些損傷范圍大、非常明顯的毛坯直接廢棄.

（2）儀器儀表法.此類方法主要借助相關(guān)的儀器儀表完成對毛坯件較為精確的缺陷判斷.如游標卡尺、千分尺、量規(guī)等測量工具；硬度測量儀；平衡試驗機；密封性測試儀；金相顯微鏡；三維掃描測量系統(tǒng)等.該方法操作簡單，易于上手，不需要檢測人員具備特別深厚的實際經(jīng)驗或是專業(yè)的技術(shù)知識，在再制造毛坯檢測中應用較為廣泛.

2.2 毛坯內(nèi)部缺陷檢測

在再制造毛坯件中，除了上述較為明顯的外觀缺陷，在其內(nèi)部也會存在諸如空洞、裂紋、孔隙、應力集中等會對再制造產(chǎn)品的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響的缺陷.這些缺陷用上述方法是無法檢測到的，常需要借助于先進的無損檢測技術(shù)完成缺陷的檢測評價.再制造毛坯的剩余壽命，對毛坯的棄用、再制造產(chǎn)品的服役性能有著重要意義，需要用無損檢測技術(shù)完成相應的評價.

3 壽命評估技術(shù)

機電產(chǎn)品廢棄之后，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、性能狀態(tài)可能并沒有完全失效或到達生命的終點，經(jīng)過相應的加工處理尚可以繼續(xù)利用.在機電產(chǎn)品循環(huán)利用的過程中，對回收的舊零部件進行壽命評估，估計其剩余壽命，對舊件的棄用及再制造加工方法具有重要的指導作用，并可以對零部件的服役周期有清晰的了解.

目前，壽命評估的方法主要有3種：基于力學理論和疲勞試驗手段、利用有限元模擬、采用無損檢測技術(shù)［4］.文獻［5］中，吳益文等學者對調(diào)質(zhì)的40Cr鋼進行旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗，建立了位錯密度與旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞之間的數(shù)學方程式.文獻［6-7］中利用疲勞分析軟件fe-safe進行聯(lián)合仿真，并結(jié)合殘余應力檢測設(shè)備，對變速箱軸進行了疲勞分析得到了軸的整體壽命云圖.文獻［8］中，彭志君等學者對3種方法做了簡要對比，得出無損檢測方法中的金屬磁記憶檢測方法更加準確、可靠.此外，許多學者也針對金屬磁記憶檢測技術(shù)做了大量研究［9-11］.

金屬磁記憶的原理是：處于地磁環(huán)境下的鐵磁構(gòu)件受工作載荷的作用，其內(nèi)部會發(fā)生具有磁致伸縮性質(zhì)的磁疇組織定向的和不可逆的重新取向，并在應力與變形集中區(qū)形成的漏磁場切向分量Hp（x）具有最大值，法向分量Hp（y）改變符號且具有零值點，這種磁狀態(tài)的不可逆變換在工作載荷消除后繼續(xù)保留，從而通過漏磁場法向分量Hp（y）的測定，便可推斷工件的應力集中和損傷部位［12］.

文獻［13］中，董世運等學者采用金屬磁記憶技術(shù)檢測了拉-拉疲勞過程中45鋼光滑試件和預制缺陷試件表面的磁記憶信號變化規(guī)律，得出磁記憶檢測數(shù)據(jù)對疲勞裂紋的擴展情況有較好的反映，但用磁記憶技術(shù)預測疲勞裂紋萌生前鐵磁材料的損傷程度卻不甚理想.

金屬磁記憶技術(shù)開始是定位于檢測出應力集中位置、判斷應力集中程度，研究者也在實踐中不斷擴展其研究范圍.文獻［14］中，董麗虹等學者通過制備18CrNiWA拉伸試件，經(jīng)過相關(guān)的試驗研究，得出磁曲線斜率K可以表征拉應力導致的變形程度，把磁記憶技術(shù)的有效應用又推進了一步.有關(guān)磁記憶信號參數(shù)與零件變形量之間的關(guān)系在文獻［15-16］中也做了試驗研究.

磁記憶檢測技術(shù)采集的是弱磁信號，而弱磁信號極易受到來自周圍諸如零件結(jié)構(gòu)、載荷、變形量、環(huán)境磁場的影響.因此，要在實際檢測中得到有效運用尚需大量研究，同時還可以結(jié)合諸如渦流、超聲等檢測手段彌補不足，對再制造零部件進行綜合檢測診斷［17-18］.

4 缺陷無損檢測評估技術(shù)

無損檢測定義如下：在不破壞試件的前提下，利用材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)異?；蛉毕荽嬖谒鸬膶帷⒙?、光、電、磁等反應的變化，以物理或化學方法為手段，借助現(xiàn)代的技術(shù)和設(shè)備器材，對試件內(nèi)部及表面的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、狀態(tài)及缺陷的類型、性質(zhì)、數(shù)量、形狀、位置、尺寸、分布及其變化進行檢查和測試的方法［19］.

通過無損檢測技術(shù)可以在不對舊件造成二次損害的情況下完成檢測.可以完成諸如對表面粗糙度、表面裂紋、內(nèi)部裂紋、應力集中、孔隙、焊縫質(zhì)量、涂層質(zhì)量等的檢測.此種檢測一般是借助于先進的檢測設(shè)備，減少了人為的干擾，易于實現(xiàn)自動化、智能化.但此方法一般對檢測人員的專業(yè)知識要求較高，實踐應用尚存在不足，一般可以完成缺陷的定性與定位，但實現(xiàn)定量還需不斷深入研究.

文獻［20-21］對再制造過程中的無損檢測技術(shù)作了較為詳細的總結(jié)，并對其應用作了展望.其中后者針對高端機械裝備作了無損檢測的應用簡述，對非線性超聲、遠場渦流、激光超聲等先進檢測技術(shù)作了概述.

無損檢測的各種技術(shù)針對不同的缺陷類型適用范圍不一樣，有的適合檢測表面/近表面的缺陷，有的適合檢測內(nèi)部缺陷.其中應用較為廣泛的為5種常規(guī)檢測技術(shù)：超聲波檢測、射線檢測、滲透檢測、磁粉檢測和渦流檢測.

針對常規(guī)無損檢測技術(shù)的研究已經(jīng)比較成熟［22-25］，現(xiàn)在研究的熱點主要集中在能夠克服傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)缺陷的新型無損檢測技術(shù)，以及無損檢測過程中對缺陷的定量識別.由于常規(guī)超聲波檢測面對復雜的零部件檢測性能較低，文獻［26］中閆曉玲等學者利用CIVA軟件模擬了基于超聲相控陣技術(shù)［27-28］的再制造曲軸缺陷檢測研究，并通過實驗對比驗證了所用方法的有效性.文獻［29］中，石常亮等學者針對廢舊曲軸R角處缺陷，采用當量對比法，對缺陷的定量問題進行了探討.文獻［30］針對發(fā)動機舊連桿，采用小波分析進行降噪、指數(shù)函數(shù)進行擬合，初步實現(xiàn)了缺陷的定量無損評價.并通過試驗驗證了方法的可行性.然而，缺陷的定量研究仍然任重道遠，需要不斷開發(fā)新技術(shù)，并結(jié)合其他行業(yè)的相關(guān)技術(shù)、智能技術(shù)，不斷提升缺陷檢測的定量評價能力.

在各種無損檢測技術(shù)中，視覺檢測技術(shù)扮演著重要的角色.視覺檢測不僅可以對加工過程實時監(jiān)控，以形象直觀的方式展示加工過程，并可以實現(xiàn)自動化、遠程控制.在缺陷檢測方面，視覺檢測技術(shù)可以用于對舊件進行三維掃描，獲取其三維模型，通過與最初設(shè)計模型對比，找出失效位置，極方便地指導再制造加工過程.文獻［31］采取線結(jié)構(gòu)光掃描的方式獲取缺損件的三維信息，得到了相應的點云數(shù)據(jù)，通過相應的算法完成了缺損件的建模.文獻［32］將圖像處理技術(shù)與模式識別相結(jié)合，以舊件中常見的回轉(zhuǎn)體零件為研究對象進行相關(guān)處理，應用支持向量機技術(shù)完成了零件的識別與分類.

5 表面涂層檢測評估技術(shù)

再制造加工是在舊件基礎(chǔ)之上的加工，一般是利用表面工程技術(shù)來完成［33-35］.首先對舊件表面進行去材料處理，使零件表面達到一定的光潔度要求，再利用各種涂覆技術(shù)在舊件表面增加相應的耐磨、耐蝕涂層，并使其達到相應的工藝要求、技術(shù)要求、使用要求.所增加的涂覆層材料和舊件基體的材料可能并不相同，因此對涂覆層的性能狀態(tài)進行檢測，判斷其是否存在裂紋、應力集中以及涂層和基體的結(jié)合強度，對再制造產(chǎn)品的性能評價具有重要的指導意義.

文獻［36］基于激光熔覆的熱損傷評估進行了深入研究，利用ANSYS仿真軟件、金屬磁記憶方法，初步探索了疲勞累計損傷和熱損傷的檢測方法.文獻［37］研究了等離子噴涂層的接觸疲勞失效機理和壽命評估，并研制了噴涂層結(jié)合強度檢測設(shè)備，對等離子噴涂技術(shù)做了全面的研究.由于涂層的存在，可能對無損檢測技術(shù)帶來相應的不便.如文獻［38］中，針對激光熔覆層對聲學檢測的影響，建立了超聲檢測數(shù)學模型，并通過數(shù)值模擬和實驗驗證了模型.

除此之外，很多學者對涂層的多重性能評價技術(shù)做了大量研究.文獻［39］從表面涂層的成分、形貌、殘余應力、力學性能及耐磨蝕性等方面詳細闡述了質(zhì)量分析和檢測的內(nèi)容，并介紹了常用的測試方法、設(shè)備.文獻［40］通過制備涂層，對比壓痕法和衍射法測量殘余應力，最后肯定了納米壓痕法的優(yōu)越性.文獻［41］采用云紋干涉技術(shù)對表面涂層切割面的殘余應力進行檢測，最終建立了再制造零件涂層的接觸應力/疲勞壽命耦合作用下的壽命預測方程.文獻［42］概述了國內(nèi)常用的涂層接觸疲勞過程在線監(jiān)測技術(shù)和用于失效檢測的無損檢測技術(shù)，并提出智能材料的應用，對再制造檢測技術(shù)的進一步發(fā)展具有重要的指導意義.

6 無損檢測技術(shù)發(fā)展

無損檢測技術(shù)從提出至今已得到很大的發(fā)展，其中超聲檢測技術(shù)在實踐中得到了最為廣泛的應用.然而為了完成有效準確的檢測，無損檢測技術(shù)還需不斷完善，其發(fā)展大致有以下幾個方向：

（1）提高精度.一方面是提高儀器的精度、靈敏度；另一方面是分析實驗過程中的各種影響因素，減少其對實驗結(jié)果的干擾，提高檢測質(zhì)量.

（2）研發(fā)集成檢測設(shè)備.面對多樣的再制造零件，通過集成多種檢測技術(shù)，開發(fā)相應集成檢測設(shè)備，實現(xiàn)檢測的數(shù)字化、自動化、智能化，完成對不同零件的有效檢測評定.

（3）信息融合技術(shù).積極研發(fā)多傳感器信息融合，將各種無損檢測技術(shù)集成.但這種集成不能只是機械地放置在一起，而是要能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)層、特征層和決策層的同步融合.

（4）信號分析處理技術(shù).在由無損檢測手段采集到信號之后，利用諸如希爾伯特變化、小波分析等技術(shù)手段，提高信號分析的準確度，進而提高無損檢測技術(shù)對缺陷定量評價的能力.

（5）技術(shù)標準的制定.無規(guī)矩不成方圓，沒有科學、合理、嚴謹、規(guī)范的技術(shù)標準，無損檢測將無據(jù)可依.因此，在技術(shù)發(fā)展的過程中，對應的檢測技術(shù)標準也需要不斷完善，以有效指導實踐中的檢測過程.

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A Research Process of Detecting Technology for the Recycling of Electromechanical Products

YANG Erfeng1,ZHOU Ziqiang1,2,DAI Guohong1,2,BI Ke1
(1.Jiangsu Key Laboratory of Recycling and Reusing Technology for Mechanical and Electronic Products,Changshu 215500; 2.School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

The detection method for electromechanical products recycling,which runs through the whole process of product recycling,is part of the essential guarantees to ensure product quality and to improve efficiency.The present research directions and results of Nondestructive Detection(NDT)were expounded from the three perspectives of life evaluation,internal defect detection and coating performance testing so as to provide some reasonable reference for the detection technology research of electromechanical products recycling.

electromechanical products;recycling;NDT;development direction

TH878

A

1008-2794（2017）02-0033-06

2016-01-06

江蘇省333高層次人才培養(yǎng)工程資助項目“面向汽車再制造的選擇性拆卸策略與關(guān)鍵技術(shù)研究”（BRA2012158）

戴國洪，教授，博士，研究方向：數(shù)字化制造工藝與裝備，E-mail：dgh@cslg.cn.