滕德金，王東方，滕德巧

(南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人類最普遍的代步工具，然而汽車各零部件的材料、功能以及結(jié)構(gòu)各不相同，汽車各零件壽命不盡相同，因此廢舊汽車中存在大量可回收再利用的零部件[1]。汽車零件的廢舊回收再利用技術(shù)是汽車行業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢，也有利于節(jié)約大量的自然資源，實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)[2]。然而廢舊回收的零部件必須滿足其質(zhì)量要求[3]。在汽車生產(chǎn)制造過程中，為保證汽車的安全性和可靠性，汽車零部件的質(zhì)量尤為重要。如果關(guān)鍵的零部件內(nèi)部出現(xiàn)缺陷或表面出現(xiàn)裂紋，在汽車運行交變應(yīng)力的作用下，內(nèi)部缺陷會向外延伸或者表面的裂紋變大，長期運行存在重大安全隱患。隨著無損檢測技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)成為零部件質(zhì)量控制的重要手段[4-5]。

近年來國內(nèi)外已有諸多學(xué)者對汽車零部件進(jìn)行了各種方式的無損檢測研究。通常對連桿的檢測為磁粉檢測，但因其效率低，漏檢多，逐漸被超聲檢測取代，且超聲檢測也在汽車其他零部件上廣泛應(yīng)用。如楊曉霞[6]對汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)腔腐蝕研究，提出了利用超聲相控陣技術(shù)對汽車發(fā)動機(jī)內(nèi)腔腐蝕缺陷的檢測方案；陸銘慧[7]利用超聲相控陣成像技術(shù)和輔助檢測軟件開展對曲軸R區(qū)域的檢測和連桿檢測；董世運[8]用橫波斜探頭對連桿進(jìn)行超聲檢測，采用小波降噪處理分析連桿缺陷；趙永利[9]對發(fā)動機(jī)連桿進(jìn)行A型脈沖反射式超聲檢測連桿缺陷。但是針對廢舊收回再利用的連桿而論，考慮到安全性，普通的超聲檢測方法已經(jīng)無法滿足回收再利用連桿的檢測。本文主要運用無損檢測技術(shù)的相控陣超聲技術(shù)檢測舊連桿是否符合回收再利用的質(zhì)量要求。

無損檢測常用的檢測方法有超聲檢測、渦流檢測、磁粉檢測、滲透檢測、射線檢測和激光全息檢測法。在汽車零部件加工工程中廣泛應(yīng)用，也是廢舊回收汽車零部件質(zhì)量控制的重要保證[10-12]。

超聲檢測法：以波動的形式在彈性介質(zhì)中傳播的機(jī)械振動特性對試件進(jìn)行宏觀缺陷檢測。以其適用范圍廣、穿透能力強(qiáng)、定位較準(zhǔn)確、靈敏度較高、對面積缺陷檢出率較高、檢測成本低等優(yōu)點使其廣泛應(yīng)用在制造、石油化工、造船、航空航天、核能、軍事工業(yè)、醫(yī)療器械以及海洋探測等領(lǐng)域。

渦流檢測:利用電磁感應(yīng)原理，檢測該試件中有無缺陷或評定其技術(shù)狀態(tài)的無損檢測方法。渦流檢測對象主要是非磁性的導(dǎo)電材料制品(管材、線材和棒材)，既可用于大型設(shè)備，也可以用于生產(chǎn)過程的質(zhì)量檢測與監(jiān)控等，對導(dǎo)電材料表面和近表面缺陷檢測靈敏度高。

磁粉檢測法：利用磁粉在缺陷的漏磁現(xiàn)象，來顯示試件表面與近表面缺陷，直觀顯示缺陷的形狀、位置、大小。磁粉檢測幾乎不受試件大小和形狀的限制，檢測速度快，工藝簡單，費用低廉，但其局限于檢測鐵磁體材料及合金材料，不適用于非鐵磁體材料。

滲透檢測:利用毛細(xì)現(xiàn)象，通過滲透劑覆蓋在試件表面來顯示放大缺陷痕跡。滲透檢測設(shè)備簡單、攜帶方便、適合野外工作，適用于陶瓷、玻璃、塑料、粉末煉金等各種材料制造的零部件表面開口缺陷的檢測。

射線檢測:利用X射線、γ射線和中子射線易于穿透物體的特性，從而檢測出物體內(nèi)部缺陷的性質(zhì)、大小、分布狀況并作出評價分析。射線檢測對體積型缺陷的檢測靈敏度高，但對人體有害，對檢測人員的操作要求比較高，檢測時要做好必要的防御措施。

激光全息檢測法：利用激光全息照相方法來觀察試件的表面和內(nèi)部缺陷。其特點是靈敏度高、適用范圍廣、定位準(zhǔn)確、直觀性強(qiáng)和非接觸檢測等優(yōu)點。而工件內(nèi)部缺陷過深或過于微小則不易檢測，且其檢測一般需要在暗室中進(jìn)行。

隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，主流的無損檢測研究手段與技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展，如X射線實時成像系統(tǒng)、相控陣超聲檢測系統(tǒng)、衍射時差超聲檢測、自動磁粉探傷系統(tǒng)、漏磁自動探傷系統(tǒng)以及新型滲透材料的出現(xiàn)等。此外，無損檢測還增添了一些新的檢測方法，如聲發(fā)射檢測、工業(yè)CT檢測、紅外檢測、光纖檢測、微波檢測、振動與噪聲檢測、泄露檢測等其他適合各不相同材料與場地的檢測方法。到目前為止，已有將近50多種檢測方法被列為無損檢測的范疇。

1 連桿的疲勞失效與壽命分析

1.1 連桿疲勞失效分析

發(fā)動機(jī)連桿作為連接內(nèi)燃機(jī)活塞與曲軸的重要零件，在曲軸連桿運轉(zhuǎn)時，受力情況復(fù)雜，主要受到活塞與曲軸的作用力、頂部氣體作用力、螺栓預(yù)緊力以及氣缸壁的側(cè)壓力等，且連桿運動時既要隨活塞作平移運動又要繞活塞銷擺動，因此它還存在離心慣性力、往復(fù)慣性力、連桿與活塞接觸表面的摩擦力以及其他阻力等力的作用[13-14]。圖1是連桿受力分析圖。

圖1 連桿受力分析

長期以往，連桿極易發(fā)生連桿變形、折斷、彎曲、扭曲、以及孔徑變形與磨損等失效形式[15-16]。

1.2 連桿的疲勞壽命分析

根據(jù)馮志遠(yuǎn)、楊國旗等學(xué)者對發(fā)動機(jī)連桿在不同工況下，用有限元軟件進(jìn)行疲勞壽命分析可知，連桿在交變應(yīng)力的作用下，桿身部位處于單軸應(yīng)力狀態(tài)。連桿小頭油孔、小頭與桿身過渡部位、大頭與桿身過渡部位、連桿蓋螺栓沉孔部位均處于多軸應(yīng)力狀態(tài)，這些都是極易發(fā)生疲勞斷裂的潛在區(qū)域[17-18]。有限元分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 連桿疲勞最短壽命區(qū)域

通過有限元軟件分析結(jié)果表明，連桿最短壽命出現(xiàn)在連桿小頭與桿身之間的過渡凹槽部位以及連桿桿身的中間部位。

2 連桿的相控陣超聲無損檢測研究

2.1 連桿的相控陣檢測

由于汽車連桿多為鍛鋼件，其材質(zhì)一般為碳素鋼或合金，所以對連桿的無損檢測方法普遍采用磁粉探傷法，但其僅僅局限于發(fā)現(xiàn)由連桿磁性材料的零件上的表面和亞表面的裂紋、夾雜物、氣孔等。這種檢測方法無法全方位準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)其裂紋位置，需要檢測人員先前用肉眼去發(fā)現(xiàn)裂紋的潛在位置，再通過儀器來進(jìn)行檢測，這大大降低了檢測的準(zhǔn)確性與時效性。而超聲波探傷法是一種不但能夠檢測到連桿表面和亞表面的裂紋、夾雜物、疏松等缺陷，還能夠準(zhǔn)確檢測其內(nèi)部縮孔、疏松等缺陷，例如其非金屬材料夾雜的白點、夾層、氣泡、內(nèi)部裂紋等。然而常規(guī)的超聲波檢測對缺陷定位定量精度不是很高，不能準(zhǔn)確地確定缺陷在待測物方向上的尺寸以及準(zhǔn)確位置。

2.2 連桿的相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲技術(shù)發(fā)展已有20多年，初期主要用于醫(yī)療領(lǐng)域，而隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使其在工業(yè)無損檢測中的應(yīng)用成為現(xiàn)實。其主要原理是通過控制超聲聲束的偏轉(zhuǎn)與聚焦，通過有限的陣元有序排列構(gòu)成的換能器陣列中各陣元的激勵時序，調(diào)整各個陣元發(fā)射信號的波形、幅度和延遲來改變聲波到達(dá)物體內(nèi)某點的相位關(guān)系，實現(xiàn)空間的疊加合成，完成超聲聲束偏轉(zhuǎn)和聚焦。其工作原理圖如圖3。

圖3 相控陣超聲檢測工作原理

相控陣超聲技術(shù)的誕生成為工業(yè)無損檢測的重要手段，它與傳統(tǒng)的超聲檢測相比，具有以下優(yōu)點：

1) 采用電子脈沖激勵來控制聲束聚焦和掃描，檢測速度成倍提高。

2) 具有良好的聲束聚焦與偏轉(zhuǎn)控制，能對復(fù)雜幾何形狀的零部件進(jìn)行檢測。

3) 通過動態(tài)控制聲束的偏轉(zhuǎn)與聚焦，可提高檢測分辨力、信噪比和靈敏度等性能。

4) 仿真成像技術(shù)解決幾何復(fù)雜構(gòu)件檢測難題, 成像由各聲束A掃數(shù)據(jù)產(chǎn)生,實際檢測結(jié)合工藝軌跡追蹤,同步顯示A、B、C、D、P、3D掃描數(shù)據(jù)。

2.3 相控陣超聲檢測聲束控制

在相控陣檢測中，對于發(fā)射與接收部分，其核心是通過延時使各晶元發(fā)射超聲波到達(dá)檢測區(qū)域某點時的相位關(guān)系，實現(xiàn)聲速偏轉(zhuǎn)和聲能聚焦，如圖4、圖5。超聲聲束的控制方式主要有聲束偏轉(zhuǎn)、聚焦以及偏轉(zhuǎn)和聚焦的組合控制3種形式。

圖4 超聲聲束偏轉(zhuǎn)形式

圖5 超聲聲束聚焦形式

a) 聲束的偏轉(zhuǎn)

圖6設(shè)振元個數(shù)為n個，從左到右依次排列，tn為陣元n延時時間，θ為聲束偏轉(zhuǎn)角，d為陣元中心距，c為超聲聲速，可得相控陣超聲聲束偏轉(zhuǎn)的延時法則為:

(1)

圖6 超聲聲束的偏轉(zhuǎn)

b) 聲束的聚焦

據(jù)相控陣原理，實現(xiàn)聲速的聚焦即為聲速的相位疊加，使各陣元發(fā)射聲波在聚焦點處同相位疊加增強(qiáng)聲壓，異相位聲壓抵消或削弱。圖7所示為在發(fā)射聲束時計算好延時時間，使聲波達(dá)到聚焦效果。聲束聚焦延時法則如下：

(2)

圖7 超聲聲束的聚焦

c) 聲束的偏轉(zhuǎn)聚焦

如圖8所示,設(shè)相控陣偏轉(zhuǎn)聚焦的焦點與法線的夾角為θ，超聲換能器的陣元數(shù)目為n,相鄰陣元中心間距為d,焦距為F,tn為第n個陣元的激勵時間,則晶片位置、延遲、焦距和偏轉(zhuǎn)角度應(yīng)該滿足以下關(guān)系式:

(3)

圖9 超聲聲束的偏轉(zhuǎn)聚焦

通過圖8幾何關(guān)系求解第n個陣元的延時時間為：

(4)

按照泰勒級數(shù)展開后，舍去其中大于二階的多項式，得到相鄰的兩個陣元的聚焦延時為：

(5)

2.4 相控陣陣元的輻射聲場聲壓

實際中相控陣超聲傳感器陣元是具有一定幾何尺寸的，不能將其簡單的看作理想點源來處理，但是可以將陣元看作是無限多個理想點源組成，如圖9所示。

圖10 相控陣陣元的輻射聲場

設(shè)陣元尺寸為2Le,信號強(qiáng)度為i(x0),x0[-Le,Le],則陣元在點(x,z)的輻射聲壓為：

(6)

化簡可得相控陣聲場中的任意一點(x,z)處的聲壓表達(dá)式為：

(7)

式中：a為傳感器陣元離散點源的間距，m=1,2,…,M。

通過以上公式可得陣元數(shù)為64時的相控陣探頭的輻射聲場，用MATLAB軟件描述可得。圖 10是相控陣換能器陣元數(shù)位64時的直入射聲場，圖11給出了相控陣換能器陣元數(shù)為64時的斜入射聚焦聲場。

圖10 陣元數(shù)為64時的直入射聲場圖像

圖11 陣元數(shù)為64時的斜入射聲場圖像

3 連桿的相控陣超聲無損檢測實驗

以國家超聲檢測標(biāo)準(zhǔn)JB/T10659—2015《無損檢測 鍛鋼材料超聲檢測 連桿的檢測》為依據(jù)對汽車連桿進(jìn)行無損評價。由于單振元的聚焦能力弱，而多振元對同一個點進(jìn)行聚焦后會通過疊加作用大幅度提高該點的聲壓幅值，這樣能夠提高聚焦點處的回?fù)芊?，提高缺陷回波識別效果，因此參與子振元的數(shù)量越多,其聚焦效果越好[19]。

常規(guī)超聲檢測一般分為連桿大頭、小頭和桿身3個部分，按照不同的靈敏度分別進(jìn)行超聲檢測?？紤]連桿桿身“工”字形，中部、大頭、小頭位置結(jié)構(gòu)復(fù)雜及大、小頭部位超聲近場區(qū)干擾、過渡圓角過多等問題，在檢測時一般要考慮用多個超聲探頭同步進(jìn)行檢測，而且很容易產(chǎn)生一些漏檢與誤判，而采用相控陣超聲技術(shù)檢測則無需采用多個探頭就可以簡單、快速、準(zhǔn)確地定位連桿缺陷的位置。本文選取OmniScanMX超聲波探傷儀的相控陣超聲檢測設(shè)備進(jìn)行檢測，線陣列探頭尺寸為25×25mm，其儀器與探頭如圖12。試件連桿的材質(zhì)為45鋼，縱波聲速為5 920m/s，橫波聲速為3 240m/s，儀器和探頭參數(shù)如表1所示。

圖12 OmniScan MX超聲波探傷儀與線陣列探頭

陣列參數(shù)數(shù)值陣元數(shù)量64陣元寬度/mm1.5陣元間距/mm0.1陣元中心頻率/MHz3.5采樣率/MHz100

連桿試件照片以及成像區(qū)域如圖13，連桿試件上有3個孔作為模擬缺陷：桿身位置A(直徑為1mm的盲孔，孔深3mm)、連桿小頭與桿身過渡凹槽部位B(直徑為1mm的盲孔，孔深5mm)。

圖13 連桿人造缺陷A、B位置

實驗過程中，先確定超聲波聲束覆蓋曲軸檢測范圍和缺陷存在的大概位置以及探頭的位置、參數(shù)，尤其是掃查的角度范圍，通過檢測軟件建立起基本的模型參數(shù)，實現(xiàn)聲束控制的可視化。通過輔助軟件根據(jù)檢測過程中獲得的聲束聲程與角度，自動標(biāo)定反射點的位置，根據(jù)軟件識別缺陷的信號類型，并對缺陷進(jìn)行定位。

探頭置于不同位置，聲束的截面隨著聲束入射點至缺陷處的弧長而變化，調(diào)整相控陣探頭位置及聲束繪制的角度，使聲束覆蓋缺陷的最佳位置，采用超聲耦合劑進(jìn)行無縫粘結(jié)，再進(jìn)行聚焦延遲校準(zhǔn)、靈敏度校準(zhǔn)和DAC曲線校準(zhǔn)等，以提高檢測的準(zhǔn)確性與適用性。A、B處的人工缺陷定位結(jié)果如圖14、圖15。

圖14 相控陣超聲檢測缺陷A位置

通過輔助定位分析軟件得出連桿缺陷的位置與實際人造缺陷位置進(jìn)行對比，可知輔助的定位分析軟件可以滿足定位要求，便于對缺陷定性定位，提高檢測的效率(表2)。

圖15 相控陣超聲檢測缺陷B位置

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4 結(jié)語

文章通過相控陣超聲檢測方法，結(jié)合檢測儀器的輔助軟件功能對連桿桿身和連桿小頭與桿身過渡凹槽區(qū)域進(jìn)行了檢測研究。通過研究發(fā)現(xiàn):1) 相控陣超聲檢測的聲束聚焦偏轉(zhuǎn)特性，具有更高的靈敏度和準(zhǔn)確性，采用相控陣對舊連桿檢測是有效可行的；2) 通過輔助軟件，對相控陣超聲檢測連桿的重點區(qū)域進(jìn)行工藝指導(dǎo)，能對缺陷的位置以及類型進(jìn)行更加準(zhǔn)確可視化的定位與判定，從而快速地分辨出缺陷的真?zhèn)?，提高檢測效率；3) 通過輔助軟件成像系統(tǒng)檢測的缺陷結(jié)果與人工實際的缺陷位置對比，絕對誤差很小，可知其定位相當(dāng)有效可行；4) 利用相控陣超聲檢測技術(shù)相較于常規(guī)的超聲檢測技術(shù)，結(jié)合輔助軟件檢測儀器與探頭可以更好地應(yīng)用于汽車其他復(fù)雜零部件的檢測，這為汽車廢舊零部件的回收利用提供了有效的檢測方法，并對保證回收的零部件質(zhì)量提供有力依據(jù)。