陸英豪，倪培君，齊子誠，林俊明，李寒林，付 康，唐盛明

(1.中國兵器科學(xué)研究院寧波分院，寧波315103；2.愛德森(廈門)電子有限公司，廈門361004；3.集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院，廈門361021)

活塞是發(fā)動機的“心臟”，在運行工況下承受著很大的機械負(fù)荷和熱負(fù)荷，對發(fā)動機的性能起著至關(guān)重要的作用[1]。鋁基復(fù)合材料活塞具有耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、強度高、線性膨脹系數(shù)小、質(zhì)量小等優(yōu)點[2]。

鋁基復(fù)合材料活塞通常采用擠壓鑄造工藝整體成型[3]，其剖面如圖1所示。在鑄造鋁基復(fù)合材料活塞時，頂部燃燒室容易出現(xiàn)縮孔和縮松[4]；熱處理工藝不當(dāng)可能導(dǎo)致活塞頂出現(xiàn)裂紋；材料不均勻也可能產(chǎn)生夾雜[5]。這些缺陷嚴(yán)重?fù)p害了材料的力學(xué)性能，甚至可能導(dǎo)致活塞頂部開裂和穿孔[6]，造成活塞失效甚至發(fā)動機拉缸等嚴(yán)重事故。因此，需要對活塞燃燒室表面缺陷進(jìn)行檢測。目前采用滲透檢測方法，該方法雖然容易實施，但僅能檢測表面開口缺陷，檢測效率低，無法滿足大批量的檢測需求，并且滲透劑、顯像劑等化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境有污染。而渦流檢測方法能同時檢測表面開口缺陷及近表面缺陷，易于實現(xiàn)自動化檢測[7]，綠色環(huán)保。

圖1 鋁基復(fù)合材料活塞剖面示意

考慮到活塞燃燒室結(jié)構(gòu)為“ω”型回轉(zhuǎn)體，若采用機械手控制點式渦流探頭的方式檢測[8]，需要保證機械手有6個方向的自由度，不僅設(shè)備制造成本高、操作難度大，而且檢測效率相對較低。渦流陣列技術(shù)將多個渦流線圈沿工件表面陣列排布，對工件進(jìn)行快速檢測[9]。渦流陣列檢測探頭尺寸較大，單次掃查覆蓋面積大，檢測效率高；其外形可根據(jù)實際被檢測對象的形面進(jìn)行設(shè)計，更易實現(xiàn)自動化檢測；渦流陣列檢測探頭能同時檢測出不同方向的缺陷，克服了普通檢測線圈對缺陷方向性敏感的缺點[10]。筆者研究了基于渦流陣列技術(shù)的活塞燃燒室無損檢測方法及相關(guān)檢測工藝，實現(xiàn)了發(fā)動機活塞燃燒室表面及近表面缺陷的有效檢出。

1 活塞燃燒室材料特性分析

1.1 活塞燃燒室材料成分分析

使用直讀光譜儀對多批次活塞基體材料的主要成分進(jìn)行分析統(tǒng)計，可知活塞基體中Al的含量較為穩(wěn)定，其他成分的含量也相差很小，材料組分對渦流檢測的干擾可忽略。

1.2 活塞燃燒室電磁特性分析

使用VersaLab型振動樣品磁強計測量相對磁導(dǎo)率；采用四線法測量電阻，根據(jù)長度、直徑及電阻求出電阻率。根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果，計算得到相對磁導(dǎo)率的平均值為1.000 6(≈1)，電阻率的平均值為0.071 6 mΩ·mm，即電導(dǎo)率為14.0 S·m-1。將這些數(shù)據(jù)代入滲透深度計算公式，得到活塞燃燒室表面的渦流滲透深度曲線(見圖2)。可見，隨著頻率的增加，渦流滲透深度降低。在檢測中，通常選用的激勵頻率為100 kHz～200 kHz，即滲透深度為0.34～0.48 mm。

圖2 活塞燃燒室表面渦流滲透深度曲線

2 檢測設(shè)備

2.1 渦流陣列檢測系統(tǒng)

研制了專用的活塞燃燒室渦流陣列檢測系統(tǒng)(見圖3)。系統(tǒng)由渦流檢測儀、渦流陣列檢測探頭、機械裝置、上位機、下位機等構(gòu)成。渦流檢測儀為愛德森(廈門)電子有限公司生產(chǎn)的EEC-65型多頻渦流儀，其由振蕩器、采集卡、放大器、相敏檢波器、幅度鑒別器及濾波器等組成。由于活塞頂部燃燒室為復(fù)雜型面回轉(zhuǎn)體，所以可以通過實現(xiàn)渦流陣列檢測探頭與活塞之間的相對旋轉(zhuǎn)完成頂部覆蓋面的檢測，渦流陣列檢測探頭結(jié)構(gòu)如圖4所示，其外形擬合活塞燃燒室表面形狀，內(nèi)部有32個差分線圈，為了提高渦流線圈檢測的覆蓋率，線圈排布方式設(shè)計為雙列交錯式。其中，每個線圈僅接收自己發(fā)射的渦流信號，屬于自感式渦流陣列傳感器。機械裝置用于完成活塞的裝夾及旋轉(zhuǎn)傳動；上位機內(nèi)有渦流數(shù)據(jù)分析及成像軟件，有燃燒室C掃描成像、檢測位置阻抗平面圖顯示、檢測位置幅值/相位顯示、缺陷濾波和基于圖像的缺陷長度測量等功能，上位機與下位機通過網(wǎng)線以及渦流檢測儀連接，可以實現(xiàn)渦流檢測信號的高效、穩(wěn)定采集和分析。下位機由PLC(可編程邏輯控制器)、觸摸屏以及各部分電機等組成，運行穩(wěn)定、操作方便。

圖3 活塞燃燒室渦流陣列檢測系統(tǒng)外觀

圖4 渦流陣列檢測探頭結(jié)構(gòu)示意

2.2 設(shè)計制作對比試塊

根據(jù)活塞燃燒室表面缺陷的檢測要求，設(shè)計制作兩個對比試塊，如圖5所示。在1號對比試塊的0°處刻一條寬0.12 mm，深0.2 mm的貫穿刻槽，90°和270°處各刻4條周向缺陷和徑向缺陷，缺陷尺寸為5 mm×0.12 mm×0.2 mm(長×寬×深)，徑向刻槽、周向刻槽的中心關(guān)于圓心對稱；在2號對比試塊的0°處刻1條貫穿刻槽，90°處刻4條周向缺陷，在第2條周向缺陷中心圓弧上每隔45°刻1條方向不同大小相同的缺陷，缺陷大小與1號對比試塊的相同。在這兩個對比試塊上進(jìn)行檢測工藝研究。

圖5 對比試塊結(jié)構(gòu)示意

3 檢測工藝

為了滿足檢測效率、靈敏度和深度的要求，對活塞燃燒室開展檢測工藝研究。渦流陣列檢測過程中對檢測結(jié)果影響較大的工藝參數(shù)主要包括激勵頻率、高通濾波、旋轉(zhuǎn)速度等。

3.1 激勵頻率

設(shè)計要求渦流陣列檢測的滲透深度應(yīng)不小于0.2 mm，結(jié)合滲透深度公式以及前文測量所得的活塞燃燒室材料的電導(dǎo)率、相對磁導(dǎo)率，計算得到激勵頻率f需要不大于568 kHz。

試驗所用的對比試塊為1號試塊，設(shè)置增益為45 dB，相位為300°，試驗的激勵頻率為111 kHz～200 kHz，共41組激勵頻率。研究在不同激勵頻率下，各通道檢測到貫穿刻槽的信號幅值以及相位的變化規(guī)律。共有32個通道，1號通道靠近中心位置，32號通道靠近外側(cè)。由于數(shù)據(jù)過多，此處選取7，16，21，24號通道信號進(jìn)行繪圖，其幅值和相位變化曲線分別如圖6，7所示。

圖6 幅值變化曲線

圖7 相位變化曲線

由圖6，7可知，當(dāng)激勵頻率增大時，幅值和相位的變化都是先增大后減小再增大，極大值點處的頻率為147 kHz。頻率為200 kHz時具有更好的檢測靈敏度，頻率為147 kHz時有更深的檢測范圍。這時需要對比兩種頻率下缺陷信號與干擾信號之間的相位差，以便在檢測時能夠更好地將缺陷信號與干擾信號分離。以21號通道為例，當(dāng)激勵頻率為147 kHz時，缺陷信號與干擾信號的相位差為46°；激勵頻率為200 kHz時，缺陷信號與干擾信號的相位差為21°。因此，選用147 kHz作為檢測的激勵頻率。

3.2 高通濾波

高通濾波的主要作用是濾除低頻干擾波。設(shè)置增益為45 dB，相位為300°，激勵頻率為147 kHz，所用的高通頻率為0～5 Hz，共6組，選取1，9，19，29號通道信號進(jìn)行繪圖，其幅值曲線如圖8所示。由圖8可知，高通濾波對靠近燃燒室中心通道的影響更大。

圖8 高通濾波的幅值曲線

改變高通濾波頻率為0～5 Hz，每組連續(xù)測量20次，記錄21號通道每次接收的缺陷信號，計算方差，并記錄干擾信號的大小，結(jié)果如表1所示，不開高通濾波時缺陷信號不穩(wěn)定，不利于檢測，當(dāng)高通濾波頻率達(dá)到3 Hz后，檢測到的缺陷信號接近穩(wěn)定。高通濾波頻率為5 Hz時，干擾信號最小。

表1 幅值方差與干擾信號

3.3 旋轉(zhuǎn)速度

為了兼顧檢測精度與檢測效率，應(yīng)選取合適的旋轉(zhuǎn)速度。設(shè)置增益為45 dB，相位為300°，激勵頻率為147 kHz，設(shè)置高通濾波頻率分別為0 Hz和5 Hz，旋轉(zhuǎn)速度為0.1～1 r·s-1，選取1，9，19，29號通道信號進(jìn)行繪圖，旋轉(zhuǎn)速度與幅值關(guān)系曲線如圖9，10所示。

圖9 高通濾波頻率為0 Hz時的旋轉(zhuǎn)速度與幅值關(guān)系曲線

圖10 高通濾波頻率為5 Hz時的旋轉(zhuǎn)速度與幅值關(guān)系曲線

由圖9，10可知：高通濾波為0 Hz時，增大旋轉(zhuǎn)速度，中心部位的通道信號幅值基本保持不變，邊緣部位的通道信號幅值先保持不變后減??；高通濾波頻率為5 Hz時，增大旋轉(zhuǎn)速度，中心部位的通道信號幅值增大，邊緣部位的通道信號幅值先增大后減小。由于線速度=角速度×半徑，結(jié)合從圖8得到的信息(高通濾波對靠近燃燒室中心通道的影響更大)，可以得到結(jié)論如下：不開高通濾波時，在一定范圍內(nèi)，線圈與工件的相對運動速度對信號幅值基本沒有影響；由于系統(tǒng)采樣頻率一定，過大的速度會導(dǎo)致信號沒有被采集完整，幅值變小。打開高通濾波后，線速度在一定范圍內(nèi)變大，信號幅值也會隨之變大。這意味著采集到的響應(yīng)信號頻率與速度有一定關(guān)系。

圖11 旋轉(zhuǎn)速度為0.2 r·s-1時的頻域信號

將采集到的x軸和y軸信號分別進(jìn)行傅里葉變換，結(jié)果如圖11，12所示，此時高通濾波頻率為0 Hz，激勵頻率為147 kHz，增益為45 dB，相位為300°，旋轉(zhuǎn)速度分別為0.2 r·s-1和0.8 r·s-1，選取的通道為1號通道?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，響應(yīng)信號內(nèi)的高頻成分信號明顯增大。

圖15 活塞頂部燃燒室C掃描圖像、金相檢驗和掃描電鏡結(jié)果及能譜圖

圖12 旋轉(zhuǎn)速度為0.8 r·s-1時的頻域信號

3.4 C掃描成像

根據(jù)上述研究結(jié)果，選定檢測參數(shù)如下：激勵頻率為147 kHz，旋轉(zhuǎn)速度為0.2 r·s-1,高通濾波頻率為5 Hz。調(diào)整增益和相位，使各通道的阻抗平面信號幅值能夠達(dá)到報警閾值，相位為90°，且貫穿刻槽的檢測結(jié)果一致。試驗得到的1號和2號對比試塊的C掃描圖像如圖13，14所示。

圖13 1號對比試塊C掃描圖像

圖14 2號對比試塊C掃描圖像

可以看到，人工缺陷的位置、大小和C掃描圖像具有較好的對應(yīng)關(guān)系。同時，也發(fā)現(xiàn)燃燒室中心部位有小塊盲區(qū)，缺陷顯示效果較差。這是由于靠近燃燒室中心的渦流信號幅值低，包絡(luò)信號頻率低。

4 試驗驗證

在完成對比試塊的檢測后，對實際成品活塞進(jìn)行檢測。在正常情況下，檢測速度為24 s/件。其中，某活塞燃燒室的C掃描圖像如圖15(a)所示，存在疑似缺陷部位。由于該缺陷是近表面缺陷，肉眼和滲透檢測均無法看到，為此對缺陷部位進(jìn)行了金相檢驗。圖15(b)為活塞燃燒室無缺陷處的金相檢驗結(jié)果，圖15(c)為缺陷處的金相檢驗結(jié)果，可以看到缺陷區(qū)域分布著大量不規(guī)則的黑色小斑塊；圖15(d)為缺陷區(qū)域的掃描電鏡照片。黑色區(qū)域能譜圖如圖15(e)所示?；钊紵也课蝗绻霈F(xiàn)氧化夾雜，會影響材料的力學(xué)性能，應(yīng)加以避免。

5 結(jié)語

渦流陣列檢測技術(shù)是活塞燃燒室無損檢測的有效手段。通過采用32通道獨特的活塞燃燒室渦流陣列探頭及專用檢測系統(tǒng)，能同時檢測活塞燃燒室表面及近表面缺陷，檢測效率高，實現(xiàn)了發(fā)動機活塞燃燒室表面的快速無損檢測。試驗結(jié)果表明，活塞燃燒室的渦流陣列檢測技術(shù)的檢測靈敏度高；C掃描圖像與缺陷的位置及大小具有較好的對應(yīng)關(guān)系。檢測速度的增加會導(dǎo)致渦流信號頻帶中的高頻成分增多；燃燒室中心部位缺陷信號弱，存在漏檢的可能。