相控陣技術(shù)在軸承套圈內(nèi)部探傷中的應(yīng)用

彭志戰(zhàn)，李國棟，陳治山，張玲，張筱旭

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471003)

軸承套圈的加工制造需經(jīng)過投料、鍛造、車磨加工及熱處理等復(fù)雜制造工序，除表面缺陷外，還容易出現(xiàn)夾渣、過燒、折迭、白點等內(nèi)部缺陷，對軸承的使用造成危害。這些內(nèi)部缺陷的檢測一般采用超聲波探傷。

1 常用的超聲波內(nèi)部探傷方法

軸承套圈規(guī)格較多，尺寸差別較大，相應(yīng)采用的超聲波探傷方法亦有所不同。

1.1 縱波直探頭

直探頭用于發(fā)射和接收縱波，主要用于探測與探測面平行的缺陷，多用于大鍛件和大型、壁厚類套圈的超聲波探傷。由于存在較大的近場區(qū)長度，故不適合壁厚小于40 mm軸承套圈的探傷。

1.2 雙晶探頭

如圖1所示，雙晶探頭有2塊壓電晶片，分別用于發(fā)射和接收超聲波。

圖1 雙晶探頭結(jié)構(gòu)

由于雙晶探頭的發(fā)射部分和接收部分都帶有延遲塊，能使探傷盲區(qū)大幅減小，對近表面缺陷的探傷十分有利。但對于壁厚超出其檢測范圍(壁厚大于2倍雙晶探頭焦距)的軸承，存在探傷盲區(qū)，將造成缺陷漏檢。

2 相控陣技術(shù)的應(yīng)用

縱波直探頭和雙晶探頭均存在一定的不足，因此，隨著超聲波技術(shù)的發(fā)展，超聲相控陣技術(shù)逐漸被采用。

2.1 相控陣探傷原理

相控陣技術(shù)是一種通過不同的電子激發(fā)時間改變探頭性質(zhì)的技術(shù)。相控陣探頭是一種晶片的激發(fā)時間可以單獨調(diào)節(jié)以控制聲束軸線和焦點等參數(shù)的晶片陣列。探頭的每一個晶片分別被獨立的脈沖激發(fā)，根據(jù)Ferma原理，可以計算出晶片的激發(fā)時間和延遲時間，使所有晶片產(chǎn)生的柱狀波(球面波)的波前在同一時間到達空間的同一點。基于缺陷的反射波被晶片接收用于檢測，檢測得出的波幅值是每一個激發(fā)的晶片所得相同相位的波幅總和。缺陷的幅值采用彩色顯示方式，每個視圖以二維的方式顯示數(shù)據(jù)。

2.2 相控陣的特點

相控陣技術(shù)除了具有一般超聲波的A掃外，又增加了B掃、C掃、D掃和S掃，特別是形成了具有可視化的S掃，使缺陷增加了直觀性，更易于判斷。

另外，相控陣探頭的單個晶片尺寸很小，使超聲場的近場區(qū)很小，既能探測較深的部位，又能檢測近表面部位，彌補了直探頭和雙晶探頭的不足。但是，采用相控陣探頭檢測也存在近表面盲區(qū)。相控陣探測外圈外徑面5 mm處缺陷圖如圖2所示(圖中超聲軸標注的是探測深度，步進軸標注是相控陣探頭晶片陣列方向的尺寸，下同)。可以看出，在外徑面下5 mm內(nèi)探測不出缺陷，此區(qū)域為探測盲區(qū)。但可以通過雙側(cè)探傷解決。

圖2 相控陣S掃圖

3 探傷對比

某軸承套圈磨加工后的尺寸如圖3所示，根據(jù)其薄壁圓環(huán)的結(jié)構(gòu)特征，不能采用直探頭，而只能采用雙晶探頭或相控陣探頭進行探測。實際探測中采用的探頭參數(shù)見表1。

圖3 磨加工后尺寸示意圖

表1 雙晶探頭與相控陣探頭探測參數(shù)對比

探傷判定采用試樣對比法，人工試樣制作出距外徑面距離分別為6，8，10，12和14 mm的φ1 mm人工缺陷孔。對于雙晶探頭，根據(jù)人工缺陷孔回波繪制DAC曲線，并據(jù)此判別大于φ1 mm的缺陷；對于相控陣探頭，則是根據(jù)人工缺陷孔調(diào)整相控陣的探測深度與增益，并依據(jù)缺陷圖像的顯示挑選出大于φ1 mm的缺陷。

相同增益條件時，探測面以下5，10，15 mm處的A掃波形圖如圖4所示，其中5 mm與15 mm處缺陷因信號太弱，不能被有效檢出。

圖4 雙晶探頭檢測不同深度φ1 mm人工缺陷對比圖

相控陣檢測的S掃圖形如圖5所示，由圖可知，大于5 mm深度缺陷均能被有效檢出。

圖5 不同深度φ1 mm人工缺陷的S掃圖

對于本例中的軸承，外圈最厚處為18 mm，采用雙晶探頭不能滿足對軸承外圈的內(nèi)部全覆蓋探傷，在0～5 mm及14～18 mm處均無法有效檢測出缺陷。而相控陣探傷對深度大于5 mm的缺陷，均能清晰、直觀地顯示出來，對于深度小于5 mm的盲區(qū)，則可通過雙側(cè)探傷解決。

4 結(jié)束語

通過雙晶探頭和相控陣探頭對軸承外圈的探傷對比分析，應(yīng)用相控陣對軸承套圈進行探傷，既可較直觀地顯示缺陷形狀，又可彌補直探頭和雙晶探頭的不足。相控陣超聲波技術(shù)以其多掃及二維顯示等特點增強了探傷的精確度，提升了軸承套圈內(nèi)部探傷檢測能力，未來的發(fā)展應(yīng)用將更加廣闊。