相控陣技術(shù)對(duì)軸承內(nèi)部缺陷性質(zhì)的分析

彭志戰(zhàn)，楊德勝，陳翠麗，陳文君

（1.洛陽(yáng)LYC軸承有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.航空精密軸承國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039）

1 軸承的無(wú)損檢測(cè)方法

常用的軸承無(wú)損檢測(cè)方法包括磁粉、渦流、滲透、超聲波和射線(xiàn)檢測(cè)等。磁粉、渦流和滲透檢測(cè)方法用于表面缺陷檢測(cè)；超聲波和射線(xiàn)檢測(cè)方法用于內(nèi)部缺陷檢測(cè)。由于射線(xiàn)檢測(cè)方法適用于體積型內(nèi)部缺陷，所以常用于焊縫與鑄件檢測(cè)，極少用于軸承內(nèi)部缺陷檢測(cè)。

采用超聲波對(duì)軸承內(nèi)部進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)時(shí)主要根據(jù)超聲波探頭接收的波幅來(lái)計(jì)算內(nèi)部缺陷的當(dāng)量值以判定缺陷的質(zhì)量等級(jí)，這是對(duì)缺陷進(jìn)行定量判別，而很多時(shí)候需對(duì)缺陷性質(zhì)進(jìn)行判定，如JB／T 5000.15—2007《重型機(jī)械通用技術(shù)條件 第15部分 鍛鋼件無(wú)損檢測(cè)》中規(guī)定不允許存在過(guò)燒、白點(diǎn)、裂紋、縮孔等類(lèi)型的缺陷，而超聲波檢測(cè)對(duì)此判定存在難點(diǎn)。最直接的手段是對(duì)缺陷解剖后進(jìn)行分析，這種破壞性檢測(cè)既耗費(fèi)時(shí)間，又給企業(yè)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)損失。

2 相控陣技術(shù)和工業(yè)CT技術(shù)的運(yùn)用

隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)損檢測(cè)水平得以提高，現(xiàn)可運(yùn)用相控陣技術(shù)和工業(yè)CT技術(shù)對(duì)內(nèi)部缺陷形貌進(jìn)行圖像顯示，比以往單純的超聲波波形顯示直觀(guān)得多。通過(guò)圖像形貌的特征去分辨不同類(lèi)型的內(nèi)部缺陷，不必采用破壞分析即可判斷缺陷性質(zhì)。

對(duì)比常規(guī)超聲波檢測(cè)技術(shù)，相控陣技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）快速。相控陣線(xiàn)性?huà)卟楸瘸Ｒ?guī)探頭的光柵掃查快得多，不但顯著縮短工廠(chǎng)的停工期，還節(jié)省費(fèi)用。

2）靈活。單個(gè)相控陣探頭根據(jù)設(shè)置文件采用不同掃查方式即可檢測(cè)不同零件。

3）可進(jìn)行復(fù)雜檢測(cè)。相控陣可檢測(cè)幾何型面復(fù)雜的軸承零件。

4）陣列尺寸小。小晶片的陣列在具體檢測(cè)中易于應(yīng)用，例如相控陣探頭在轉(zhuǎn)盤(pán)軸承齒部的檢測(cè)中可克服常規(guī)探頭受空間所限無(wú)法檢測(cè)的問(wèn)題。

5）可靠性強(qiáng)。檢測(cè)時(shí)在工件上移動(dòng)量越小，檢測(cè)系統(tǒng)越可靠。電子掃查代替機(jī)械掃查既減少了磨損，又增加了系統(tǒng)的可靠性。

6）方向難以辨別的缺陷可檢測(cè)性增強(qiáng)。波束的聚焦增加了信噪比，在扇形掃查中大量A掃數(shù)據(jù)增加每個(gè)角度的分辨率，從而增強(qiáng)檢出率。

相控陣技術(shù)除具有一般超聲波的A掃外，又增加了B掃、C掃、D掃和S掃。S掃使內(nèi)部缺陷顯示具有直觀(guān)性，更易于判斷。

工業(yè)CT技術(shù)不但能準(zhǔn)確判定被檢缺陷的空間位置分布、形狀、大小，而且圖像較清晰，但其存在造價(jià)高、檢測(cè)速度慢、檢測(cè)工件尺寸要求有限制、不易移動(dòng)等缺點(diǎn)，故主要用于研究，而很少用于在線(xiàn)檢測(cè)。為了加強(qiáng)對(duì)軸承內(nèi)部缺陷形貌的認(rèn)識(shí)，加入工業(yè)CT圖像的內(nèi)容，以利于分析和判斷軸承內(nèi)部缺陷性質(zhì)。

3 相控陣探傷原理和工業(yè)CT成像原理

相控陣技術(shù)通過(guò)不同的電子激發(fā)時(shí)間改變探頭性質(zhì)。相控陣探頭是一種單獨(dú)調(diào)節(jié)晶片的激發(fā)時(shí)間以控制聲束軸線(xiàn)和焦點(diǎn)等參數(shù)的晶片陣列。探頭的每個(gè)晶片分別被獨(dú)立的脈沖激發(fā)，根據(jù)Ferma原理可計(jì)算晶片的激發(fā)時(shí)間和延遲時(shí)間，使所有晶片產(chǎn)生的柱狀波（球面波）的波前在同一時(shí)間到達(dá)空間的同一點(diǎn)。基于缺陷的反射波被晶片接收，檢測(cè)得出的波幅是每個(gè)激發(fā)的晶片所得相同相位的波幅總和。

工業(yè)CT基于射線(xiàn)投影進(jìn)行圖像重建，工作過(guò)程大致可分為2步：1）利用組成工業(yè)CT系統(tǒng)的各硬件獲得被檢物體在某平面上多角度下的射線(xiàn)投影；2）運(yùn)用某種數(shù)學(xué)方法從射線(xiàn)投影中求解斷面各點(diǎn)的線(xiàn)性吸收系數(shù)分布，即被檢物體某斷層的密度分布，再利用圖像灰度值表示密度大小分布可得該斷層的CT圖像[1]。

工業(yè)CT重建的離散三維體數(shù)據(jù)可表示為對(duì)物體空間衰減系數(shù)連續(xù)分布的采樣數(shù)據(jù)[2]，即

根據(jù)上式進(jìn)行斷層數(shù)據(jù)和體數(shù)據(jù)可視化處理。首先對(duì)離散數(shù)據(jù)場(chǎng)重構(gòu)，得到連續(xù)數(shù)據(jù)場(chǎng)的信息，然后根據(jù)不同的可視化方法，在設(shè)定的視點(diǎn)視線(xiàn)、視角范圍、光照模型和顯示特性等參數(shù)下對(duì)重構(gòu)的連續(xù)數(shù)據(jù)場(chǎng)進(jìn)行重新采樣，并經(jīng)圖像合成得到可視化圖像。

4 相控陣圖像采集與分析

對(duì)從軸承生產(chǎn)中收集到的多種常見(jiàn)內(nèi)部缺陷進(jìn)行相控陣圖像和工業(yè)CT圖像采集，掌握缺陷的典型形貌特征，根據(jù)特征差別判斷內(nèi)部缺陷性質(zhì)。下列相控陣圖像均采用S掃圖像，同時(shí)與工業(yè)CT圖像進(jìn)行了對(duì)比。

4.1 夾渣

夾渣的相控陣圖像如圖1所示，其多為點(diǎn)狀、塊狀、長(zhǎng)條狀和片狀。由于反射面較大，較易進(jìn)行相控陣檢測(cè)。移動(dòng)相控陣探頭可看到較大體積的夾渣在內(nèi)部空間的走向變化。夾渣的CT層掃視圖及3D視圖如圖2所示，判斷其為體積型缺陷。

圖1 夾渣的相控陣圖像Fig.1 Phased array images of slag inclusions

圖2 夾渣的CT層掃視圖及3D視圖Fig.2 CT layer scanning and 3D figure of slag inclusions

4.2 過(guò)燒

過(guò)燒的相控陣圖像如圖3所示，其多為較小的多點(diǎn)密集型缺陷，在材料內(nèi)部寬度與深度方向均呈蜂窩狀分布。單個(gè)缺陷圖像以團(tuán)狀形態(tài)出現(xiàn)，不易檢測(cè)。過(guò)燒的CT層掃視圖及3D視圖如圖4所示，顯示其多為多點(diǎn)密集型缺陷。

圖3 過(guò)燒的相控陣圖像Fig.3 Phased array images of overburning

圖4 過(guò)燒的CT層掃視圖及3D視圖Fig.4 CT layer scanning and 3D figure of overburning

4.3 白點(diǎn)

白點(diǎn)的相控陣圖像如圖5所示，其多為扁平狀體積缺陷，缺陷較多且分散，長(zhǎng)短不一，從不同探測(cè)面均可發(fā)現(xiàn)其較易檢測(cè)。白點(diǎn)的CT層掃視圖及3D視圖如圖6所示，確定其以密集分散狀態(tài)存在，且大多數(shù)單體較小。

圖6 白點(diǎn)的CT層掃視圖及3D視圖Fig.6 CT layer scanning and 3D figure of flakes

4.4 裂紋

裂紋的相控陣圖像如圖7所示，其較為扁平，呈線(xiàn)性，顏色較淺。由于裂紋走向不確定，檢測(cè)難度具有不確定性，與檢測(cè)面平行的裂紋缺陷較易檢出，與檢測(cè)面垂直的裂紋缺陷則不易檢出。裂紋的CT層掃視圖及3D視圖如圖8所示，缺陷呈線(xiàn)狀，由于工業(yè)CT對(duì)體積型缺陷具有較強(qiáng)檢出能力，而對(duì)于面積型缺陷檢出能力不強(qiáng)，從3D圖上看不到缺陷，故不是體積型缺陷。

圖7 裂紋的相控陣圖像Fig.7 Phased array images of cracks

圖8 裂紋的CT層掃視圖及3D視圖Fig.8 CT layer scanning and 3D figure of cracks

4.5 縮孔

縮孔的相控陣圖像如圖9所示。縮孔位于滾子軸心部位且沿軸向分布，較長(zhǎng)且體積較大，易于從滾子外徑面檢測(cè)，但從滾子端面基本無(wú)法檢測(cè)。縮孔的CT層掃視圖及3D視圖如圖10所示，其貫穿滾子中心，的確為較大的體積型缺陷。

圖9 縮孔的相控陣圖像Fig.9 Phased array images of shrinkage cavities

圖10 縮孔的CT層掃視圖及3D視圖Fig.10 CT layer scanning and 3D figure of shrinkage cavities

5 軸承內(nèi)部缺陷相控陣圖像特征對(duì)比

通過(guò)收集大量軸承內(nèi)部缺陷相控陣圖像，并通過(guò)工業(yè)CT進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)各自的圖像特征進(jìn)行總結(jié)，見(jiàn)表1。

表1 軸承內(nèi)部缺陷相控陣圖像特征對(duì)比Tab.1 Characteristics comparison of phased array images of bearing internal defects

依據(jù)表1可對(duì)軸承零件內(nèi)部缺陷性質(zhì)進(jìn)行大致判斷，比如：長(zhǎng)條狀缺陷可判斷為夾渣或縮孔類(lèi)缺陷；點(diǎn)狀密集型缺陷可判斷為過(guò)燒缺陷；多點(diǎn)分散型的片狀缺陷可判斷為白點(diǎn)缺陷；線(xiàn)狀且方向性很強(qiáng)的缺陷可判斷為裂紋。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用相控陣技術(shù)對(duì)軸承零件內(nèi)部缺陷圖像進(jìn)行顯示可快速、準(zhǔn)確判斷內(nèi)部缺陷性質(zhì)，及時(shí)采取必要的應(yīng)對(duì)措施，避免有內(nèi)部缺陷的軸承零件流入下道工序，嚴(yán)格控制軸承產(chǎn)品質(zhì)量。作為一種檢測(cè)技術(shù)，相控陣技術(shù)可代替工業(yè)CT用于實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行缺陷檢測(cè)。