基于超聲相控陣檢測技術的連桿檢測方法研究

滕德金，王東方，滕德巧

(南京工業大學 機械與動力工程學院，江蘇 南京 211816)

0 引言

隨著國民經濟的發展，汽車已經成為人類最普遍的代步工具，然而汽車各零部件的材料、功能以及結構各不相同，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是汽車行業未來發展的必然趨勢，也有利于節約大量的自然資源，實現循環經濟[2]。然而廢舊回收的零部件必須滿足其質量要求[3]。在汽車生產制造過程中，為保證汽車的安全性和可靠性，汽車零部件的質量尤為重要。如果關鍵的零部件內部出現缺陷或表面出現裂紋，在汽車運行交變應力的作用下，內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。隨著無損檢測技術的飛速發展，已經成為零部件質量控制的重要手段[4-5]。

近年來國內外已有諸多學者對汽車零部件進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用。如楊曉霞[6]對汽車發動機內腔腐蝕研究，提出了利用超聲相控陣技術對汽車發動機內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和輔助檢測軟件開展對曲軸R區域的檢測和連桿檢測；董世運[8]用橫波斜探頭對連桿進行超聲檢測，采用小波降噪處理分析連桿缺陷；趙永利[9]對發動機連桿進行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的相控陣超聲技術檢測舊連桿是否符合回收再利用的質量要求。

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用，也是廢舊回收汽車零部件質量控制的重要保證[10-12]。

超聲檢測法：以波動的形式在彈性介質中傳播的機械振動特性對試件進行宏觀缺陷檢測。以其適用范圍廣、穿透能力強、定位較準確、靈敏度較高、對面積缺陷檢出率較高、檢測成本低等優點使其廣泛應用在制造、石油化工、造船、航空航天、核能、軍事工業、醫療器械以及海洋探測等領域。

渦流檢測:利用電磁感應原理，檢測該試件中有無缺陷或評定其技術狀態的無損檢測方法。渦流檢測對象主要是非磁性的導電材料制品(管材、線材和棒材)，既可用于大型設備，也可以用于生產過程的質量檢測與監控等，對導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:利用毛細現象，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，從而檢測出物體內部缺陷的性質、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部缺陷。其特點是靈敏度高、適用范圍廣、定位準確、直觀性強和非接觸檢測等優點。而工件內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行。

隨著無損檢測技術的發展，主流的無損檢測研究手段與技術不斷創新發展，如X射線實時成像系統、相控陣超聲檢測系統、衍射時差超聲檢測、自動磁粉探傷系統、漏磁自動探傷系統以及新型滲透材料的出現等。此外，無損檢測還增添了一些新的檢測方法，如聲發射檢測、工業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

發動機連桿作為連接內燃機活塞與曲軸的重要零件，在曲軸連桿運轉時，受力情況復雜，主要受到活塞與曲軸的作用力、頂部氣體作用力、螺栓預緊力以及氣缸壁的側壓力等，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

根據馮志遠、楊國旗等學者對發動機連桿在不同工況下，用有限元軟件進行疲勞壽命分析可知，連桿在交變應力的作用下，桿身部位處于單軸應力狀態。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力狀態，這些都是極易發生疲勞斷裂的潛在區域[17-18]。有限元分析結果如圖2所示。

圖2 連桿疲勞最短壽命區域

通過有限元軟件分析結果表明，連桿最短壽命出現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，但其僅僅局限于發現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確地發現其裂紋位置，需要檢測人員先前用肉眼去發現裂紋的潛在位置，再通過儀器來進行檢測，這大大降低了檢測的準確性與時效性。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，還能夠準確檢測其內部縮孔、疏松等缺陷，例如其非金屬材料夾雜的白點、夾層、氣泡、內部裂紋等。然而常規的超聲波檢測對缺陷定位定量精度不是很高，不能準確地確定缺陷在待測物方向上的尺寸以及準確位置。

2.2 連桿的相控陣超聲檢測原理

相控陣超聲技術發展已有20多年，初期主要用于醫療領域，而隨著計算機技術的發展，使其在工業無損檢測中的應用成為現實。其主要原理是通過控制超聲聲束的偏轉與聚焦，通過有限的陣元有序排列構成的換能器陣列中各陣元的激勵時序，調整各個陣元發射信號的波形、幅度和延遲來改變聲波到達物體內某點的相位關系，實現空間的疊加合成，完成超聲聲束偏轉和聚焦。其工作原理圖如圖3。

圖3 相控陣超聲檢測工作原理

相控陣超聲技術的誕生成為工業無損檢測的重要手段，它與傳統的超聲檢測相比，具有以下優點：

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控制，能對復雜幾何形狀的零部件進行檢測。

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

4) 仿真成像技術解決幾何復雜構件檢測難題, 成像由各聲束A掃數據產生,實際檢測結合工藝軌跡追蹤,同步顯示A、B、C、D、P、3D掃描數據。

2.3 相控陣超聲檢測聲束控制

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

圖4 超聲聲束偏轉形式

圖5 超聲聲束聚焦形式

a) 聲束的偏轉

圖6設振元個數為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的延時法則為:

(1)

圖6 超聲聲束的偏轉

b) 聲束的聚焦

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

(2)

圖7 超聲聲束的聚焦

c) 聲束的偏轉聚焦

如圖8所示,設相控陣偏轉聚焦的焦點與法線的夾角為θ，超聲換能器的陣元數目為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、焦距和偏轉角度應該滿足以下關系式:

(3)

圖9 超聲聲束的偏轉聚焦

通過圖8幾何關系求解第n個陣元的延時時間為：

(4)

按照泰勒級數展開后，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

設陣元尺寸為2Le,信號強度為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位64時的直入射聲場，圖11給出了相控陣換能器陣元數為64時的斜入射聚焦聲場。

圖10 陣元數為64時的直入射聲場圖像

圖11 陣元數為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

以國家超聲檢測標準JB/T10659—2015《無損檢測 鍛鋼材料超聲檢測 連桿的檢測》為依據對汽車連桿進行無損評價。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撥幅值，提高缺陷回波識別效果，因此參與子振元的數量越多,其聚焦效果越好[19]。

常規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行超聲檢測。考慮連桿桿身“工”字形，中部、大頭、小頭位置結構復雜及大、小頭部位超聲近場區干擾、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行檢測，而且很容易產生一些漏檢與誤判，而采用相控陣超聲技術檢測則無需采用多個探頭就可以簡單、快速、準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備進行檢測，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

陣列參數數值陣元數量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，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，實現聲束控制的可視化。通過輔助軟件根據檢測過程中獲得的聲束聲程與角度，自動標定反射點的位置，根據軟件識別缺陷的信號類型，并對缺陷進行定位。

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，采用超聲耦合劑進行無縫粘結，再進行聚焦延遲校準、靈敏度校準和DAC曲線校準等，以提高檢測的準確性與適用性。A、B處的人工缺陷定位結果如圖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 結語

文章通過相控陣超聲檢測方法，結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域進行了檢測研究。通過研究發現:1) 相控陣超聲檢測的聲束聚焦偏轉特性，具有更高的靈敏度和準確性，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域進行工藝指導，能對缺陷的位置以及類型進行更加準確可視化的定位與判定，從而快速地分辨出缺陷的真偽，提高檢測效率；3) 通過輔助軟件成像系統檢測的缺陷結果與人工實際的缺陷位置對比，絕對誤差很小，可知其定位相當有效可行；4) 利用相控陣超聲檢測技術相較于常規的超聲檢測技術，結合輔助軟件檢測儀器與探頭可以更好地應用于汽車其他復雜零部件的檢測，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量提供有力依據。