滑動(dòng)軸承的超聲波無損檢測

2012-06-01

作者：楊杰
（成都圣三強(qiáng)鐵路配件有限公司）

　　對(duì)滑動(dòng)軸承進(jìn)行超聲波探傷，檢查軸承內(nèi)部的各種危害性缺陷。滑動(dòng)軸承的合金層內(nèi)不得有氣孔（空氣的膨脹系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于合金的膨脹系數(shù)，在高溫工作環(huán)境中膨脹凸起，形成早期疲勞源，使軸瓦過早疲勞失效，造成碾瓦甚至燒軸等情況）、夾渣、裂紋、折疊等缺陷（統(tǒng)稱合金內(nèi)異質(zhì)薄層缺陷），且合金層與鋼背層要有足夠的結(jié)合強(qiáng)度。合金內(nèi)的質(zhì)量缺陷與雙金屬結(jié)合面強(qiáng)度的檢查同等重要。剔出這些存在的缺陷，提高滑動(dòng)軸承的內(nèi)在質(zhì)量，以減少由于軸承本身原因造成的早期失效。
　　1　滑動(dòng)軸承超聲波探傷的特點(diǎn)
　　（1）超聲波探傷是利用超聲波的方向性好、能量高、穿透力強(qiáng)以及能在界面上產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等特點(diǎn)進(jìn)行的無損檢測。滑動(dòng)軸承的合金與襯背具有不同的聲阻抗特性，在其界面有反射波和透射波同時(shí)存在。當(dāng)以穿透法檢測時(shí)，依據(jù)脈沖波穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷的情況。當(dāng)以脈沖反射法檢測時(shí)，以軸承合金與襯背結(jié)合面反射回的聲能作為評(píng)定結(jié)合質(zhì)量的依據(jù)。
　　（2）超聲波的探傷靈敏度為

λ。當(dāng)缺陷尺寸D_f與波長λ相當(dāng)時(shí)，超聲波能繞過缺陷邊緣衍射前進(jìn)，這種缺陷不易判別。當(dāng)D_f＜＜λ時(shí)，缺陷回波很低，容易漏檢。對(duì)于合金內(nèi)的異質(zhì)薄層，當(dāng)厚度

時(shí)，超聲波的聲壓反射率r≈0，透射率t≈1。即合金內(nèi)薄層厚度為其半波長的整數(shù)倍時(shí)（半波透聲層狀態(tài)），超聲波全透射，幾乎無反射，好象不存在異質(zhì)薄層一樣，無法正確判斷缺陷的存在。這兩種情況產(chǎn)生的機(jī)率如同五百萬彩票的中獎(jiǎng)機(jī)率一樣渺小。對(duì)于垂直于軸承軸線的片狀缺陷，穿透法和單直探頭反射法均無法檢出，只能用斜探頭進(jìn)行探測。但從軸承材料的軋制方式來看，產(chǎn)生這種缺陷的可能性不大。
　　（3）穿透法探傷比脈沖反射法探傷的靈敏度低。但對(duì)于滑動(dòng)軸承的超聲波探傷，穿透法波形簡單，適合于批量大、效率高的滑動(dòng)軸承的生產(chǎn)。穿透法無法對(duì)缺陷進(jìn)行定性的判斷，小缺陷判斷困難。脈沖反射法的波形相對(duì)較復(fù)雜，對(duì)探傷人員判斷缺陷的能力要求較高。但反射法對(duì)缺陷的具體情況反映較明顯。
　　（4）現(xiàn)用穿透法調(diào)人工缺陷波形高5%時(shí)，抑制量較大。抑制的啟用改變了儀器的垂直線性和動(dòng)態(tài)范圍。垂直線性的改變影響到對(duì)探傷缺陷的定量；抑制作用越大，儀器動(dòng)態(tài)范圍越小，從而在實(shí)際探傷中有漏掉小缺陷的危險(xiǎn)。從理論上分析，在滑動(dòng)軸承用穿透法探傷時(shí)，要求不能有大于或等于φ2mm平底孔當(dāng)量直徑的缺陷，在調(diào)探傷靈敏度時(shí)不必調(diào)節(jié)結(jié)合良好部分的波形，只須將同類型、同材質(zhì)軸承人工缺陷部分的波形調(diào)至滿屏的80%作為此時(shí)的探傷靈敏度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)被探測軸承中有穿透波的波高低于或等于滿屏的80%時(shí)，即為超過標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合不良或合金內(nèi)有≥φ2平底孔當(dāng)量直徑的缺陷。穿透波高度高于80%的區(qū)域?yàn)榱己脜^(qū)域。在實(shí)際探傷中，結(jié)合完好區(qū)與φ2平底孔的穿透波高相差甚小，缺陷判斷困難。所以利用【抑制】增大兩者的波高差。
　　（5）由于合金層厚度δ≤1mm，現(xiàn)有的探傷設(shè)備（CTS-22）無法將合金表面反射波與結(jié)合面反射波明顯區(qū)分開。超聲波探傷要同時(shí)反映合金內(nèi)缺陷和結(jié)合面強(qiáng)度比較困難，一般情況下將合金內(nèi)缺陷均視為結(jié)合面不良。具體判斷方法見2.5和3.4。
　　（6）滑動(dòng)軸承的超聲波探傷屬于非平直的薄板探傷。滑動(dòng)軸承生產(chǎn)單位大批量、高效率生產(chǎn)，一般采用水浸式自動(dòng)探傷方法。使用單位可采用接觸式探傷，但對(duì)探頭有形狀上的要求，探頭接觸面的曲率半徑應(yīng)與軸承曲率半徑一致。雙晶直探頭采用了延遲塊，縮短了近場區(qū)長度，探傷時(shí)只須將探頭焦距定在軸承上即可。單晶直探頭探傷時(shí)，水浸反射法必須要求控制水層的厚度H。首先要避開盲區(qū)和超聲場的近場區(qū)探傷。接觸法探傷中，盲區(qū)大小相對(duì)重要一些。盲區(qū)大小由儀器和探頭的組合性能決定，一般要求盲區(qū)小于或等于7mm。在近場區(qū)內(nèi)，處于聲壓極小值處的較大缺陷回波可能較低，處于聲壓極大值處的較小缺陷回波可能較高，這樣容易引起誤判，甚至漏檢。因此盡量將盲區(qū)和近場區(qū)放在水中。根據(jù)GB/T 18329.1-2001選擇探頭頻率f=10MHz，晶片尺寸Ds=6mm的探頭，水中近場區(qū)長度

　　（7）由于存在不確定反射波和透射波，所以超聲波探傷不適用于距軸承邊緣、油孔和油槽邊緣半個(gè)壓電晶體直徑范圍內(nèi)的區(qū)域。對(duì)于這此區(qū)域的狀態(tài)評(píng)定，可根據(jù)ISO 4386-3的規(guī)定執(zhí)行。
　　2　水浸穿透法超聲波探傷
　　2.1【深度范圍】置于50mm檔；【工作方式選擇】置于一發(fā)一收狀態(tài)檔。調(diào)節(jié)探頭組的位置，使被探軸瓦位于探頭發(fā)射極與接收極的中間位置。發(fā)射探頭及接收探頭與被探軸承表面間水層厚度均不大于20mm(TB 1659-85之規(guī)定)。
　　2.2 探傷試塊
　　用結(jié)合完好的同類型軸承，在合金層側(cè)大于距邊緣20mm范圍內(nèi)鉆φ2mm平底孔，深度以剛好將合金去掉為宜，并用合金材料(或相近于合金聲阻抗特性的材料)將孔封填。
　　2.3探傷靈敏度調(diào)整
　　利用衰減器和【增益】旋鈕將人工缺陷試塊結(jié)合良好區(qū)域的波形高度調(diào)至滿屏刻度的80%。此時(shí)不動(dòng)衰減器和【增益】，利用【抑制】旋鈕將φ2mm人工缺陷處的波形高度調(diào)至滿屏刻度的5%。即為探傷靈敏度。
　　2.4 調(diào)整【聚焦】旋鈕，使波形聚焦至Z清晰為止。
　　2.5缺陷的判斷
　　在探傷過程中，當(dāng)超探儀的波形閃爍時(shí)（對(duì)口面閃爍除外），立即停止回轉(zhuǎn)盤（回轉(zhuǎn)盤停止后探頭組運(yùn)行自然停止）。倒回閃爍位置，手動(dòng)回轉(zhuǎn)工件，確認(rèn)波形高度。當(dāng)定義域不太明確時(shí)，分別上、下探頭組少許，再手動(dòng)回轉(zhuǎn)工件，確認(rèn)其波形。如果波形高度低于熒屏滿幅刻度的5%時(shí)，即判定為局部結(jié)合不良或合金內(nèi)缺陷，該軸瓦報(bào)廢。對(duì)于邊緣部位因受軸承幾何形狀改變所引起的波形正常降低，不判為缺陷。
　　3　水浸脈沖反射法超聲波探傷
　　這種探傷方法分為背壁反射波檢測和無背壁反射波檢測。其中背壁反射波檢測又包含根據(jù)結(jié)合面反射波與背壁反射波的相對(duì)高度檢測和根據(jù)背壁反射波高度的衰減的檢測兩種。
　　3.1水層厚度（探頭與被檢軸承之間的距離）
　　根據(jù)1-(6)選取水層厚度為65mm。
　　3.2探傷試塊
　　背壁反射波檢測時(shí)，使用符合ISO 2400或ISO 7963規(guī)定的基準(zhǔn)塊校準(zhǔn)檢驗(yàn)儀器的掃描以使顯示屏上獲得至少兩次背壁反射波(接觸法)。無背壁反射波檢測時(shí)，基準(zhǔn)塊是用單層軸承合金材料制成，其厚度約等于軸承合金層厚度。
　　3.3時(shí)基線的調(diào)整
　　當(dāng)從襯背側(cè)探傷時(shí)，顯示屏上會(huì)出現(xiàn)入射面(鋼背表面)反射波S_Ⅰ、復(fù)合界面反射波S_Ⅱ和背壁反射波（底波）B三個(gè)波形。儀器按1：2調(diào)節(jié)掃描速度。利用【深度范圍】、【深度細(xì)調(diào)】和【水平】（【延遲】）旋鈕將次入射面反射波S_Ⅰ調(diào)至顯示屏10mm處，如果被探測軸瓦的厚度為8mm，合金層厚度為1mm，則將底波B調(diào)至顯示屏26mm處，此時(shí)的S_Ⅱ的位置即為結(jié)合面的位置，S_Ⅱ和B之間的距離為2mm。由于受脈沖寬度的影響，S_Ⅱ和B之間無明顯界線。出現(xiàn)在S_Ⅰ和S_Ⅱ之間的反射波為鋼背內(nèi)的缺陷回波F_Ⅰ，出現(xiàn)在S_Ⅱ和B之間的反射波為合金內(nèi)的缺陷回波F_Ⅱ。當(dāng)從合金層一側(cè)探傷時(shí)，調(diào)節(jié)方法與之類似。
　　3.4靈敏度的調(diào)整
　　（1）無背壁反射波檢測時(shí)，關(guān)閉掃描【抑制】旋鈕（逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至零位），此時(shí)如果雜波太多，則右旋【抑制】排除雜波即可。利用衰減器和【增益】旋鈕將基準(zhǔn)塊的基準(zhǔn)反射波高度調(diào)至熒屏滿幅的80%為探傷靈敏度。
　　（2）背壁反射波檢測時(shí)，【抑制】同上。利用衰減器和【增益】旋鈕將次背壁反射波高調(diào)至熒屏滿幅的80%為探傷靈敏度。
　　3.5缺陷的判別
　　（1）無背壁反射波檢測時(shí)，用基準(zhǔn)塊產(chǎn)生的基準(zhǔn)反射波評(píng)價(jià)軸承的結(jié)合質(zhì)量。如果次結(jié)合面反射波低于基準(zhǔn)反射波則說明結(jié)合良好。如果次結(jié)合面反射波高于或等于基準(zhǔn)反射波，則說明結(jié)合有缺陷。如果信號(hào)變得不規(guī)則或發(fā)散，說明合金內(nèi)有疏松等缺陷。
　　（2）背壁反射波檢測時(shí)，出現(xiàn)在次背壁反射波之前的中間反射波的位置則表示結(jié)合缺陷或材料缺陷的位置。然后根據(jù)背壁反射波的衰減程度來判定缺陷的嚴(yán)重程度。當(dāng)次背壁反射波高度等于或小于50%顯示屏高度時(shí)就表示出一個(gè)顯著缺陷，當(dāng)背壁反射波完全消失，并有復(fù)合界面反射波時(shí)，說明有脫接。
　　（3）結(jié)合面反射波與背壁反射波的相對(duì)高度檢測時(shí)，滑動(dòng)軸承（鋼/鋁基合金）底波B與復(fù)合界面SⅡ（復(fù)合良好）反射波的dB差的理論計(jì)算值為

上式中r為復(fù)合界面的聲壓反射率，

，z₁、z₂分別代表鋼中與合金中的聲阻抗，z₁=45×10⁶kg/mm.s，z₂=17.3×10⁶kg/mm.s；

為底面聲壓反射率，

，z₃代表水中的聲阻抗，z₃=1.48×10⁶kg/mm.s。在實(shí)際探傷中，如果測量值明顯大于理論值，則說明該復(fù)合材料存在脫接。當(dāng)兩者相差甚小時(shí)，說明復(fù)合良好。從波形高度上判斷，由20lg（H_B/H_SⅡ）=3.6dB可得出H_B/H_SⅡ≈1.51。理論上如果底回波的波高H_B調(diào)至滿屏的80%，則復(fù)合界面的回波高度H_SⅡ應(yīng)在滿屏的53%處。在實(shí)際探傷中，底回波越低、復(fù)合界面回波越高，則說明缺陷越嚴(yán)重。在底波與界面波之間的中間反射波，則表示出合金內(nèi)存在缺陷。
　　4　參考文獻(xiàn)
　　（1）《超聲波探傷》，由全國鍋爐壓力容器無損檢測人員資格考核委員會(huì)組織編寫。
　　（2）GB/T 18329.1-2001滑動(dòng)軸承多層金屬滑動(dòng)軸承結(jié)合強(qiáng)度的超聲波無損檢驗(yàn)。
　　（3）TB 1659-85內(nèi)燃機(jī)車柴油機(jī)鋼背鋁基合金雙金屬軸瓦超聲波探傷。