航空发动机三支点轴承件的超声波检测技术

2015-01-11王玲

无损检测 2015年6期

王玲

（沈阳发动机设计研究所，沈阳 110015）

某航空发动机三支点轴承件在使用时出现内圈金属轨道脱落，造成滑油污染，堵塞滑油滤网，引起滑油传感器报警，影响发动机使用。经分析内圈金属脱落为零件内部锻造缺陷扩展所致，而该零件在装机前未进行无损检测。因此，为了保证轴承轨道及其内部质量，需对其进行无损检测。

在目前的五大常规检测方法中，渗透、磁粉和涡流检测法主要是检测表面及近表面缺陷，因此，不考虑采用该三种方法。射线检测，虽然对零件结构没有特殊要求，且检测灵敏度较高，但不适合检测锻造类缺陷，容易造成漏检。基于以上考虑，只有采用超声波进行检测。

由于目前国内还没有现行的轴承钢无损检测标准可供参考，而且以前该三支点轴承件一直未进行过无损检测，因此采用超声波检测存在以下几个问题：

第一没有相关的检测技术及相应的验收标准可供参考，需要试验及分析以确定具体的检测技术及相关参数。

第二为了防止后续零件出现内圈金属轨道脱落的现象，在检测试验过程中，需要采用高灵敏度检测技术，以保证检出所有微小缺陷；需要采用特殊的探头和试块。这都对检测的实施带来极大的挑战。

第三装机后返厂零件形状复杂。内圈已经加工相应的轨道，致使零件形状复杂，给检测带来了诸多困难。

笔者通过试验确定了超声波检测参数，对比试块，检测工艺，并对试验结果进行了验证，证明了超声波检测该工件的可靠性。

1 检测技术的确定

1.1 三支点轴承件的结构特点

三支点轴承件属于环形件，其主要尺寸和结构如图1所示。毛坯状态时内外壁表面光滑，上下端面平行，表面加工余量较小，约为2mm。成品状态时壁厚较小，且内壁加工轨道，带有曲率很小的圆弧面。

图1 三支点轴承结构图

1.2 超声波检测技术的选择

环形件超声波检验一般采用接触法或者水浸法［1］。

随着计算机技术的进步，水浸法在实现自动化检测、减少人为因素影响、提高检测可靠性等方面的优势，越来越为人们所认知。因此，对重要零件进行高分辨力、高灵敏度和高可靠性的检测时，更多的选择超声波水浸法进行检测。

该三支点轴承件材料为轴承钢，材料内部缺陷较小，表面加工余量仅为2 mm，必须采用高灵敏度、高分辨力的检测技术，以保证所有微小缺陷的检出。因此，宜采用水浸法进行检测，如图2所示。

图2 水浸法检测的原理图

为检测材料中的微小缺陷，提高小缺陷反射超声信号幅度和信噪比是关键要素［2］。为此笔者采用了超声聚焦检测技术。由于聚焦声束在聚焦区能量集中度较高，声压提高较明显，因此小缺陷反射幅度高；其次，基体材料被声束穿过部分的体积较小，相对应引起的散射噪声也较小，因此信噪比也较好，这样可明显提高小缺陷检测的灵敏度和信噪比。

综上，水浸聚焦检测技术可很好地满足三支点轴承件高灵敏度、高信噪比的检测要求。

2 超声波检测参数选择

2.1 探头参数

2.1.1 超声波检测频率

超声波检测频率是超声波对缺陷探测能力的主要决定因素［3］。频率高时，因其波长短、声束窄、扩散角小、能量集中，因此发现小缺陷的能力强，横向分辨力好，缺陷定位准确。

几种常用水浸探头的参数如表1所示。由于三支点轴承件厚度和余量较小，为提高信噪比，适合选择10 MHz的频率进行探伤。

表1 常用水浸探头参数

2.1.2 探头的类型

声透镜加上水浸平探头则可产生聚焦声束，组成聚焦探头。聚焦可使声束在一定范围深度内直径变窄，声强增高，也可使部分区域的检测灵敏度、信噪比及横向分辨力参数提高，同时还可提高C 扫描检测中的图像分辨率。聚焦探头的能量集中，发现小缺陷的能力强。

2.2 检测仪器

由于采用高频水浸聚焦检测技术，因此选择的检测设备应具有较宽的频带宽度及低噪声电平，发射脉冲可调为窄脉冲和高阻尼。为了对零件实施完全的检测，检测设备应能够方便三支点轴承件的装夹；系统至少具有A 扫和C 扫这两种显示模式，以方便缺陷的评定。

为此，选择了以色列SCANMASTER 公司的盘环件超声水浸检测系统，型号为LS200－LP，该系统精度高，具有专业化的程序软件，适宜高灵敏度下环形件的水浸探伤。

2.3 对比试块

由于该三支点轴承件是首次进行超声波检测，且检测灵敏度高，需要采用同材料不同埋藏深度的一组对比试块来调节检测灵敏度。根据该三支点轴承件的加工余量和检测厚度，最终采用4013316－417试块组，如图3所示。试块内埋藏的平底孔孔径为φ0.4mm，孔深范围1.5～40mm。

图3 4013316－417对比试块组外观

2.4 检测面

选择检测面应最先考虑缺陷的最大可能取向。若缺陷的主反射面近似平行于试件的某一表面，应选择从此表面入射的垂直入射纵波，达到缺陷的主反射面与声束轴线接近垂直，这样检测缺陷最为有利。但是三支点轴承件的缺陷主要是沿着平行于圆周的方向分布，因此，宜采用从外圆方向垂直入射的纵波进行检测。

3 超声波检测工艺

3.1 检测灵敏度的调整

将4013316－417试块组的6个试块（缺陷埋深分别为：1.52，3.18，6.35，12.7，25.4，38.1mm）按照厚度由小到大的顺序依次摆放在试块架上。将HGE－5827－A 探头置于第一个试块上，将最浅孔（埋深1.52mm）的最高反射波高调至80%，此时灵敏度为基准灵敏度，此后不改变基准灵敏度，记录其余各孔的波高达到80%时的增益值，完成TCG 曲线的绘制。

曲线制作完毕后，为了达到较高的检测灵敏度（一般不低于φ0.4～10dB），需再将增益提高10dB。

3.2 缺陷的识别与评定

为防止漏检，检测时对波高超过30%的显示信号进行记录，包括缺陷的埋深，大小并在零件上定位，标记出缺陷表面位置。

对三支点轴承件进行超声波检测，显示方式为两种：A 扫描和C扫描。

A 扫描方式：采用直角坐标系来显示超声信号幅度与传播时间的关系，纵坐标为信号幅度，横坐标为时间。由于水浸法检测的传播介质是水，水是均质材料，则超声波在水中传播声速是恒定的，因此传播时间可转变为传播距离。因此，可以从A 型显示中得到反射面距入射面的距离（纵波垂直入射检验时显示缺陷的深度），及回波幅度的大小（用来判断缺陷的当量尺寸）。轴承超声波检测的方向是沿轴向扫查，从A 型显示中可读出缺陷的埋深和当量大小，如图4所示。

图4 三支点轴承件的A 扫描信号图

C扫描方式：采用试件的平面投影图，利用探头对该试件表面进行二维扫查，探头的扫查位置对应显示屏的二维坐标。探头的每一移动位置，采用电子门对应选出某一深度范围的信号幅度，信号的幅度大小可用亮度或颜色表示，并在对应的探头位置上显示，最终可得到某一深度范围缺陷的二维形状与分布。

扫描图像底部有一条色带，不同的颜色代表不同大小的信号幅度。如果零件内部无缺陷或者材质均匀，则C 扫描图像的显示会很均匀，颜色也基本相同。反之，若在C 扫描图像上发现局部颜色与周围呈现的颜色不同的部位，则需将探头移动到该反射信号处，结合其A 扫描图像进行评定，若A 扫描图上界面波和底波之间有反射波存在，则一般被认为是缺陷反射信号，此刻探头的位置即认为是缺陷所在部位，如图5所示。