滑動軸承的超聲波無損檢測

2012-06-01

作者：楊杰
（成都圣三強鐵路配件有限公司）

　　對滑動軸承進行超聲波探傷，檢查軸承內部的各種危害性缺陷。滑動軸承的合金層內不得有氣孔（空氣的膨脹系數遠遠大于合金的膨脹系數，在高溫工作環境中膨脹凸起，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（統稱合金內異質薄層缺陷），且合金層與鋼背層要有足夠的結合強度。合金內的質量缺陷與雙金屬結合面強度的檢查同等重要。剔出這些存在的缺陷，提高滑動軸承的內在質量，以減少由于軸承本身原因造成的早期失效。
　　1　滑動軸承超聲波探傷的特點
　　（1）超聲波探傷是利用超聲波的方向性好、能量高、穿透力強以及能在界面上產生反射、折射和波型轉換等特點進行的無損檢測。滑動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存在。當以穿透法檢測時，依據脈沖波穿透試件之后的能量變化來判斷缺陷的情況。當以脈沖反射法檢測時，以軸承合金與襯背結合面反射回的聲能作為評定結合質量的依據。
　　（2）超聲波的探傷靈敏度為

λ。當缺陷尺寸D_f與波長λ相當時，超聲波能繞過缺陷邊緣衍射前進，這種缺陷不易判別。當D_f＜＜λ時，缺陷回波很低，容易漏檢。對于合金內的異質薄層，當厚度

時，超聲波的聲壓反射率r≈0，透射率t≈1。即合金內薄層厚度為其半波長的整數倍時（半波透聲層狀態），超聲波全透射，幾乎無反射，好象不存在異質薄層一樣，無法正確判斷缺陷的存在。這兩種情況產生的機率如同五百萬彩票的中獎機率一樣渺小。對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，只能用斜探頭進行探測。但從軸承材料的軋制方式來看，產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。但對于滑動軸承的超聲波探傷，穿透法波形簡單，適合于批量大、效率高的滑動軸承的生產。穿透法無法對缺陷進行定性的判斷，小缺陷判斷困難。脈沖反射法的波形相對較復雜，對探傷人員判斷缺陷的能力要求較高。但反射法對缺陷的具體情況反映較明顯。
　　（4）現用穿透法調人工缺陷波形高5%時，抑制量較大。抑制的啟用改變了儀器的垂直線性和動態范圍。垂直線性的改變影響到對探傷缺陷的定量；抑制作用越大，儀器動態范圍越小，從而在實際探傷中有漏掉小缺陷的危險。從理論上分析，在滑動軸承用穿透法探傷時，要求不能有大于或等于φ2mm平底孔當量直徑的缺陷，在調探傷靈敏度時不必調節結合良好部分的波形，只須將同類型、同材質軸承人工缺陷部分的波形調至滿屏的80%作為此時的探傷靈敏度，當發現被探測軸承中有穿透波的波高低于或等于滿屏的80%時，即為超過標準的結合不良或合金內有≥φ2平底孔當量直徑的缺陷。穿透波高度高于80%的區域為良好區域。在實際探傷中，結合完好區與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，現有的探傷設備（CTS-22）無法將合金表面反射波與結合面反射波明顯區分開。超聲波探傷要同時反映合金內缺陷和結合面強度比較困難，一般情況下將合金內缺陷均視為結合面不良。具體判斷方法見2.5和3.4。
　　（6）滑動軸承的超聲波探傷屬于非平直的薄板探傷。滑動軸承生產單位大批量、高效率生產，一般采用水浸式自動探傷方法。使用單位可采用接觸式探傷，但對探頭有形狀上的要求，探頭接觸面的曲率半徑應與軸承曲率半徑一致。雙晶直探頭采用了延遲塊，縮短了近場區長度，探傷時只須將探頭焦距定在軸承上即可。單晶直探頭探傷時，水浸反射法必須要求控制水層的厚度H。首先要避開盲區和超聲場的近場區探傷。接觸法探傷中，盲區大小相對重要一些。盲區大小由儀器和探頭的組合性能決定，一般要求盲區小于或等于7mm。在近場區內，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。因此盡量將盲區和近場區放在水中。根據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壓電晶體直徑范圍內的區域。對于這此區域的狀態評定，可根據ISO 4386-3的規定執行。
　　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】置于一發一收狀態檔。調節探頭組的位置，使被探軸瓦位于探頭發射極與接收極的中間位置。發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之規定)。
　　2.2 探傷試塊
　　用結合完好的同類型軸承，在合金層側大于距邊緣20mm范圍內鉆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探傷靈敏度調整
　　利用衰減器和【增益】旋鈕將人工缺陷試塊結合良好區域的波形高度調至滿屏刻度的80%。此時不動衰減器和【增益】，利用【抑制】旋鈕將φ2mm人工缺陷處的波形高度調至滿屏刻度的5%。即為探傷靈敏度。
　　2.4 調整【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，當超探儀的波形閃爍時（對口面閃爍除外），立即停止回轉盤（回轉盤停止后探頭組運行自然停止）。倒回閃爍位置，手動回轉工件，確認波形高度。當定義域不太明確時，分別上、下探頭組少許，再手動回轉工件，確認其波形。如果波形高度低于熒屏滿幅刻度的5%時，即判定為局部結合不良或合金內缺陷，該軸瓦報廢。對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結合面反射波與背壁反射波的相對高度檢測和根據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1-(6)選取水層厚度為65mm。
　　3.2探傷試塊
　　背壁反射波檢測時，使用符合ISO 2400或ISO 7963規定的基準塊校準檢驗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，基準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時基線的調整
　　當從襯背側探傷時，顯示屏上會出現入射面(鋼背表面)反射波S_Ⅰ、復合界面反射波S_Ⅱ和背壁反射波（底波）B三個波形。儀器按1：2調節掃描速度。利用【深度范圍】、【深度細調】和【水平】（【延遲】）旋鈕將次入射面反射波S_Ⅰ調至顯示屏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調至顯示屏26mm處，此時的S_Ⅱ的位置即為結合面的位置，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。出現在S_Ⅰ和S_Ⅱ之間的反射波為鋼背內的缺陷回波F_Ⅰ，出現在S_Ⅱ和B之間的反射波為合金內的缺陷回波F_Ⅱ。當從合金層一側探傷時，調節方法與之類似。
　　3.4靈敏度的調整
　　（1）無背壁反射波檢測時，關閉掃描【抑制】旋鈕（逆時針旋轉至零位），此時如果雜波太多，則右旋【抑制】排除雜波即可。利用衰減器和【增益】旋鈕將基準塊的基準反射波高度調至熒屏滿幅的80%為探傷靈敏度。
　　（2）背壁反射波檢測時，【抑制】同上。利用衰減器和【增益】旋鈕將次背壁反射波高調至熒屏滿幅的80%為探傷靈敏度。
　　3.5缺陷的判別
　　（1）無背壁反射波檢測時，用基準塊產生的基準反射波評價軸承的結合質量。如果次結合面反射波低于基準反射波則說明結合良好。如果次結合面反射波高于或等于基準反射波，則說明結合有缺陷。如果信號變得不規則或發散，說明合金內有疏松等缺陷。
　　（2）背壁反射波檢測時，出現在次背壁反射波之前的中間反射波的位置則表示結合缺陷或材料缺陷的位置。然后根據背壁反射波的衰減程度來判定缺陷的嚴重程度。當次背壁反射波高度等于或小于50%顯示屏高度時就表示出一個顯著缺陷，當背壁反射波完全消失，并有復合界面反射波時，說明有脫接。
　　（3）結合面反射波與背壁反射波的相對高度檢測時，滑動軸承（鋼/鋁基合金）底波B與復合界面SⅡ（復合良好）反射波的dB差的理論計算值為

上式中r為復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。在實際探傷中，如果測量值明顯大于理論值，則說明該復合材料存在脫接。當兩者相差甚小時，說明復合良好。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調至滿屏的80%，則復合界面的回波高度H_SⅡ應在滿屏的53%處。在實際探傷中，底回波越低、復合界面回波越高，則說明缺陷越嚴重。在底波與界面波之間的中間反射波，則表示出合金內存在缺陷。
　　4　參考文獻
　　（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組織編寫。
　　（2）GB/T 18329.1-2001滑動軸承多層金屬滑動軸承結合強度的超聲波無損檢驗。
　　（3）TB 1659-85內燃機車柴油機鋼背鋁基合金雙金屬軸瓦超聲波探傷。