曲轴R处缺陷的超声探伤及定位问题的研究

　　1　前言

　　柴油机、内燃机是汽车、船舶等行业的主要动力装置。曲轴则是柴油机、内燃机中传动的关键部分,长期工作于高温、高交变应力状态,极易产生疲劳裂纹和失效事故。因此,曲轴无损检测极为重要。超声检测是曲轴探伤最常用的方法,但目前国内用常规检测技术容易造成漏检和错判,故急需研究出合适的曲轴探伤方法并配合相应的程序,以提高检测的可靠性和检测效率。

　　2　曲轴探伤原理

　　首先分析一下曲轴示意图(见图1)。

　　从图1中可以看出,曲轴结构主要由主轴颈、连杆颈以及连接主轴颈与连杆颈的曲臂组成。根据曲轴的结构特点,其主轴颈、连杆颈与曲臂的尺寸相差较大,由于浇注时的冷却温度系数不同,在突变部位(即R处)容易产生补缩不良,在冷却过程中产生缩孔、疏松等缺陷,有时还会产生热裂纹。曲轴在使用过程中,其连杆轴颈通过连杆与活塞相连,长期受交变应力的作用,容易诱发疲劳裂纹,由疲劳裂纹的扩张导致断裂失效,最终导致断轴,产生不可估量的损失。因此在检测时,R部位以及主轴与连杆轴交界处的曲臂是检测的重点。本文重点对曲轴R处的检测进行了探讨。

　　曲轴R部位的超声检测用一般的普通探头很难检测到。鉴于曲轴R处的特殊性,我们采用双斜探头进行检测。即在普通斜探头的基础上增加一个侧向倾角,使得超声波同时向前方和侧方发射,以达到曲轴R处探伤的要求。为了了解曲轴R处探伤的原理,我们先分析一下双斜探头的入射原理(见图2)。

　　如图2中所示:

　　AE为双斜探头的实际入射波,AC为AE的前向分量,AD为AE的侧向分量;探头晶片与X轴的夹角α为双斜探头的前倾角,即实际入射声波AE的前向分量AC的入射角;探头晶片与Z轴的夹角为双斜探头的内倾角,即实际入射声波AE的侧向分量AD的入射角;γ为双斜探头的实际入射角,AE为双斜探头的实际入射声波。声波在曲轴中的折射原理如图3所示。折射波的两个分量即轴向分量和周向分量在曲轴中的折射原理图分别如图4、图5所示。

　　由图3、图4、图5可以得出实际声程和假想的两束波的声程有着一定的几何关系。设探头的前倾角α、内倾角以及实际声波入射角γ在工件中的折射角分别为β、θ、β′。

　　根据立体几何关系可以得出以下关系:cosβ′=cosβ×cosθ

　　此外,通过图3、图4以及图5,还可以得到实际声程S与其周向分量S1、轴向分量S2之间的关系,以及缺陷的周向偏移位置L、轴向偏移位置L′、径向埋深H、缺陷距入射点的周向弧长l、缺陷距曲臂的距离d的相关表达式如下: