曲轴R角缺陷的超声相控阵快速检测

付汝龙，陈建华，林丹源，林齐梅，曾庆勋

(广东汕头超声电子股份有限公司 超声仪器分公司，汕头 515041)

曲轴R角缺陷的超声相控阵快速检测

付汝龙，陈建华，林丹源，林齐梅，曾庆勋

(广东汕头超声电子股份有限公司 超声仪器分公司，汕头 515041)

为了实现发动机曲轴R角部位的快速扫查检测，在CTS-PA22A型超声相控阵检测仪上，开发了具有曲轴R角部位3D声束仿真模型的曲轴检测专用模块，并在曲轴R角部位设置了切槽和通孔人工缺陷。超声相控阵检测结果表明，采用具有专用曲轴模块的相控阵扇形扫描检测方式，可以实现对曲轴R角缺陷的快速有效检测，同时结合曲轴R角部位3D仿真模型,可实现曲轴R角缺陷的精确定位。

曲轴R角；超声相控阵；3D声束仿真模型；扇形扫描

曲轴R角部位缺陷的常规超声检测，是在普通斜探头的基础上增加了一个侧向倾角，使得超声波同时向前方和侧方发射，便于实现对曲轴R角处的检测[1]。

曲轴R角缺陷的超声相控阵检测不同于常规的超声检测，其采用多声束扫描的方式。并且，为了验证检测工艺是否满足要求，其需要对受检件建模并进行声束覆盖仿真；为了实现曲轴连杆轴颈R角处缺陷的检测，需要通过超声检测仿真软件，获得最佳的检测参数；而且，通过软件仿真，可以正确指导检测工作合理进行[2-4]。

虽然，仿真软件可以实现检测参数的优化，但是对于检测结果的分析，需要采用辅助软件对缺陷进行定位，使缺陷位置显示更直观，这样也有利于缺陷的判别[5]。

笔者将曲轴R角部位3D声束仿真模型内置到CTS-PA22A型超声相控阵检测仪上，以实现对曲轴R角缺陷的快速、有效检测。

1 超声相控阵检测原理

超声相控阵检测使用的相控阵探头由多个晶片按一定的规律分布排列，通过软件可以单独控制每个晶片的激发时间，从而控制发射超声波束(波阵面)的形状和方向，实现超声波的波束扫描、偏转和聚焦；因此，超声相控阵可以检测出不同方位及取向的缺陷，这些缺陷可能随机分布在远离声束轴线的位置上。

笔者采用的扇形扫描又称方位扫描或角扫描，该扫描是使阵列中相同晶片组发射的声束对某一聚焦深度在扫描范围内移动，聚焦点的轨迹为圆弧曲线，扇形扫描原理如图1(a)所示(图中d为阵元间距，A为激励孔径；N为阵元数目；f为聚焦深度；α为角度范围；θ为角度步进)。扇形扫描可以实现工件整个断面的显示扫查，不同角度和不同深度位置的缺陷均可检测出来，典型的扇形扫描图像如图1(b)所示。

图1 相控阵扇形扫描原理及扫描图像

扇形扫查具有良好的声束可达性，不需要复杂的扫查装置或更换探头，不移动探头或尽量少移动探头就可实现厚大工件和形状复杂工件的整个体积或所关心区域的多角度多方向扫查，是解决可达性差、空间受限及结构复杂工件检测的有效手段，因而是检测曲轴R角部位缺陷的理想扫查方式。

2 曲轴3D仿真模型设计

图2 曲轴工件实物及简化结构示意

2.1 曲轴工件 采用的某型曲轴实物及简化结构如图2所示。根据曲轴R角缺陷部位实现检测的对比要求，在曲轴的R角部位设置4个人工缺陷，缺陷位置如图2(b)所示，曲轴有8个R角部位，在位置2与位置8分别设置了深度10 mm和5 mm，倾斜角度均为45°的线切割槽来模拟表面裂纹，在位置4和位置6各设置了一个直径为2 mm的通孔来模拟内部缺陷。

2.2 计算机软件仿真

采用某计算机仿真软件对曲轴8个R角部位进行声束仿真，扇形扫描角度范围均为0°～45°。根据人工缺陷的设置，位置1和8配对，位置2和7配对，位置3和6配对，位置4和5配对。其中对位置1，8，3，6分别进行检测时，相控阵探头放在主轴颈位置的声束仿真图像如图3所示，从位置1和8的声束仿真结果可知，位置8的线切割槽阻挡了部分声束；从位置3和6的声束仿真可知，位置6的通孔阻挡了部分声束。

图3 相控阵探头放置在主轴颈位置的声束仿真图像

当对位置2，7，4，5进行检测时，相控阵探头放置在连杆轴颈位置的声束仿真图像如图4所示，从位置2和7的声束仿真可知，位置2的线切割槽阻挡了部分声束；从位置4和5的声束仿真可知，位置4的通孔阻挡了部分声束。

图4 相控阵探头放置在连杆轴颈位置的声束仿真图像

2.3 曲轴3D仿真软件设计

通过计算机仿真软件的仿真，相控阵探头放置的位置有两个，一个是主轴颈位置，另一个是连杆轴颈位置。将探头放置在主轴颈位置进行检测时，可采用与连杆轴颈位置相同的检测工艺仿真参数；同样将探头放置在连杆轴颈位置进行检测时，也可采用与主轴颈位置相同的检测工艺仿真参数。因此可以简化曲轴仿真工艺，将曲轴简化为3个部分：主轴、曲壁、连杆轴。通过分别设置主轴、曲壁和连杆轴的参数即可实现各类曲轴工件的3D建模。

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完成工件的建模后，可以在工件模型上设置探头、楔块的参数，选择探头放置位置，设置扇形扫描参数，完成超声声束的覆盖仿真。仿真时，相控阵探头可以在轴颈上实现轴向移动和周向移动，以实现检测位置的精确定位；同时工件模型可分别沿x轴、y轴、z轴三个方向旋转，可进行放大和缩小，可以在屏幕任意位置平移，可切换查看三视图，所有的参数调节均实现触屏操作。因此，设计的曲轴检测工艺仿真软件提供了探头、楔块、工件、扫查等菜单的设置；其中探头菜单可以选择内置在仪器里的相控阵探头型号，楔块菜单可以选择内置在仪器里的相控阵楔块型号，工件菜单可以分别设置连杆轴、曲壁、主轴的具体参数，扫查菜单可以设置扇形扫查参数及探头位置参数；同时，通过触控仪器屏幕右侧的快捷图标(包括x/y/z轴旋转、放大/缩小、平移、三视图切换、还原等)可在屏幕上左右滑动，从各个方向查看仿真模型和具体细节。

探头位于连杆轴颈位置的曲轴3D模型仿真图像如图5所示。

图5 探头位于连杆轴颈位置的曲轴3D模型仿真图像

探头放置在主轴颈位置的曲轴3D模型仿真图像如图6所示。

图6 探头位于主轴颈位置的曲轴3D模型仿真

3 检测方法及结果

3.1 检测方法

采用具有曲轴R角部位3D声束仿真模型的曲轴检测专用模块的CTS-PA22A型超声相控阵检测仪，对加工有人工切槽和通孔的曲轴试块进行检测。采用的相控阵探头参数为：频率2.5 MHz，阵元数16个，阵元间距1 mm，R26.5 mm弧度延时块，R35 mm 弧度延时块；采用的曲轴试块参数为：连杆轴直径53 mm，主轴直径70 mm，曲臂厚度20 mm，连杆轴和主轴重合部位8 mm；采用的扇形扫描参数为：扇形扫描角度范围为0°～45°。由于在曲轴试块上制作人工缺陷的时候已经考虑到对比的要求，即，同类型部位的检测两两配对，一个设置有人工缺陷，一个不设置人工缺陷；这样在检测时可以对比有无缺陷的检测图像，验证采用超声相控阵检测方法来检测曲轴R角缺陷的可靠性。

图7 检测设备外观

检测设备外观如图7所示，仪器视图显示包括A扫描窗口、扇形扫描窗口、曲轴3D模型窗口等。A扫描窗口显示扇形扫描中某个角度声束位置的A扫描波形，扇形扫描窗口显示曲轴检测的扇形扫描图像，曲轴3D模型窗口显示曲轴的模型仿真。同时，根据当前声束角度的波形实时显示缺陷在模型中的位置，位置的指示采用红色指示点标识。

3.2 检测结果

图8 主轴位置上的超声相控阵检测图像

3.2.1 在主轴位置上检测结果

在主轴位置上进行检测时，探头放置方法如图3所示，分别针对位置1，8，3，6进行检测。其中，位置1和8配对，位置8设置有人工切槽缺陷；位置3和6配对，位置6设置有通孔缺陷。

主轴位置上超声相控阵检测图像如图8所示，图8(a)为位置6的检测图像，由于位置6设置有通孔缺陷，因此检测图像中可以看到明显的通孔回波图像，且通孔回波图像在3D模型的指示正好位于R角，与实际情况符合；图8(b)为位置3的检测图像，由于位置3没有设置人工缺陷，因此检测图像中没有看到可疑回波显示；图8(c)为位置8的检测图像，位置8设置了切槽人工缺陷，检测图像中可以明显看到切槽的端角回波；图8(d)为位置1的检测图像，由于位置1没有设置人工缺陷，因此检测图像中没有看到可疑回波显示。

从图8的检测图像可知，当相控阵探头放置在主轴位置上进行检测时，曲轴R角部位是否存在缺陷可从检测图像中一目了然，且缺陷的位置在模型中能够定位显示，定位位置与实际位置符合。

图9 连杆轴位置上的超声相控阵检测图像

3.2.2 在连杆轴位置上检测结果

在连杆轴位置上进行检测，探头放置如图4所示，分别针对位置2，7，4，5进行检测。检测图像如图9所示，位置2和7配对，位置2设置有人工切槽缺陷；位置4和5配对，位置4设置有通孔缺陷。图9(a)为位置4的检测图像，由于位置4设置有通孔缺陷，因此检测图像中可以看到明显的通孔回波图像，且通孔回波图像在3D模型的指示正好位于R角部位，与实际情况符合；图9(b)为位置5的检测图像，由于位置5没有设置人工缺陷，因此检测图像中没有看到可疑回波显示；图9(c)为位置2的检测图像，位置2设置了切槽人工缺陷，检测图像中可以明显看到切槽的端角回波；图9(d)为位置7的检测图像，由于位置7没有设置人工缺陷，因此检测图像中没有看到可疑回波显示。

从图9的检测图像可知，当相控阵探头放置在连杆轴位置上进行检测时，曲轴R角部位是否存在缺陷，从检测图像中便可看出，且缺陷的位置在模型中能够定位显示，定位的位置与实际位置符合。

图9(c)图像中除了切槽端角回波外，在端角回波的右上角仍然有一个疑似缺陷回波。对其进行测量，切槽端角回波参数为深度54.5 mm，水平16.1 mm，疑似缺陷回波参数为深度45.1 mm，水平25.8 mm，这两个缺陷之间的深度差为9.4 mm，水平差为9.7 mm，从测量结果看这个疑似缺陷回波可能是切槽尖端部位的反射回波，但需要进一步确定。

4 结论

(1) 仪器内置曲轴R角3D仿真模型，在检测之前需要进行工件建模和声束仿真，以保障检测工艺的可靠性。

(2) 通过曲轴R角3D仿真模型与扇形扫描检测图像的同屏显示，用户可实时定位曲轴R角缺陷位置，辅助缺陷判断。

(3) 相控阵扇形扫描的多声束角度特点，能实现曲轴R角部位的全方位覆盖检测。检测时探头移动可沿主轴颈和连杆轴颈周向旋转，实现曲轴R角缺陷的快速扫查检测。

(4) 通过采用具有曲轴3D仿真模型的仪器，可大大降低检测人员检测曲轴R角缺陷的难度。

[1] 石常亮,董世运,唐维学,等.废旧曲轴R角处缺陷的超声波检测[J].无损检测, 2015,37(10):20-23.

[2] 董世运,刘彬,徐滨士,等.旧曲轴缺陷超声相控阵检测仿真设计与验证[C]//无损检测高等教育发展论坛暨电磁超声无损检测技术交流会.[S.l.]:[s.n], 2011.

[3] 董世运,潘亮,徐滨士,等.基于CIVA的曲轴R角缺陷相控阵超声检测方法[J].装甲兵工程学院学报, 2013,27(3):70-74.

[4] 闫晓玲,董晓云,王新月,等.基于超声相控阵的再制造曲轴缺陷检测方法研究[J].现代制造工程,2013(10):20-24.

[5] 陆铭慧,邓勇,刘勋丰.曲轴区域超声相控阵检测方法研究[J].中国测试,2016,42(7):97-102.

The Rapid Ultrasonic Phased Array Testing of Crankshaft R-angle Defects

FU Rulong, CHEN Jianhua, LIN Danyuan, LIN Qimei，ZENG Qingxun

(Ultrasonic Instrument Branch, Guangdong Goworld Co., Ltd., Shantou 515041, China)

To achieve the rapid testing of engine crankshaft R-angle defects, the 3D beam simulation model of crankshaft R-angle parts is developed in the CTS-PA22A phased array ultrasonic testing instrument, and crankshaft R-angle parts are made with cutting groove and hole-type artificial defects. The phased array ultrasonic testing experimental results show that the phased array S-scan, which is with crankshaft R-angle parts 3D beam simulation model, can rapidly and effectively test the R-angle defects of the crankshaft, and also can accurately locate the defects.

crankshaft R-angle; ultrasonic phased array; 3D beam simulation model; S-scan

2016-09-12

付汝龙(1982-)，男，硕士，电子工程师(中级)，主要从事超声无损检测技术研究工作

付汝龙，rlfu@st-ndt.com

10.11973/wsjc201705009

TG115.28

A

1000-6656(2017)05-0037-05