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用涡流检测分选驱动杆的材料裂纹

来源:无损检测人才网 时间:2012-08-24 作者:涡流检测 浏览量:
文章概况:用涡流检测分选驱动杆的材料裂纹 用涡流检测分选驱动杆的材料裂纹 檀 殉 ( 上海交通大学) 【 摘要】 文章实际运用涡流探伤原理, 采用m a g n a t e s t E C M 3 . 6 2 1 涡流分选仪对主轴驱动杆零件的材料 裂纹进行检测。在试验过程中, 通过检测线圈的选择、 缺陷样件的确定、 检测参数的选定, 建立了2套参数组和 样品组, 并达到了能够将带有材料裂纹的缺陷件分选出来的试验目的。 【 主题词】 材料 检测 涡流 主轴驱动杆部件是 V 5汽车空调压缩机 中的 关键零件。主轴驱动杆 作在高应力状态, 承受 较大的拉伸和剪切应力。如果其材料 内部存在裂 纹 , 就可能造成驱动杆在工作中断裂 , 使空调压缩 机咬死 , 进而导致汽车发动机熄火。以往, 采用磁 粉探伤的方法检测此类裂纹。磁粉探伤采用 目测 检查 , 很容易造成漏判 , 而且磁粉介质对环境和零 件都有较大的污染 , 不适合大批量生产 的要求。 为了检测出材料 内部的裂纹 , 改用涡流检测的方 法来筛选驱动杆 , 达到了保证产品质量的结果。 1 涡流检测原理介绍 在交变磁场中, 导电物体的内部会感生涡流. 利用这种特性来分析工件 内部质量状况的方法称 为涡流检测。涡流检测属于无损检测 , 与当代的计 算机技术结合起来后 , 是一种 比较先进 的检测方 法。当被测材料经过载有交变电流的线圈时, 在载 流线圈的交变磁场的作用下, 被测材料内部会感生 涡流, 这个感生的涡流的大小 、 相位及其分布状态 是受材料的性质决定的; 同时, 涡流又会在检测线 圈产生相应 的感生电势 , 因此, 通过分析检测线圈 上感生的电势, 就可以了解材料的某些性质。 虽然涡流检测已经是一种常用的无损检测方 法, 但是在实际应用 中, 仍有一系列的技术问题须 要解决, 这样才能够使涡流检测的技术得到正确的 应 用。 例如, 首先要了解材料内部裂纹的走向, 在 收稿 1 3期: 2 0 0 4—0 2—1 2 · 3 6 · 一 般情况下, 裂纹与磁力线正交时, 对涡流的影响 最敏感, 裂纹与磁力线平行时, 对涡流几乎没有影 响; 其次要了解材料内部裂纹处在的部位, 在高频 交变磁场情况下, 涡流只对浅层的裂纹有反映, 如 果要检测较深层的裂纹 , 就要采用低频交变磁场。 在检测过程中, 零件的硬度变化、 尺寸差异、 表 面粗糙度不同等都会使涡流发生变化 , 给裂纹的辨 别造成识别困难。对此在进行了上万次试验后, 才 研究出一套适合驱动杆材料裂纹的涡流检测方法。 2 涡流仪的选型和信号显示方式 2 . 1 涡流仪型号 因为在主轴驱动杆裂纹检测 中并不需要知道 裂纹的确切位置 , 只要求把有裂纹的驱动杆筛选 出来, 所以没有选用扫描式探伤仪类 的设备, 而是 选用了德 国霍 士德 m a g n a t e s t E C M 3 . 6 2 1涡流分 选仪 。该仪器主要用于金属零部件或半成品的硬 度 、 材质混淆的分选, 它的工作效率远高于扫描式 探伤仪。 2 . 2 分选的信号显示方式 涡流仪检测的结果最终归结为相角和幅值 , 用复平面上的点来显示。 如图 1 , 坐标系中的初值对应空线 圈信号 , 当 一 个零件通过检测线圈, 涡流的感应信号将划过 一 个弧线后 回到初值。当激励磁场是单一频率 时 , 感应信号的最大值, 通常是弧线的反转点, 是 上海汽车 2 0 0 4 . 6 1 阻抗平面内 2个被检部件 信号的特性 检测的关键。 在正确设置仪器参数的情况下 ( 频率, 电流强 度, 灵敏度和谐波等 ) , 性质相 同或类似的合格零 件的测试值( 反转点) 在阻抗平面上形成一个点的 密集区; 如果零 件的性 质有差异 , 例如 内部有裂 纹, 反转点就会落到密集区外 , 就能被明显的区分 开, 如图 2 。 图2 阻抗平面上的信号区分 ★ =合格部件 ·=不合格部件 通过实验 , 掌握一批具有代表性的部件( 合格 件和缺陷件) , 就可根据统计原理选用合适的 X o " ( 1 3 " 为统计 常规参数 , 2 o " 为 9 5 . 4 %合格 范围, 3 o " 为 9 9 . 7 %合格范围) , 计算出一个可靠的合格环 范围。从而将落在“ 环” 内的判为合格品, “ 环” 外 的判为疑问件 。 3 明确材料缺 陷的类型 驱动杆材料采用的是美国牌号高含硫的易切 上海汽车 2 0 0 4 . 6 削钢 S A E 1 1 4 4( 国内相近材料牌号 Y 4 0 Mn ) , 选用 该零件材料的主要 目的是在加工工艺中可免除热 处理和磨削加工。虽然避免 了热处理和磨削加工 中产生裂纹的可能, 但高含硫的易切削钢在冷轧 时, 易产生裂纹。这种裂纹是由于原材料中缺 陷 ( 如缩孑 L 、 气泡、 折叠及非金属夹杂物) 经轧制后形 成 , 裂纹沿轧制方向分布, 裂纹细而直, 长短不一。 根据技术要求 , 把内部有大于 1 0 mm裂纹 的 驱动杆作为缺陷品检测出来。 4 检测线圈的选择 4 . 1 检测方法的合理性 如果涡流与缺陷裂纹是垂直的, 则裂纹对涡 流的阻碍最大, 引起涡流的变化也最大, 裂纹被检 出的灵敏度就最高。这里使用穿过式线 圈, 驱动 杆垂直穿过径 向绕制的线圈, 材料 内可能存在的 裂纹基本垂直于涡流的方向, 所以采用这种通过 式检测方法是合理的。 4 . 2 选择检测线圈尺寸 使用穿过式线 圈对轴类零件进行缺 陷检查 时, 线圈与棒材之间的间隙越大, 检测灵敏度就越 低。线圈应尽可能贴近检测表面, 驱动杆部件的 最大外径为 q b l 8 mm, 所以将检测线圈的内径定为 q b2 0mm。 线圈截面尺寸对检测激励功率和分辨率也有 很大影响, 一般来讲 , 线圈高度越大 , 激励功率要 求可以低一些, 但分辨率也下降。分辨率和激励 功率之间最好的折中是选择线圈的高度等于需要 检 出的缺 陷 的长度。需 要 筛选 的裂 纹 长度 在 1 0 mm左右, 所以将线圈的高度定为 1 0 mm。 5 样件的确定 为了使检测系统在规定的误判率条件下区分 合格和不合格零件 , 其先决条件是事先具有一批 已知性 质零件 的标样。用它们来“ 校准”检测系 统 , 就可以有效地区分 出合格 与不合格 的零 件。 分选可以有 3种可能的情况。 ( 1 ) 用一批合格的零件标样来“ 校准” 检测系 统, 它们的测试值( 反转点) 在阻抗平面上形成一 · 3 7 · 个点的密集区, 在此密集区 上取一个合格环 , 就是 所谓的合格范围。通常情况下 , 合格环范围总是 略小于该密集区的实际分布范围。此时的分选结 果虽然可能发生一部分合格 品被误判为不合格 品, 但合格品范围与合格品标样基本一致。 ( 2 ) 用一批不合格的零件标样来“ 校准” 检测 系统, 它们的测试值( 反转点) 在阻抗平面上也形 成一个点的密集区, 在此密集区上取一个不合格 环, 就是所谓的不合格范围。通常情况下 , 不合格 环范围总是略大于该密集 区的实际分布范围。此 时的分选结果虽然也可能发生一部分合格品被误 判为不合格品, 但合格品范围却扩大了。 ( 3 ) 同时分别用合格与不合格的零件标样来 “ 校准” 检测系统 , 此时的分选效果实质上与第一 种情况基本相同。 通过实践, 用不合格的零件标样来“ 校准” 检 测系统, 更符合规模生产的要求。因为在规模生 产中, 零件的缺陷事先都已经有明确的规定 , 合格 品范围大一点有其不容置疑的经济价值。 在不同批次的驱动杆零件 中, 内部发生大裂 纹缺陷的比例大概在 0 . 0 3 % ~0 . 3 %之间。确定 “ 第一批” 缺陷件 的样本是一个反复筛选 、 多方认 证的过程。 采取的方法是 : 首先用涡流检测仪对一定批 量的驱动杆零件作初步分选, 找出复平面坐标显 示异常 、 孤立于群体的疑问件 ; 然后用磁粉探伤 、 机械切剖方法和表面硬度测定等手段验证它们的 性质。逐步明确与复平面坐标上的显示特征所对 应的缺陷类型, 如表面裂纹 、 内部裂纹和硬度不同 等都会显示在复平面的不同象限内。通过上述方 法, 寻找出4种不同类型的检测缺陷样件。 6 测量参数的选择 在涡流检测中, 需要选择的测量参数很多, 例 如 : 频率、 谐波数、 衰减量 、 线圈电流 、 灵敏度 、 线圈 匹配 、 空线圈信号等。其中选择频率参数是最关 键的一步。 一 般地说, 检测表面的缺陷要求使用更高的 频率, 而对检测 内部 的缺 陷, 需要选择较低 的频 · 38· 率 , 才能取得足够的穿透深度。而对于特定的缺 陷, 一定要通过反复试验, 才能获得最佳的使用频 率。对驱动杆裂纹检测, 最佳频率在 2~ 4 k Hz之 间, 在此频率范围内, 对驱动杆内是否有裂纹有最 明确的分辨效果。 涡流分选中零件材质的差异 、 表面硬度 、 化学 成分 、 零件尺寸和粗糙度最终都会影响显示点的 位置。所以样品的检测中, 还应该在保证材质参 数和零件尺寸的基本一致性 , 才能将裂纹缺陷真 正“ 独立” 显现出来。 在本次试验中, 驱动杆零件硬度范围在 HR C 1 8~2 3 , 尺寸精度在 0 . 0 5 mm 以内, 粗糙度 R a波 动不超过 1 . 6, 化学成分中的锰 、 硫等含量变化也 都不超过 0 . 0 5 %。 试验中发现零件的硬度对涡流检测结果影响 最大, 其它因素对涡流检测结果影响都不十分明 显。随着硬度的变化 , 合格范围在显示 区的 2、 4 象限 内移 动。解 决方 法 是将 驱动 杆 硬 度分 成 HR C1 8~2 O和 HR C 2 0~2 3两个范围, 分别进行 分析处理, 建立两套参数和标样。 7 试验结果 整个试验共检测 了 1万多根驱动杆 , 找出了 3 0 3根有代表性的标样。从中建立 了 5种类型的 标样 , 前 4种作为检测系统“ 校准” 的工具 : ·OK的驱动杆 1 2根 ( 磁粉探伤无明显裂缝 缺陷 , 表面硬度 HR C 1 8~2 3 ) ; ·大裂缝缺陷的驱动杆 2 1根( 磁粉探伤有明 显裂缝缺陷, 表面硬度 HR C 1 8~2 3 ) ; ·小裂缝缺陷的驱动杆 1 3根( 磁粉探伤无明 显裂缝缺陷, 此类性质的驱动杆解剖后发现 2~ 3 mm深处有大于 4 mm长的细小裂缝缺陷, 表面硬 度 HR C1 8 ) ; ·表面硬度较高的驱动杆 7根( 磁粉探伤无 明显裂缝缺陷, 表面硬度 HR C 2 6 ) ; ·表面硬度较高且有大裂缝缺陷的驱动杆 1 根( 磁粉探伤有明显裂缝缺陷, 表面硬度 HR C 2 6 ) 。 制定了 2套参数和标样组( 见表 1 ) 。根据材 料硬度 的变化选择相应 的检测方案 , 实践证明2 上海汽车 2 0 0 4 . 6 第 1套 第 2套 ( 适用于硬度 HR CI 8— 2 0驱动杆) ( 适用于硬度 HR C 2 0—2 3驱动杆) 频率( 2 0 0 0 H z ) 、 谐波参数( 1 ) 、 衰减( 0 d B ) 、 线圈电流最大 频率( 4 0 0 0 H z ) 、 谐波参数( 1 ) 、 衰减( 0 d B ) 、 线圈电流最大 测量参数 值( 5 4 %) 、 灵敏度( 1 7 . 5 d B ) 、 线圈匹配( 电流5 2 %, 灵敏 值( 3 1 %) 、 灵敏度( 1 7 5 d B ) 、 线圈匹配( 电流 3 1 %, 灵敏 度 1 7 5 d B)、 空线圈信号 ( 自动) 度 1 7 5 d B)、 空线圈信号(自动 ) 合格驱动杆 1根 ( 硬度 HR C1 8 ) 大裂缝缺陷的驱动杆4根( 编号 1 — 4 ) 合格驱动杆 l O 根( 硬度 H R C 2 0— 2 3 , 编号 1 — 1 0 ) 标样组 小裂缝缺陷的驱动杆 3根( 编号 1— 3) 大裂缝缺陷的驱动杆 5根( 编号 1 —5) 硬度异常的驱动杆 3根( 编号 1—3 ) 套检测方案都可以将 内部有大于 4 mm的裂缝缺 陷的驱动杆分选 出来。 8 结论 ( 1 ) 涡流探伤有较高的灵敏度和显示特性 , 但 如果被测材料的性质不明确或参数选择不 当, 它 的作用也可能完全显示不出来 。 ( 2 ) 决定涡流探伤成功与否的关键主要是 : 首 先有一组或几组性质已知的标样; 其次选择参数。 如果已经有了一批已知性质的零件标样 , 初始 阶 段的确定筛选范围的过程将大大缩短, 否则这个 初始阶段的工作量很大很复杂。 ( 3 ) 在用涡流探测的方法筛选时, 随着工件材 质的变化和新出现 的缺陷被发现, 参数的选择和 不合格品标样的组合也须要跟着一起变化 , 以保 证缺陷的检出率 1 0 0 %。 上海汽车 2 0 0 4 . 6 参考文献 1 涡流检测 中国机械工程协会无损检测学会, 1 9 8 5 2 涡流检测 任吉林等编著、 1 9 8 5 3 MA GN A T E S T E C M 3 . 6 2 1操作指导. 上海霍士德电磁设备 有限公司, 1 9 9 9 Ab s t r a c t T h r o u g h p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n o f t h e e d d y c u r r e n t f l a w —d e t e c t i n g p r i n c i p l e ,ma g n a t e s t EC M 3 . 6 2 1 i s u s e d t o i n s p e c t ma t e r i a l c r a c k o f t h e d r i v i n g r o d .Du r - i n g t h e t e s t ,t w o g r o u p s o f p a r a me t e r s a n d s a mp l e s a r e e s t a b l i s h e d t h r o u g h s e l e c t i o n o f i n s p e c t i o n c o i l ,i d e n - t i f i c a t i o n o f n o n—c o n f o r mi n g p r o d u c t s ,s e l e c t i o n o f r i g h t t e s t p a r a m e t e r s,t h e a i m i s r e a c h e d t o p i c k o u t t h e n o n—c o n fo r m i n g p r o d u c t s w i t h ma t e r i a l c r a c k .
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