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曲轴在制造过程中会不可避免地产生缺陷与损伤,表现为曲轴表面和内部缺陷,如毛坯在冶炼、铸造过程中产生的气孔、缩孔、缩松和夹渣以及在热处理和机加工中产生微裂纹等。曲轴在工作过程中承受着巨大交变弯曲应力和扭转应力,截面变化部位易产生疲劳裂纹,而这些缺陷是造成曲轴失效和安全事故的主要原因。
超声波能检测的缺陷主要有:钢锭中的缩孔、缩松、夹杂物等,锻造过程中产生的折迭、裂纹等,热处理过程形成的裂纹。超声波探伤除对原材料进行检验,还应在曲轴调质后、加工孔、槽前进行检验。因此需要对曲轴的缺陷检测控制区域、缺陷检测当量直径和验收标准进行界定。 该型号曲轴调质前毛坯图如图1所示。
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而各标准中对曲轴的主关键区(区域I)、次关键区(区域II)、非关键区(区域III) 的划分各不相同,各标准的划分如下:JB/T7032-2001《大型全纤维曲轴锻件》 三个区域如图2所示。![]()
JB/T9020-1999《大型锻造曲轴的超声波检验》三个区域如图3所示。![]()
CB/T3907-1999《船用锻钢件超声波探伤》三个区域如图4所示。![]()
德国MANQ10.09431-2120 标准中的三个区域如图5所示。![]()
美国ASTM A503 /A503M 标准中的三个区域如图6所示。![]()
美国ABS船级社标准[6] 中的三个区域如图7所示。![]()
图中的a=0.1d或25mm(以较大的数值为准),l=主轴颈长度,d=曲柄销直径,D=主轴颈的直径,曲臂间小于0.25d的心部区域通常可计入次关键区(区域II)中。 图5中曲柄销表面D/10处、内法兰表面D/10处,以及标记区域的圆角--轴颈处的d/5和曲臂外侧D/5处为主关键区,轴颈上D/10到D/4以及曲柄销上d/10到d/4的过渡区域为次关键区。 通过汇总分析后发现, 主支撑轴的平行于三点钟方向的中心平面与相邻曲柄轴的平行于三点钟方向的中心平面之间的曲臂都被归为主关键区, 这也是曲轴运转过程中受力最大的区域, 也是造成曲轴失效的高风险区域[2] (JB/T9020-1999《大型锻造曲轴的超声波检验》)。 而主轴颈和连杆颈表面在美国船级社相关标准和CB/T3907-1999《船用锻钢件超声波探伤》中,未被全部列入主关键区,根据位置的不同,与连杆颈相反方向的表面列为次关键区。与之相对应的,国内JB/T7032-2001 《大型全纤维曲轴锻件》等标准和德国MAN 公司的标准都将主轴颈和连杆颈表面列为主关键区。非关键区的要求则大同小异,主要是曲轴心部区域。 根据《法国BV船级社规范—曲轴用锻件》的要求,最小曲柄销直径不小于150mm 的所有曲轴锻件均应进行超声波探伤。依照《英国LR 船级社规范—曲轴用锻件》的要求,超声波检验应在锻件机加工至适于作这种检验时和最终热处理后进行。如果受检验锻件的外形和尺度合适时,则径向和轴向两种扫描都应进行。 遵循超声波探伤的基本原则,超声声束尽可能覆盖主关键区和次关键区,也就是裂纹发生区,声束尽可能与潜在的裂纹垂直,以获得最大的裂纹反射量,形成较高的探伤灵敏度,耦合剂选用20#机油,且仪器的垂直线性误差应不大于5%。虽然曲轴结构复杂, 但由于尺寸较大,所以曲轴局部的形状相对比较简单,因此在探伤时采用直探头更为合适。 现将部分曲轴超声波探伤相关的标准和技术要求收集与整理如表1所示,表1中名称说明如下,其中MAN公司规定的连续缺陷的定义: 相邻两缺陷的间距小于10mm时,作为一个连续的缺陷。(1)当量直径:在条件相同的情况下,缺陷回波的幅度与超声波束垂直的某一直径平底孔的回波幅度相等,称该直径为缺陷当量直径,简称当量直径。(2)单个缺陷:间距大于50mm,当量直径不小于起始记录当量的缺陷。(3)密集缺陷:边长小于或等于50 mm 正方体内,有五个或五个以上的当量直径不小于起始记录当量的缺陷。(4)连续缺陷:在某个测距上缺陷当量不小于2 mm,回波的波动幅度范围在探头连续移动距离等于或大于30mm的间距内不大于2dB的缺陷回波。![]()
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(1)钢材需要100%超声波探伤,超声波探伤方法按GB/T6402-2008。(3) 中心区域内允许不大于φ4mm 当量缺陷存在,表层区域允许不大于φ2mm 当量缺陷存在。(注:中心区域按主轴颈探伤前尺寸的1/2 计算,参照《大型全纤维曲轴锻件》、《大型锻造曲轴的超声波检验》及《MAN Q10.09431-2120》标准中的D/4内为非关键区。)(1)关键区、次关键区与非关键区综合参照德国MAN公司标准、美国ASTM503标准、美国船机社规范及CB/T3907标准超声波测试区域划分原则,如图8、图9所示。![]()
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主关键区:主轴颈表面D/10、连杆颈表面d/10、内法兰面的D/10以及曲臂的4d/5至4D/5范围内。 次关键区: 主轴颈D/10~D/4区域, 连杆过渡区域d/10~d/4以及曲臂柄与轴颈连接的0.1D处。(2)超声波探伤起始灵敏度为φ2mm 当量,探伤方法按GB/T6402-2008。(3)中心区域φ150mm 是按主轴颈探伤前尺寸φ300mm的50%计算,主关键区域允许有<2mm 当量的非密集缺陷存在且≤1个;次关键区域允许有<3mm 当量的非密集缺陷存在且≤2个;非关键区域允许有<4mm 当量的非密集缺陷存在且≤3个。 大型曲轴受力状态更加复杂,在主关键区和次关键区的划分上应更加严格。探伤起始灵敏度采用要求最高的φ2mm 当量,严格限制缺陷数量。探伤工序在原材料检验阶段和曲轴调质完成且半精加工后进行,采用径向和轴向两种扫描方式,探伤方法按GB/T6402-2008操作。两年来,经过不断地摸索改进并严格执行探伤操作规程,未发生过因原材料或热处理缺陷引起的曲轴失效事故,该超声波探伤的技术方案取得较好的效果,为高可靠柴油机的平稳运行提供了强有力的保障。免责声明：本文系网络转载，版权归原作者所有。但因转载众多，或无法确认真正原始作者，故仅标明转载来源，如标错来源，涉及作品版权问题，请与我们联系，我们将在第一时间协商版权问题或删除内容！
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