大马力发动机活塞无损检测研究与进展

２０１１年远东无损检测论坛论文精选 ２０１１年 第３３卷 第９期　 大马力发动机活塞无损检测研究现状与进展 倪培君 （中国兵器科学研究院 宁波分院，宁波　３１５１０３） 摘　要：回顾了大马力发动机活塞发展历程及无损检测技术的应用情况。介绍了先进的电子 束焊接活塞无损检测方法，包括活塞顶的超声波五探头水浸检测、活塞顶和活塞体的射线实时成像 检测、电子束焊缝的超声波六探头水浸检测及工业ＣＴ检测、镶圈粘接质量的超声波检测等。论述 了多种无损检测方法综合应用在电子束焊接活塞质量保证中的重要作用。最后对新型颗粒增强铝 基复合材料活塞的无损检测技术作了展望。 关键词：发动机；活塞；镶圈；电子束焊接；铝基复合材料；超声波；射线实时成像；工业ＣＴ 　　中图分类号：ＴＧ１１５．２８　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１０００６６５６（２０１１）０９０００７０４ 犃犱狏犪狀犮犲犪狀犱犛狋犪狋狌狊狅狀犖犇犜犚犲狊犲犪狉犮犺狅犳犘犻狊狋狅狀狊犻狀犎犻犵犺犘狅狑犲狉犈狀犵犻狀犲狊 犖犐犘犲犻犑狌狀 （ＮｉｎｇｂｏＢｒａｎｃｈｏｆＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＯｒｄｎａｎｃｅＳｃｉｅｎｃｅ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５１０３，Ｃｈｉｎａ） 犃犫狊狋狉犪犮狋：ＡｒｅｖｉｅｗｏｆｔｈｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓｔｈａｔｗｅｒｅｍａｄｅｏｎｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＮＤＴ（Ｎｏｎ ｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒｐｉｓｔｏｎｓｏｆｈｉｇｈｐｏｗｅｒｅｎｇｉｎｅｓｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＴｈｅＮＤＴｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｕｓｅｄｉｎ ａｄｖａｎｃｅｄＥＢＷ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＷｅｌｄｉｎｇ）ｐｉｓｔｏｎｓｗｅｒｅａｌｓｏｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｉｍｍｅｒｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｆｏｒ ｐｉｓｔｏｎｈｅａｄｗｉｔｈｆｉｖｅｐｒｏｂｅｓ，Ｘｒａｙｒｅａｌｔｉｍｅｉｍａｇｉｎｇｆｏｒｈｅａｄｓａｎｄｂｏｄｉｅｓ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｉｍｍｅｒｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｗｉｔｈｓｉｘ ｐｒｏｂｅｓａｓｗｅｌｌａｓｉｎｄｕｓｔｒｉａｌＸｒａｙｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙｆｏｒｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｗｅｌｄｓ，ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｉｍｍｅｒｓｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｆｏｒ ｔｈｅｂｏｎｄｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｏｆｒｉｎｇｃａｒｒｉｅｒ，ｅｔｃ．ＴｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｏｆｓｅｖｅｒａｌＮＤＴｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｔｏ ｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌｓｏｆＥＢＷｐｉｓｔｏｎｓｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｆｕｔｕｒｅｒｅｓｅａｒｃｈｔｒｅｎｄｓｏｆｔｈｅＮＤＴｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｔｈｅ ｌａｔｅｓｔｐｉｓｔｏｎｏｆｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅｓｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄＡｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｅｒｅｏｕｔｌｉｎｅｄ． 犓犲狔狑狅狉犱狊：Ｅｎｇｉｎｅ；Ｐｉｓｔｏｎ；Ｒｉｎｇｃａｒｒｉｅｒ；Ｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｗｅｌｄｉｎｇ；Ａｌｍａｔｒｉｘｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；Ｘｒａｙ ｒｅａｌｔｉｍｅｉｍａｇｉｎｇ；ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＸｒａｙｃｏｍｐｕｔｅｄｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ 　　军用车辆的机动性能主要由发动机的性能所决 定，而活塞作为发动机的“心脏”，承受交变的机械负 荷和热负荷，对发动机的性能起着至关重要的作用。 ２０世纪五、六十年代，我国军用大马力发动机主要 从苏联引进技术，发动机的功率为５２０Ｈｐ，采用整 体锻造铝合金活塞，活塞结构简单，承受的热负荷和 机械负荷小，对活塞的质量要求相对较低。近年来， 随着发动机功率的提高，活塞的使用环境越来越苛 刻。围绕提高活塞顶部的耐高温性能、活塞镶环部 位的耐磨性和活塞裙部的机械强度这一发展主线， 收稿日期：２０１１０５３０ 作者简介：倪培君（１９６５－），男，研究员，主要研究方向为工业 ＣＴ、数字射线和超声波检测等。 我国先后研制了镶圈铝活塞，带内冷油道的铝活塞、 电子束焊接活塞、挤压铸造复合材料活塞等一系列 先进活塞，有力支撑了军用车辆的发展和技术创新。 镶圈铝活塞是在活塞的第一道环槽部位，用 Ａｌｆｉｎ法镶铸了高镍奥氏体铸铁镶圈，与纯铝活塞 相比，显著提高了活塞环槽的耐磨、耐热及耐蚀性 能［１］。带内冷油道的铝活塞是在活塞顶部用水溶盐 芯技术制成内冷油道，以冷却活塞顶，从而提高了活 塞顶部耐高温性能。电子束焊接活塞顶部采用重力 铸造成型，带高镍奥氏体铸铁镶圈和内冷油道；裙部 采用与顶部相同的材料锻造而成，在铸锻连接部位， 用真空电子束焊工艺焊接。电子束焊接活塞兼顾了 镶圈活塞和内冷油道铝活塞镶圈耐磨、顶部耐高温 ７ 倪培君：大马力发动机活塞无损检测研究现状与进展 　　 ２０１１年 第３３卷 第９期 的优点，同时具有裙部机械强度高的特点，从而成为 大马力发动机的重要选择。图１为典型电子束焊接 活塞结构。挤压铸造复合材料活塞是用Ａｌ２Ｏ３ 纤 维增强铝基复合材料镶圈取代高镍奥氏体铸铁镶 圈，具有镶圈和铝基体结合强度高、耐磨性好、重量 轻、成本低等优点，将成为新一代的高性能活塞，在 大马力发动机上有重要应用前景。 内冷油道 镶圈 电子束焊缝 图１　电子束焊接活塞结构 由于组成结构和制造工艺的复杂性，在活塞制 造过程中不可避免地产生一些缺陷。如果不及时将 这些缺陷检测出来，不仅造成后面工序的许多浪费， 而且一旦带有危害缺陷的活塞装机，可能会造成发 动机拉缸或整台发动机报废的严重后果。为了提高 大马力发动机活塞的质量和可靠性，多种独具特色 的无损检测技术用于活塞的检测，包括超声波多探 头水浸检测、射线实时成像检测、工业ＣＴ检测等， 检测 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 包括镶圈结合质量、内冷油道位置、电子束 焊接质量、活塞铝体铸造缺陷等。 笔者对于近年发展的电子束焊接活塞的无损检 测技术进行了综述，阐述了多种无损检测方法综合 应用、互相补充对于保证产品质量的重要性，对新型 挤压铸造铝基复合材料无损检测技术进行了展望。 １　电子束焊接活塞的无损检测 电子束焊接活塞组成结构和生产工艺复杂，缺 陷形式多样。在活塞顶毛坯中出现的缺陷有内冷油 道位置偏移、内冷油道夹杂物、镶圈粘接不好、活塞 顶铝体铸造缺陷等；在电子束焊接中出现的缺陷有 未焊透、焊偏、裂纹、气孔等；在热处理和机加之后出 现的镶圈开裂等。为了保证电子束焊接活塞质量， 在活塞生产四个工序上安排了一系列的无损检测方 法，多种无损检测方法互相补充，确保活塞的质量， 同时减少不必要的工序浪费，降低成本。表１给出 3 5 2 41 图２　活塞顶毛坯超声 波检测探头布置 了电子束焊接活塞的无损 检测方法及相应的工序。 １．１　活塞顶毛坯缺陷的超 声波检测［２］ 根据活塞顶毛坯的结 构特点及缺陷情况，设计了 活塞顶毛坯的超声波五探 头水浸检测法。探头布置 如图２所示：探头１检测内 冷油道径向位置；探头２检 测内冷油道轴向位置及油 道上侧铸造缺陷；探头３检测镶圈上下侧面结合质 量；探头４检测镶圈背面结合质量及油道上侧区域 表１　电子束焊接活塞无损检测方法及工序 工序 检测的对象 检测方法 检测缺陷 毛坯阶段 活塞顶 超声波五探头水浸检测法 · 镶圈结合质量 · 内冷油道位置 · 顶圈铝体铸造缺陷 射线实时成像检测 · 顶圈铝体铸造缺陷 · 内冷油道夹杂 活塞体 射线实时成像检测 活塞体锻造缺陷 焊接阶段 电子束焊缝 超声波六探头水浸检测法 · 未焊透 · 焊偏 · 内冷油道上侧开裂 · 焊缝气孔 工业ＣＴ 焊缝气孔 机械加工阶段 镶圈结合部位 超声波水浸脉冲反射法 镶圈上侧和背面结合质量 成品阶段 镶圈结合部位 超声波水浸脉冲穿透法 镶圈上侧和下侧结合质量 活塞外表面 渗透探伤法 表面缺陷 ８ 倪培君：大马力发动机活塞无损检测研究现状与进展 ２０１１年 第３３卷 第９期　 铸造缺陷；探头５检测镶圈和油道之间铸造缺陷。 内冷油道位置的检测实际是测厚，根据活塞顶 铝体的纵波声速及声传播时间可分别得到油道径向 和轴向距探测面的壁厚。镶圈结合质量的检测是根 据活塞顶铝合金和奥氏体铸铁声阻抗不同，超声波 入射到两种材料界面时将产生一定的反射波，结合 图３　活塞顶油道 上侧铸造缩孔 不好时的反射波将高于结 合好时的反射波，这样根 据超声反射波幅的高低进 行结合质量的检测。油道 上侧、镶圈和油道之间铸 造缺陷的检测采用超声脉 冲回波法。图３为活塞顶 油道上侧铸造缩孔，图４ 为活塞顶典型冷油道轴向 偏移。 图４　活塞顶内冷油道轴向偏移 １．２　活塞顶和活塞体犡射线实时成像检测 由于受结构条件限制，超声波检测法不能对活 塞顶毛坯内冷油道残留盐芯、油道缩孔和气孔、盐芯 裂断及油道内金属夹杂进行检测。为此，采用Ｘ射 线实时成像检测技术对活塞顶毛坯内冷油道缺陷进 行检测。通过Ｘ射线沿轴向穿透活塞顶毛坯，有缺 陷的部位和正常部位对Ｘ射线吸收不一样，这样穿 透射线经图像增强器和摄像机后，在监视器上实时 显示活塞顶毛坯的透视图像，油道内有多余物，则在 油道背景下显示黑色的影像；油道内有缩孔或气孔， 则显示白色的影像，根据图像灰度的差别，实现对内 冷油道缺陷的检测。同样的方法实现对活塞体缺陷 的检测。 １．３　电子束焊缝的超声波检测［３］ 根据电子束焊活塞的结构特点、缺陷情况以及 焊接缺陷的超声波反射规律，并考虑批量检测的需 要，设计了超声波水浸六探头检测法。探头布置如 图５所示：探头１检测顶缝未焊透、焊偏以及上升到 有效焊接区域根部的气孔；探头２检测焊缝根部气 5 4 3 6 12 图５　电子束焊活塞焊缝 超声波检测探头布置 孔带，用以说明顶缝是否焊 接到位；探头３检测油道和 镶圈之间缺陷及该区域所 对的环缝中部局部气孔，同 时也检测环缝大的未焊透 或焊偏；探头４检测环缝未 焊透、焊偏以及上升到有效 焊接区域的根部气孔；探头 ５检测环缝根部气孔带，用 以说明环缝是否焊接到位； 探头６检测油道上侧裂纹。 探头１～５采用纵波法检测，声束垂直探测面入 射；探头６采用横波法检测，探头入射角在１４．６°～ １８．１°之间调整。研究表明，探头６采用横波法检测 比纵波法灵敏度高６ｄＢ以上（图６）。图７为典型 顶焊缝未焊透，图８为典型环焊缝未焊透。 １．４　电子束焊缝的工业犆犜检测［４］ 由于受结构所限，超声波检测方法不能检测到 电子束焊缝的全部气孔。工业ＣＴ可以弥补超声波 检测的不足，对焊接区域内的所有气孔都能进行可 靠检测，成像直观，气孔出现的位置及大小均可以定 量测定。检测时活塞直立放置，切片方向平行于环 焊缝，切片厚度为０．５～１ｍｍ，重建矩阵为５１２× 横波法 纵波法 d/mm0 1 2 3 4 V/dB 45 50 55 60 65 　 图６　横波法和纵波法检测油 道上侧缺陷的比较 图７　电子束焊活塞典型顶 焊缝未焊透 图８　电子束焊活塞典型环 焊缝未焊透 ９ 倪培君：大马力发动机活塞无损检测研究现状与进展 　　 ２０１１年 第３３卷 第９期 ５１２，环缝只须切一片，顶缝切六片左右。每层的检 测时间为１ｍｉｎ。图９为某只活塞环缝的ＣＴ扫描 图像，从中可以看到整圈都有根部气孔，另有一处大 的条形气孔（箭头指处）。图１０为另一只电子束焊 活塞顶缝的ＣＴ扫描图像，可以看到顶焊缝的气孔。 图９　电子束活塞环缝的ＣＴ扫描图像 图１０　电子束活塞顶缝的ＣＴ扫描图像 １．５　镶圈结合质量的超声波检测 镶圈的结合质量直接影响电子束焊活塞使用的 可靠性。除了铸造工序外，电子束焊接、热处理、机 械加工等后道工序都可能对镶圈的粘结质量造成影 响，所以在活塞毛坯阶段，要对活塞顶毛坯的镶圈结 合质量检测；在活塞的半成品及成品阶段，要分别对 镶圈的结合质量进行检测。半成品的检测在活塞热 处理切鼓包粗车外圆之后进行，检测镶圈背面和 上侧面的结合质量（图１１（ａ））。成品的检测在加工 出活塞环槽后进行，检测镶圈上下侧面的结合质量 （图１１（ｂ））。半成品和成品镶圈结合质量的检测分 别采用超声水浸脉冲回波反射法及水浸脉冲穿透 法。特别是成品的检测采用了特别制作的沟槽式探 头，发射探头插入镶圈中心环槽处，向镶圈上下两侧 发射超声波，两个接收探头分别在活塞顶部和第二 道环槽部位接收穿过上下结合面的超声波，如镶圈 结合不好，则超声衰减大，穿透的超声信号弱；反之， 则相反。检测时，探头位置固定，活塞旋转，根据旋 转一圈的超声波信号情况，可给出结合缺陷的数量、 2 21 13 （ａ）半成品 （ｂ）成品 图１１　活塞镶圈结合质量超声波检测 长度及占活塞周长的比例等。图１２为典型镶圈结 合缺陷解剖照片。图１３为镶圈结合缺陷金相照片。 图１２　镶圈结合缺陷解剖照片 图１３　镶圈结合缺陷金相照片 ２　挤压铸造复合材料活塞无损检测 挤压铸造复合材料活塞是将Ａｌ２Ｏ３ 增强体纤 维预制件放入经过精密加工的石墨浇铸模内，预热 到一定温度，加入熔化的铝合金液，在压力作用下先 渗入模壁间隙中，继而渗入预制件中，最后去压，冷 却，形成整体活塞。在活塞成型过程中，用特殊的方 法形成内冷却油道。由于工艺的复杂性，挤压铸造 复合材料活塞有时会出现铸造疏松、内冷油道变形、 偏移、高密度夹杂等缺陷。除此之外，复合材料和铝 体之间的界面也会出现组织不连续等缺陷。根据活 塞的结构特点，目前采用数字射线成像（ＤＲ）和工业 （下转第１５页） ０１ 李运涛等：基于金属磁记忆方法检测埋藏性缺陷的试验 ２０１１年 第３３卷 第９期　 ４　结论 通过以上试验，可得出以下结论： （１）对内压容器以打水压方式进行加载，可减 小磁记忆试验的干扰因素影响。 （２）如果埋藏缺陷引起的应力集中足够大，在 远小于工作载荷的情况下，相应部位的磁记忆检测 犎ρ曲线就会出现正弦形突变信号。 （３）在没有磁污染的情况下，通过将加载后的 犎ρ曲线与未加载（０ＭＰａ）的犎ρ曲线进行对比分 析，可在较小的载荷下确定埋藏性缺陷的位置。 （４）可通过分析犎ρ曲线随载荷变化的规律来 识别缺陷信号的真伪。随着载荷的增加，真缺陷的 突变信号一般是从无到有或幅度从小到大，而伪缺 陷的突变信号一般是从有到无或幅度从大到小。 （５）埋藏性缺陷处突变信号的犎ｐｐσ曲线和 ｄ犎／ｄ狓σ曲线大致呈“先缓后陡”的上升趋势，可分 为平缓阶段、过渡阶段和陡升阶段三个阶段。 参考文献： ［１］　任吉林，林俊明．金属磁记忆检测技术［Ｍ］．北京：机 械工业出版社，２０００：７２－７４． ［２］　王晓雷．承压类特种设备无损检测相关知识（第２版） ［Ｍ］．北京：中国劳动社会保障出版社，２００７：８． ［３］　ＩＳＯ／ＤＩＳ２４４９７１　Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅｔｅｓｔｉｎｇ— Ｍｅｔａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃｍｅｍｏｒｙ—Ｐａｒｔ１：ＧｅｎｅｒａｌＲｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ［Ｓ］． ［４］　李济民，张宜良．Ｑ２３５钢材料拉伸时磁记忆效应的试 验研究［Ｊ］．压力容器，２００８，２５（７）：１０－１２． ［５］　唐德东，周鹏．磁记忆技术在管件裂纹检测中的应用 ［Ｊ］．仪器仪表学报，２００４，２５（Ｓ）：２５５－２５６． ［６］　徐海波．钻具试样的磁记忆检测技术研究［Ｊ］．无损检 测，２００８，３０（５）：３０１－３０３． ［７］　朱有利，李礼，王侃．装甲钢板表面裂纹的金属磁记忆 检测表征［Ｊ］．装甲兵工程学院学报，２００７，２１（５）：６－ ８． ［８］　仲维扬．表面开口缺陷深度与漏磁场的关系［Ｊ］．无损 检测，２００５，２７（１０）：５２９－５３１． ［９］　孙光飞，强文江．磁功能材料［Ｍ］．北京：化学工业出版 社，２００８：１１９． ［１０］　近角聪信．铁磁性物理［Ｍ］．葛世慧，译．兰州：兰州大 学出版社，２００２：３９９－４０７． ［１１］　国家质量技术监督局锅炉压力容器安全监察局．气瓶 安全监察规程（２０００）［Ｍ］．北京：中国法律出版社， 欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂欂 ２０００． （上接第１０页） ＣＴ检测复合材料活塞铸造缺陷，取得了较好的效 果。图１４为典型的内冷油道变形和夹杂的ＣＴ扫描 图１４　内冷油道变形和 夹杂的ＣＴ扫描图像 图像。对于采用超声波 Ｃ 扫 描 的 方 法 检 测 Ａｌ２Ｏ３增强铝基复合材 料镶圈的质量，这方面的 研究工作正在进行中。 ３　结语 大马力发动机活塞 的无损检测技术近年来 取得了长足的进步。多 种独具特色的无损检测方法已应用到活塞的无损检 测中，检测方法设计合理，检测效率高，检测结果可 靠。无损检测技术在不同工序阶段的有效实施，实 现了从活塞毛坯、半成品到成品全过程的质量控制， 及时发现制造缺陷，避免加工工序的浪费，可显著降 低制造成本，提高活塞的成品率。目前，大马力发动 机电子束焊活塞的检测技术已经形成了行业标 准［５－６］，累计完成数万件活塞的检测，带来了较好的 经济效益和显著的社会效益。研究和实际应用表 明，对于复杂结构件，很难用单一的方法解决所有的 无损检测问题，各种无损检测方法综合应用，互相补 充，是实现异形复杂结构件无损检测的有效途径。 随着发动机功率的提高，活塞使用环境将更加苛刻， 预计工业ＣＴ、数字射线成像、超声波Ｃ扫描等多种 无损检测技术在保证挤压铸造复合材料活塞产品质 量方面会发挥愈来愈重要的作用。 参考文献： ［１］　ＬａｗＤＡ等．ＳＡＥ　Ｐａｐｅｒ，６９０７４９ ［２］　倪培君，李旭东，张志洲．电子束焊活塞顶圈毛坯质量 的超声波检测［Ｊ］．兵器材料科学与工程，１９９５，１８（６）： ４８－５２． ［３］　ＮｉＰｅｉｊｕｎ，ＬｉＸｕｄｏｎｇ．ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＮＤＴｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆ ｗｅｌｄｄｅｆｅｃｔｓｉｎｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｗｅｌｄｉｎｇｐｉｓｔｏｎ［Ｃ］．１５ｔｈ ＷｏｒｌｄＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＮｏｎＤｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅＴｅｓｔｉｎｇ，Ｒｏｍａ： ＣＮＤＴ，２０００． ［４］　倪培君，李旭东，张维国，等．工业Ｘ射线ＣＴ的应用 ［Ｊ］．ＣＴ理论及应用研究，１９９７（３）：３７－４３． ［５］　ＷＪ２５９５—２００２　电子束焊活塞焊缝的超声波检测方 法［Ｓ］． ［６］　ＷＪ２６６３—２００５　电子束焊活塞顶圈毛坯的超声波检 测方法［Ｓ］． ５１