机械构件疲劳裂纹的激光超声检测新方法研究

机械构件在加工及服役过程中，受各种复杂交变、循环应力影响，其表面及内部不可避免地会产生疲劳裂纹。如果不能及时对微裂纹进行检测，并采取必要措施进行维修，微裂纹会逐渐扩展，进而影响整个设备系统的稳定性与安全性，甚至可能导致灾难性的突发后果，造成巨大的经济损失。因此，机械构件的疲劳裂纹检测方法研究对提高设备安全性、稳定性，防止事故发生具有重要理论与现实意义。 本课题针对机械构件疲劳裂纹检测难题，利用激光超声技术无损、非接触、高分辨率、宽频域、可达性好等特点，提出了一种机械构件疲劳裂纹检测新方法，搭建了一套机械构件疲劳裂纹的激光超声检测系统，解决了激光超声疲劳裂纹检测技术在工业应用难题。 项目主要研究成果包括：1）掌握了基于热弹效应的激光超声波激发、传播机理。通过数值仿真分析，掌握了光源参数，如激光半径、脉冲宽度等对所激发声波特性的影响，得到了最优激发参数。研究了声波在变截面杆传播过程中幅值、频率范围变化规律，得到了针对不同传播路径的最优激发波形参数值；2）推导了激光超声信号时频特征与疲劳裂纹特征之间的映射关系，建立了机械构件疲劳裂纹、超声信号作用模型；3）提出多种超声、裂纹耦合信号特征提取与参数识别技术。因疲劳裂纹尺寸相对较小，且多呈非线性特征，传统超声检测技术所使用的超声线性特征参数不再适用，特提出多种对微裂纹更敏感的非线性特征参数，可有效对裂纹进行表征；4）提出一系列激光超声的机械构件疲劳裂纹检测新方法；5）搭建了一整套机械构件疲劳裂纹的激光超声检测实验系统。利用所搭建系统对含有人工缺陷的各类试件及实际服役的压缩机缸体等机械构件疲劳裂纹进行了检测。结果表明所提方法能有效检测裂纹位置、尺寸等相关信息；6）形成了一整套基于激光超声的机械构件疲劳裂纹无损检测的理论、方法和技术体系。 该项目研究对促进机械构件疲劳裂纹无损检测理论发展，保障机械系统的安全可靠运行具有重大意义。 2100433B

机械构件疲劳裂纹检测方法对于提高机械装备安全运行，防止事故发生具有重要理论和现实意义。项目针对机械构件疲劳裂纹检测难题，利用激光超声技术无损、非接触、高分辨、可达性好等特点，提出一种机械构件疲劳裂纹激光超声检测新方法，攻克系列适应工业应用环境下机械构件裂纹激光超声检测的技术。项目的主要研究内容包括：研究基于热弹效应的的激光超声产生及超声波传播理论；研究机械构件疲劳裂纹萌生与扩展机理，建立机械构件疲劳裂纹扩展模型；研究激光超声信号时频特征与裂纹特征之间映射关系，建立机构构件激光超声信号模型；研究激光热弹的裂纹超声信号特征提取和参数识别技术；提出一种基于激光超声的机械构件疲劳裂纹检测方法；研制机械构件疲劳裂纹激光超声检测实验平台；形成一套基于激光超声的机械构件疲劳裂纹无损检测的理论、方法和技术体系。项目研究对促进机械构件疲劳裂纹无损检测的理论发展，保障机械系统的安全可靠运行具有重要理论意义。

对断裂后的B22 锥形钎杆， 钎肩前、杆体中部和锥体部位的内疲劳裂纹分布情况进行分析，钎杆在钎肩中部内疲劳断裂。从分析结果可以看出:钎肩前的内疲劳裂纹比较粗、长、深，说明这个部位的应力值最大，但裂纹数量相对要少。锥体部位的裂纹、数量非常多，密度高，但比较浅、小，说明此处受到的反射应力频率高，但应力值小，且观察到应力波和反射应力波的叠加区， 造成疲劳裂纹增多的情况。钎肩和部分钎尾的内疲劳分布情况说明，热扩水针孔的截面变化部位，由于出现应力集中而产生了裂纹；钎肩中部，若钎肩形状设计不合理，出现喇叭口时，也因应力集中现象而出现粗大裂纹，造成钎肩中部的断裂。

分析中还发现，钎肩设计合理的钎杆，钎肩中部内孔适当缩小， 但缩小的过渡区过于剧烈时也会出现粗大裂纹而在此处断裂; 试验中数支钎杆就是在此处断裂。试验还对杆体中部的内疲劳裂纹分布作了纵向剖视分析，从纵向剖面上可以看出; 杆体中部的内疲劳裂纹数量少，而且多是浅、小裂纹，说明其所受应力值小，反射波叠加也因距钎头远，反射波已经衰减而叠加现象减少， 所以杆体中部断裂的机率低些。

钎杆外疲劳裂纹的分布。钎尾、钎肩前、杆体中部的外疲劳裂纹无明显的规律性分布特征。这些部位的外疲劳断裂比较分散，往往与这些部位的外表面缺陷相联系。换言之，这些部位只要出现严重的外表面缺陷， 就会在这些严重缺陷部位产生外疲劳源， 并发展为疲劳裂纹且扩展而最终造成钎杆的外疲劳断裂。锥体部位的断裂，主要是外疲劳断裂，为此专门作了锥体部位的外疲劳分布的研究。

锻造锥体因几何尺寸精度差，与车床加工的钎头锥孔配合差，造成锥体的应力分布极不均匀，接触不良的部位受力大，容易产生裂纹。

主要有:

（1）钎杆锥体插入深度不够，在插入部与未插入部之间产生粗大外疲劳裂纹，容易造成锥体的中部断裂。

（2）钎杆的锥体是腰鼓形，所以锥体端部和中部都有粗大裂纹。

（3）钎杆锥度较好，只在锥体端部出现粗大裂纹。此外，少量钎杆锥体的外表面都可以看到“桔皮状”的粗糙情况，这是粗密疲劳裂纹造成的现象，与其锥体部位的疲劳裂纹一样，应力频率高，但应力值小。所以，锥体附近部位，如果没有严重的外伤（卸钎头时的严重敲击）或外表面缺陷，一般不在这些部位断裂。

在实际凿岩作业中，还经常遇到钎尾炸顶和堆顶的情况，个别的在钎尾108 毫米处根部断裂。钎尾108 毫米处断裂主要与根部圆弧的大小密切相关， 根部圆弧大于4.5 毫米并稍加改进圆弧过渡，此处一般不会断裂。

而钎尾炸顶和堆顶主要与钎尾热处理硬度有关，若钎尾淬火、回火后硬度仍高于HRC57则容易出现炸顶，而硬度低于HRC49 常常会出现堆顶情况。

针对微机械构件的服役性能与制备工艺关系，利用体硅工艺研究制作了悬臂梁阵列，完善了加工工艺；并重点研究了利用光纤耦合机理来测量悬臂梁横向固有振动频率的方法，较好地解决了“施加微小载荷”和“检测微小位移”两方面的问题；采用静态压入检测的方法，设计了微结构专用的微机械性能测试仪，能够检测微结构材料硬度、弹性模量、硬化指数、断裂韧性及疲劳极限等多项指标；发明了研究微结构冲击载荷作用的微冲击实验台，研究了相应的动态测试技术，并对微机械制造中常用的几种材料进行了微冲击实验。在整个研究过程中还完善了微机械加工的工艺参数，制作了微压力传感器、微悬臂梁阵列、微温度传感器等具有市场价值和工艺代表性的微功能器件。 2100433B