軍用車輛的機動性能主要由發(fā)動機的性能所決定涎嚼，而活塞作為發(fā)動機的“心臟”杉辙，承受交變的機械負荷和熱負荷席噩，對發(fā)動機的性能起著至關重要的作用班缰。20世紀五、六十年代悼枢，我國軍用大馬力發(fā)動機主要從蘇聯(lián)引進技術埠忘，發(fā)動機的功率為520Hp，采用整體鍛造鋁合金活塞馒索，活塞結構簡單莹妒，承受的熱負荷和機械負荷小，對活塞的質(zhì)量要求相對較低绰上。近年來追祈，隨著發(fā)動機功率的提高，活塞的使用環(huán)境越來越苛刻框抽。圍繞提高活塞頂部的耐高溫性能俐番、活塞鑲環(huán)部位的耐磨性和活塞裙部的機械強度這一發(fā)展主線，我國先后研制了鑲圈鋁活塞绵扇，帶內(nèi)冷油道的鋁活塞撇熬、電子束焊接活塞、擠壓鑄造復合材料活塞等一系列先進活塞仓煌，有力支撐了軍用車輛的發(fā)展和技術創(chuàng)新烧已。鑲圈鋁活塞是在活塞的第一道環(huán)槽部位，用Alfin法鑲鑄了高鎳奧氏體鑄鐵鑲圈熔徊，與純鋁活塞相比烘牌，顯著提高了活塞環(huán)槽的耐磨、耐熱及耐蝕性能［1］朽晓。帶內(nèi)冷油道的鋁活塞是在活塞頂部用水溶鹽芯技術制成內(nèi)冷油道撮点，以冷卻活塞頂，從而提高了活塞頂部耐高溫性能方仿。電子束焊接活塞頂部采用重力鑄造成型述雾，帶高鎳奧氏體鑄鐵鑲圈和內(nèi)冷油道；裙部采用與頂部相同的材料鍛造而成兼丰，在鑄鍛連接部位，用真空電子束焊工藝焊接唆缴。電子束焊接活塞兼顧了鑲圈活塞和內(nèi)冷油道鋁活塞鑲圈耐磨鳍征、頂部耐高溫的優(yōu)點黍翎，同時具有裙部機械強度高的特點，從而成為大馬力發(fā)動機的重要選擇艳丛。圖1為典型電子束焊接活塞結構匣掸。擠壓鑄造復合材料活塞是用Al2O3纖維增強鋁基復合材料鑲圈取代高鎳奧氏體鑄鐵鑲圈，具有鑲圈和鋁基體結合強度高氮双、耐磨性好碰酝、重量輕、成本低等優(yōu)點戴差，將成為新一代的高性能活塞送爸，在大馬力發(fā)動機上有重要應用前景。

圖1　電子束焊接活塞結構

由于組成結構和制造工藝的復雜性暖释，在活塞制造過程中不可避免地產(chǎn)生一些缺陷窗蠕。如果不及時將這些缺陷檢測出來，不僅造成后面工序的許多浪費在摔，而且一旦帶有危害缺陷的活塞裝機骏疆，可能會造成發(fā)動機拉缸或整臺發(fā)動機報廢的嚴重后果。為了提高大馬力發(fā)動機活塞的質(zhì)量和可靠性唤吐，多種獨具特色的無損檢測技術用于活塞的檢測潜佑，包括超聲波多探頭水浸檢測、射線實時成像檢測诫幼、工業(yè)CT檢測等镐准，檢測內(nèi)容包括鑲圈結合質(zhì)量、內(nèi)冷油道位置针蜀、電子束焊接質(zhì)量页更、活塞鋁體鑄造缺陷等。

筆者對于近年發(fā)展的電子束焊接活塞的無損檢測技術進行了綜述捷仓，闡述了多種無損檢測方法綜合應用锹嫌、互相補充對于保證產(chǎn)品質(zhì)量的重要性，對新型擠壓鑄造鋁基復合材料無損檢測技術進行了展望图云。

表1電子束焊接活塞無損檢測方法及工序

電子束焊接活塞組成結構和生產(chǎn)工藝復雜惯悠，缺陷形式多樣。在活塞頂毛坯中出現(xiàn)的缺陷有內(nèi)冷油道位置偏移竣况、內(nèi)冷油道夾雜物克婶、鑲圈粘接不好、活塞頂鋁體鑄造缺陷等丹泉；在電子束焊接中出現(xiàn)的缺陷有未焊透情萤、焊偏、裂紋、氣孔等筋岛；在熱處理和機加之后出現(xiàn)的鑲圈開裂等娶视。為了保證電子束焊接活塞質(zhì)量，在活塞生產(chǎn)四個工序上安排了一系列的無損檢測方法睁宰，多種無損檢測方法互相補充肪获，確保活塞的質(zhì)量柒傻，同時減少不必要的工序浪費孝赫，降低成本。表1給出了電子束焊接活塞的無損檢測方法及相應的工序藻清。

圖2　活塞頂毛坯超聲波檢測探頭布置

1.1活塞頂毛坯缺陷的超聲波檢測^［2］

根據(jù)活塞頂毛坯的結構特點及缺陷情況岗制，設計了活塞頂毛坯的超聲波五探頭水浸檢測法。探頭布置如圖2所示：探頭1檢測內(nèi)冷油道徑向位置拄抄；探頭2檢測內(nèi)冷油道軸向位置及油道上側鑄造缺陷除搞；探頭3檢測鑲圈上下側面結合質(zhì)量；探頭4檢測鑲圈背面結合質(zhì)量及油道上側區(qū)域鑄造缺陷徽探；探頭5檢測鑲圈和油道之間鑄造缺陷治东。

內(nèi)冷油道位置的檢測實際是測厚，根據(jù)活塞頂鋁體的縱波聲速及聲傳播時間可分別得到油道徑向和軸向距探測面的壁厚封豆。鑲圈結合質(zhì)量的檢測是根據(jù)活塞頂鋁合金和奧氏體鑄鐵聲阻抗不同缔禾，超聲波入射到兩種材料界面時將產(chǎn)生一定的反射波，結合不好時的反射波將高于結合好時的反射波恢憋，這樣根據(jù)超聲反射波幅的高低進行結合質(zhì)量的檢測像样。油道上側、鑲圈和油道之間鑄造缺陷的檢測采用超聲脈沖回波法鄙荚。圖3為活塞頂油道上側鑄造縮孔莫辨，圖4為活塞頂?shù)湫屠溆偷垒S向偏移。

圖3 活塞頂油道上側鑄造縮孔

圖4 活塞頂內(nèi)冷油道軸向偏移

1.2 活塞頂和活塞體犡射線實時成像檢測

由于受結構條件限制毅访，超聲波檢測法不能對活塞頂毛坯內(nèi)冷油道殘留鹽芯沮榜、油道縮孔和氣孔、鹽芯裂斷及油道內(nèi)金屬夾雜進行檢測喻粹。為此蟆融，采用Ｘ 射線實時成像檢測技術對活塞頂毛坯內(nèi)冷油道缺陷進行檢測。通過Ｘ射線沿軸向穿透活塞頂毛坯守呜，有缺陷的部位和正常部位對Ｘ射線吸收不一樣型酥，這樣穿透射線經(jīng)圖像增強器和攝像機后，在監(jiān)視器上實時顯示活塞頂毛坯的透視圖像查乒，油道內(nèi)有多余物弥喉，則在油道背景下顯示黑色的影像郁竟；油道內(nèi)有縮孔或氣孔，則顯示白色的影像档桃，根據(jù)圖像灰度的差別枪孩，實現(xiàn)對內(nèi)冷油道缺陷的檢測。同樣的方法實現(xiàn)對活塞體缺陷的檢測藻肄。

1.3 電子束焊縫的超聲波檢測^［3］

根據(jù)電子束焊活塞的結構特點、缺陷情況以及焊接缺陷的超聲波反射規(guī)律高降，并考慮批量檢測的需要朝棉，設計了超聲波水浸六探頭檢測法。探頭布置如圖5所示：探頭1檢測頂縫未焊透殷淮、焊偏以及上升到有效焊接區(qū)域根部的氣孔沧牧；探頭2檢測焊縫根部氣孔帶，用以說明頂縫是否焊接到位两靖；探頭3檢測油道和鑲圈之間缺陷及該區(qū)域所對的環(huán)縫中部局部氣孔费赋，同時也檢測環(huán)縫大的未焊透或焊偏；探頭4檢測環(huán)縫未焊透耍俱、焊偏以及上升到有效焊接區(qū)域的根部氣孔尽瑰；探頭5檢測環(huán)縫根部氣孔帶，用以說明環(huán)縫是否焊接到位馒脏；探頭6檢測油道上側裂紋奠拢。

圖5 電子束焊活塞焊縫超聲波檢測探頭布置

探頭1～5采用縱波法檢測，聲束垂直探測面入射歌淹；探頭6采用橫波法檢測瘟则，探頭入射角在14.6°～18.1°之間調(diào)整。研究表明枝秤，探頭6采用橫波法檢測比縱波法靈敏度高6dB以上（圖6）醋拧。圖7為典型頂焊縫未焊透，圖8為典型環(huán)焊縫未焊透淀弹。

圖6橫波法和縱波法檢測油道上側缺陷的比較

圖7電子束焊活塞典型頂焊縫未焊透

圖8電子束焊活塞典型環(huán)焊縫未焊透

1.4 電子束焊縫的工業(yè)犆犜檢測^［4］

由于受結構所限丹壕，超聲波檢測方法不能檢測到電子束焊縫的全部氣孔。工業(yè)CT可以彌補超聲波檢測的不足垦页，對焊接區(qū)域內(nèi)的所有氣孔都能進行可靠檢測雀费，成像直觀，氣孔出現(xiàn)的位置及大小均可以定量測定痊焊。檢測時活塞直立放置盏袄，切片方向平行于環(huán)焊縫，切片厚度為0.5～1mm薄啥，重建矩陣為512×512辕羽，環(huán)縫只須切一片，頂縫切六片左右。每層的檢測時間為1min刁愿。圖9為某只活塞環(huán)縫的CT 掃描圖像街赊，從中可以看到整圈都有根部氣孔，另有一處大的條形氣孔（箭頭指處）宋旭。圖10為另一只電子束焊活塞頂縫的CT掃描圖像娘介，可以看到頂焊縫的氣孔。

圖9 電子束活塞環(huán)縫的CT掃描圖像

圖10 電子束活塞頂縫的CT掃描圖像

1.5 鑲圈結合質(zhì)量的超聲波檢測

鑲圈的結合質(zhì)量直接影響電子束焊活塞使用的可靠性枯橱。除了鑄造工序外用载，電子束焊接、熱處理粹岁、機械加工等后道工序都可能對鑲圈的粘結質(zhì)量造成影響披蚕，所以在活塞毛坯階段，要對活塞頂毛坯的鑲圈結合質(zhì)量檢測骂领；在活塞的半成品及成品階段讹渴，要分別對鑲圈的結合質(zhì)量進行檢測。半成品的檢測在活塞熱處理切鼓包粗車外圓之后進行怒晕，檢測鑲圈背面和上側面的結合質(zhì)量（圖11（a））擒欢。成品的檢測在加工出活塞環(huán)槽后進行，檢測鑲圈上下側面的結合質(zhì)量（圖11（b））疮丛。半成品和成品鑲圈結合質(zhì)量的檢測分別采用超聲水浸脈沖回波反射法及水浸脈沖穿透法幔嫂。特別是成品的檢測采用了特別制作的溝槽式探頭，發(fā)射探頭插入鑲圈中心環(huán)槽處誊薄，向鑲圈上下兩側發(fā)射超聲波履恩，兩個接收探頭分別在活塞頂部和第二道環(huán)槽部位接收穿過上下結合面的超聲波，如鑲圈結合不好呢蔫，則超聲衰減大切心，穿透的超聲信號弱；反之片吊，則相反绽昏。檢測時，探頭位置固定俏脊，活塞旋轉(zhuǎn)全谤，根據(jù)旋轉(zhuǎn)一圈的超聲波信號情況，可給出結合缺陷的數(shù)量爷贫、長度及占活塞周長的比例等认然。圖12為典型鑲圈結合缺陷解剖照片。圖13為鑲圈結合缺陷金相照片惯篇。

圖11活塞鑲圈結合質(zhì)量超聲波檢測

圖12鑲圈結合缺陷解剖照片

圖13鑲圈結合缺陷金相照片

2 擠壓鑄造復合材料活塞無損檢測

擠壓鑄造復合材料活塞是將Al₂O₃增強體纖維預制件放入經(jīng)過精密加工的石墨澆鑄模內(nèi)反俱，預熱到一定溫度忱厨，加入熔化的鋁合金液，在壓力作用下先滲入模壁間隙中炸一，繼而滲入預制件中鲤瞪，最后去壓，冷卻校槐，形成整體活塞揉拯。在活塞成型過程中，用特殊的方法形成內(nèi)冷卻油道瀑乡。由于工藝的復雜性果邢，擠壓鑄造復合材料活塞有時會出現(xiàn)鑄造疏松、內(nèi)冷油道變形橙挽、偏移、高密度夾雜等缺陷喝赎。除此之外冶驴，復合材料和鋁體之間的界面也會出現(xiàn)組織不連續(xù)等缺陷。根據(jù)活塞的結構特點田炭，目前采用數(shù)字射線成像（DR）和工業(yè)CT檢測復合材料活塞鑄造缺陷师抄，取得了較好的效圖像。對于采用超聲波CT掃描的方法檢測Al₂O₃增強鋁基復合材料鑲圈的質(zhì)量教硫，這方面的研究工作正在進行中叨吮。

圖14為典型的內(nèi)冷油道變形和夾雜的CT掃描

3 結語

大馬力發(fā)動機活塞的無損檢測技術近年來取得了長足的進步。多種獨具特色的無損檢測方法已應用到活塞的無損檢測中瞬矩，檢測方法設計合理茶鉴，檢測效率高，檢測結果可靠景用。無損檢測技術在不同工序階段的有效實施涵叮，實現(xiàn)了從活塞毛坯、半成品到成品全過程的質(zhì)量控制伞插，及時發(fā)現(xiàn)制造缺陷割粮，避免加工工序的浪費，可顯著降低制造成本媚污，提高活塞的成品率舀瓢。目前，大馬力發(fā)動機電子束焊活塞的檢測技術已經(jīng)形成了行業(yè)標準［5－6］皿掂，累計完成數(shù)萬件活塞的檢測瓣车，帶來了較好的經(jīng)濟效益和顯著的社會效益。研究和實際應用表明标狼，對于復雜結構件挤胃，很難用單一的方法解決所有的無損檢測問題诞茶，各種無損檢測方法綜合應用，互相補充君博，是實現(xiàn)異形復雜結構件無損檢測的有效途徑哆幸。隨著發(fā)動機功率的提高，活塞使用環(huán)境將更加苛刻慧贩，預計工業(yè)CT凫体、數(shù)字射線成像、超聲波CT掃描等多種無損檢測技術在保證擠壓鑄造復合材料活塞產(chǎn)品質(zhì)量方面會發(fā)揮愈來愈重要的作用抡悼。

4 結論通過以上試驗卿俺，可得出以下結論：

（1）對內(nèi)壓容器以打水壓方式進行加載，可減小磁記憶試驗的干擾因素影響篮烈。

（2）如果埋藏缺陷引起的應力集中足夠大颜说，在遠小于工作載荷的情況下，相應部位的磁記憶檢測犎ρ 曲線就會出現(xiàn)正弦形突變信號汰聋。

（3）在沒有磁污染的情況下门粪，通過將加載后的犎ρ 曲線與未加載（0MPa）的犎ρ 曲線進行對比分析，可在較小的載荷下確定埋藏性缺陷的位置烹困。

（4）可通過分析犎ρ 曲線隨載荷變化的規(guī)律來識別缺陷信號的真?zhèn)涡琛ｋS著載荷的增加，真缺陷的突變信號一般是從無到有或幅度從小到大髓梅，而偽缺陷的突變信號一般是從有到無或幅度從大到小拟蜻。

（5）埋藏性缺陷處突變信號的犎PPσ 曲線和dH／dxσ 曲線大致呈“先緩后陡”的上升趨勢，可分為平緩階段枯饿、過渡階段和陡升階段三個階段酝锅。

（中國兵器科學研究院寧波分院 倪培君）

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