摘 要：本文根据柱塞弹簧的结构特点，综合考虑其材料性质及生产工艺过程，利用超声表面波检测原理，利用硬度计制作了柱塞弹簧对比试样；依据柱塞弹簧对比试样制作了DAC曲线，通过超声波检测试验验证，研究柱塞弹簧超声表面波检测技术方法。结果表明，超声表面波检测能检测出弹簧表面裂纹类缺陷，其检测的灵敏度能满足柱塞弹簧质量控制要求。超声波检测时要注意表面状态、油层、液滴对检测结果的影响。
关键词：柱塞弹簧；无损检测；超声表面波检测
1引言
无损检测是一种以不损害被检对象未来用途和功能的方式，研发和应用各种技术方法，为探测、定位、测量和评价缺陷，评估完整性、性能及成分，测量几何特征，而对原材料和零部件所进行的检测。在实际生产和试验研究中，全面了解产品或零件的材料状态、内部组织、加工工艺等全面信息，才能有重点的选择出最可靠和最有效的无损检测方法，使无损检测方法达到合理的应用，高效的实施和可靠的检测。
目前，常用的弹簧缺陷检查方法主要有目视法、磁粉检测和渗透检测。目视法检查效率低、检查人员劳动强度大视力易疲劳、检查人员主观性大等；磁粉检测只适用于铁磁性材料，且磁化和退磁工艺复杂；渗透检测则只能检测表面开口缺陷，对于近表面缺陷则无法检查。
美国1954年材料杂志曾报道过“超声瑞利表面波检查弹簧淬火裂纹”，1975年在北京举办的德国工业展览会上曾有人提出过“用超声瑞利表面波检查柱塞弹簧横向缺陷”，但其叶仅限于方法探讨，并无拓展应用情况。1976年庆安公司的陈明德等技术人员也曾尝试“超声瑞利表面波检查柱塞弹簧缺陷”。
柱塞弹簧断裂故障，对产品综合性能的影响极为严重，为确保柱塞弹簧本身的可靠性，我们进一步研究超声波检测方法，通过超声波检测试验结合疲劳试验验证，研究柱塞弹簧超声波检测方法，旨在找到有效的质量控制手段。
2 柱塞弹簧材料及工艺概述
柱塞弹簧使用材料为1Cr18Ni9，属奥氏体不锈钢。1Cr18Ni9具有优良的抗氧化酸碱腐蚀性，具有良好的延性和韧性以及冲压性和拉伸性能。柱塞弹簧钢丝直径为2mm，加工工艺主要围绕制、回火、立定、钳加工、吹砂和氮化等，柱塞弹簧成品外径18mm，高度80mm（并紧高度35mm）。
柱塞弹簧发生断裂的原因是多方面的，弹簧钢丝生产工艺及质量、弹簧的加工工艺及使用过程中的受力状态和结构配合等。弹簧的持久强度和抗冲击强度在很大程度上取决于弹簧的表面状况，所以弹簧钢丝的表面状况必须光洁，没有裂纹和伤痕等缺陷。表面脱碳会严重影响材料的持久强度和抗冲击性能，因此脱碳层深度和其他表面缺陷应在验收弹簧的技术条件中详细规定。按缺陷产生原因分析主要有原材料缺陷和加工过程产生的缺陷，原材料缺陷应该通过原材料复验控制，而加工过程中的缺陷则需通过无损检测方法来控制。
3柱塞弹簧超声波检测工艺技术
3.1超声波检测原理
超声波检测是利用工件或材料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播波形反射情况和穿透时间的能量变化来检测材料内部缺陷的无损检测方法。
超声表面波检测是表面波在传播过程中遇到表面或近表面缺陷、时部分声波在缺陷处被反射，并沿工件或材料表面返回，超声表面波在固体中传播过程中的深度约为两个波长，利用超声表面波检测，可以检测工件或材料表面和近表面缺陷，缺陷的定位是根据缺陷回波在荧光屏时基线刻度上的位置来确定缺陷至探头断面的距离。
3.1超声表面波检测工艺技术
3.1.1仪器及探头的选择
由于柱塞弹簧采用的钢丝较细（直径2.0mm），展开长度较长（约1000mm），，柱塞弹簧的内径13.2mm，高77.3mm，柱塞弹簧两端的磨平部分较小，這对超声波仪器和探头都提出了严格的要求。超声波渐次仪器应有较大的发射强度、高的灵敏度及良好的水平线性和垂直线性，探头应具有小的杂波占宽，良好的指向性，高的灵敏度等。
采用CTS-3020超声波探伤仪，选用2.5Z6×6BMW表面波探头，工作频率为1～4MHz，在增益76db检测灵敏度下，对柱塞弹簧进行超声表面波检测。
3.1.2确定验收标准
依据柱塞弹簧选用材料标准，其要求钢丝表面应光滑、洁净、不得有裂纹、折迭、结疤、起刺等有害缺陷。允许有局部划伤和麻点，但其深度不超过直径公差之半。考虑到在加工工艺中有活性氮化前的湿吹砂工序，所以理论确定缺陷深度应不超过0.05mm。经过大量的疲劳试验等，最后确定柱塞弹簧人工“伤口”深度应不超过0.06mm，并以此作为验收标准。
3.1.2制作对比试样
将柱塞弹簧装在专用的芯轴上，然后置于专用的V型铁上，使用表面维氏硬度计分别在柱塞弹簧第3、5、6、7、8圈处打一个“伤口”。在硬度计参数：X值50公斤、倍数20X时，打下“伤口”对角线尺寸（平均尺寸）约为0.403mm，经推算确定其“伤口”深度为0.059mm约0.06mm，符合标准要求尺寸。
3.1.3 制作DAC曲线
在进行超声波检测的过程中，由于同一深度的“伤口”在不同位置（不同圈上），所显示的波形并不一样高，如图1所示。对柱塞弹簧来说，只采用在柱塞弹簧正中心位置（或其他一处）打人工“伤口”作为标准是不全面的。检测结果不可能准确。
为了全面、准确、快捷的对柱塞弹簧进行超声波检测，我们利用在第3、5、6、7、8圈处各打一个人工“伤口”的柱塞弹簧对比试样所显示的波形反射，根据对柱塞弹簧对比试样不同位置人工“伤口”的反射波峰定点，在距离—波幅坐标上确定5点后，将其5点连成曲线，即为柱塞弹簧DAC曲线，如图2所示。
4超声表面波检测试验
按照超声波检测相关标准要求，超声波检测应安排在所有可能产生缺陷的工序之后，并尽可能在工件外形规则的情况下进行。
選择同一批柱塞弹簧作试验件，在吹砂后和氮化后进行超声表面波检测，结合装试部分解件柱塞弹簧超声波检测情况，对比分析检测结果，并通过疲劳试验进行验证。
在吹砂之后工序超声表面波检测，没有缺陷的柱塞弹簧，超声波形好，杂波少，底波高，中间没有缺陷波出现，如图3所示。超声表面波检测均检测出了缺陷的存在，可见明显在缺陷波，如图4所示。在金相显微镜下观察试样上可能存在缺陷的区域，发现试样的外表面存在长约3mm的裂纹（如图5所示），这可能是柱塞弹簧在缠绕的过程中，外表面受拉应力的作用，由于存在小的夹杂类缺陷而产生应力集中造成裂纹的形成并随应力扩展。
图3没有缺陷柱塞弹簧超声表面波形 图4柱塞弹簧表面存在缺陷弹簧超声波形 图5柱塞弹簧表面缺陷低倍显微镜照片
在氮化之后进行的超声波检测发现，其波形和氮化前没有特别变化，底波却明显的降低（如图6所示柱塞弹簧表面白层超声波形），这是由于弹簧氮化后表面的白层没有清除干净影响弹簧的表面状态。表面粗糙度对表面波的传播有明显的影响，粗糙的表面不但使声波耦合不好，而且在传播过程中容易发生衍射，使表面波衰减较大。
氮化后工序，柱塞弹簧超声表面波检测偶尔也会出现缺陷波，而显微镜观测并无缺陷存在，分析原因是弹簧表面有油层或液滴，表面波在传播路径上遇着液体滴，除会背衰减外，其垂直成分进入液滴后又反射折回而产生回波。用蘸有油的手指压在表面反射点或其传播的路径上，表面波也会立即衰减，用这种方法很容易找到反射点，可以帮助判断是缺陷的反射还是其他棱角的反射。
图6 氮化后超声表面波底波降低的波形
此外，在装配试验后分解件弹簧超声波检测的过程中，底波都有不同程度的降低，这是由于在产品配磨或使用中对弹簧表面状态的改变以及弹簧表面油层的影响。传播表面波的表面附着油层时，表面波衰减严重，因为表面波传播和振动状态的理论，是对固体介质的一侧为真空或气体时才成立。如附有油层，则表面波的垂直成分向油层辐射，使其衰减。
5 结论
1. 通过设计专用夹具，用硬度计制作了柱塞弹簧对比试样，绘制了柱塞弹簧超声表面波检测DAC曲线。
2. 超声表面波检测能检测出弹簧表面裂纹类缺陷，满足柱塞弹簧本身质量控制要求。
3. 柱塞弹簧表面粗糙度和氮化白层不但影响超声表面波检测的声波耦合，还会使声波传播容易发生衍射而衰减，造成底波降低。
4. 柱塞弹簧表面油层或液滴在超声表面波传播过程中容易形成反射波，检测时应注意此类非相关显示。
参考文献
[1] 胡学知，鞠清龙；渗透检测，国防科技工业无损检测人员Ⅱ级培训教材，2004.3
[2] 林猷文；超声检测，国防科技工业无损检测人员Ⅱ级培训教材，2008
[3] 陈明德等，超声瑞利表面波检查弹簧缺陷，工程与试验 1977. 2
[4] 张环等，基于超声表面波原理的弹簧表面缺陷检测，无损检测，2015.6
[5] 田长生；金属材料及热处理，航空专业教材编审室1985.5
[6] 吴成芸；浅析无损检测方法的选择，2012年无损检测技术交流会论文集，国防工业出版社，2012
[7] 刘松平等，先进无损检测技术及其在航空领域的应用与发展，2012年无损检测技术交流会论文集，国防工业出版社，2012