隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈刃部的無損檢測方法

張凌，張愛武，孔祥權(quán)，方亮

（1.吉林省維爾特隧道裝備有限公司，吉林 吉林市132011；2.吉林省盾構(gòu)與掘進(jìn)刀具技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林市132011）

0 結(jié)語

滾刀刀圈是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀具的關(guān)鍵零件，在隧道掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中起著舉足輕重的作用，因此要求其具有高硬度、高耐磨性、高沖擊韌性等綜合力學(xué)性能，且滾刀刀圈內(nèi)部不允許有裂紋、夾雜、折疊、結(jié)疤、層狀斷口、非金屬夾雜、碳化物偏析、縮管殘余、龜裂、晶粒不均等缺陷。滾刀刀圈在極其惡劣工作環(huán)境下，其中任何一種缺陷的存在會使?jié)L刀刀圈出現(xiàn)非正常磨損、卷邊、崩刃和斷裂等失效形式。對盤形滾刀刀圈進(jìn)行超聲波體積探傷的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域是外刃部，外刃部是承擔(dān)破巖功能的核心區(qū)域，是高磨損區(qū)域，如存在體積性內(nèi)部缺陷，則容易發(fā)生滾刀刀圈沿徑向自外向內(nèi)的脆性斷裂或崩塊等，導(dǎo)致整刀失效。內(nèi)徑基體部分因承受徑向載荷和過盈熱套裝預(yù)加應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)域，如存在體積性內(nèi)部缺陷則易發(fā)生滾刀刀圈沿徑向自內(nèi)向外的脆性斷裂，導(dǎo)致整刀失效。

1 刀圈無損檢測的方法

鍛壓成形后的刀圈出廠前做無損探傷至關(guān)重要，經(jīng)探傷檢測合格的刀圈發(fā)給客戶，以保證其在后續(xù)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中性能穩(wěn)定，從而降低掘進(jìn)的成本，保證工程施工進(jìn)度。滾刀刀圈的檢測技術(shù)難度比較高，國內(nèi)目前沒有此類試件的檢測規(guī)程及方法。

在公司檢測人員的不斷探索和共同努力下，研究出了隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈刃部的無損檢測方法，隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈刃部的無損檢測方法是分別對滾刀刀圈的刀圈刃部徑向、刃部外圓周周向、刀圈內(nèi)圓弧周向以及刀圈端部與刃部過渡處四個(gè)部位進(jìn)行探傷檢測。

對刀圈刃部徑向的檢測范圍為滾刀刀圈從外圓周開始至刀寬20 mm范圍內(nèi)進(jìn)行檢測，檢測方式采用超聲波探傷儀無損探傷；對刃部外圓周周向的檢測方式采用超聲波探傷儀無損探傷（見圖1）；對刀圈內(nèi)圓弧周向的檢測方式采用超聲波探傷儀無損探傷（見圖2）；對刀圈端部與刃部過渡處的檢測范圍為對刀寬在20-30 mm之間的部位進(jìn)行檢測，檢測方式采用磁粉檢測（見圖3）。

2 對比試塊的制作

對比試塊由滾刀刀圈環(huán)形鍛件毛坯料制成，取弧長為200 mm、厚度為80 mm 的一段圓弧，隨滾刀刀圈一起進(jìn)行熱處理，除去熱處理黑皮，加工成表面光潔度Ra≤6.3μm 的光滑表面；在左側(cè)距離內(nèi)圓弧面10 mm、30 mm、50 mm、70 mm 處設(shè)置Ф2 橫通孔，在右側(cè)距離內(nèi)圓弧面20 mm、40 mm、60 mm、80 mm 處設(shè)置Ф2 橫通孔。

圖1 刀圈主視圖

圖2 刀圈俯視圖

圖3 刀圈磁粉探傷示意圖

3 刀圈無損檢測的操作步驟

3.1 對滾刀刀圈的刃部徑向的檢測步驟

圖4 對比試塊示意圖

（1）采用對比試塊CS-2-4# 作標(biāo)準(zhǔn)AVG曲線，設(shè)置檢測時(shí)的儀器探測范圍，保存當(dāng)前儀器狀態(tài)設(shè)定到空白數(shù)據(jù)集內(nèi)，記錄好該存儲號；

（2）采用超聲波探傷儀對滾刀刀圈的刃部徑向進(jìn)行檢測；當(dāng)檢測到始波和底波之間出現(xiàn)反射回波，判定該刀圈刃部存在徑向缺陷。當(dāng)缺陷回波達(dá)到步驟（1）中AVG曲線第一條線時(shí)，說明其中有相當(dāng)于Ф2平底孔大小的缺陷，回波達(dá)到步驟（1）中AVG曲線第二條線時(shí)，說明其中有相當(dāng)于Ф3平底孔大小的缺陷，當(dāng)回波達(dá)到步驟（1）中AVG曲線第三條線時(shí)，說明其中有相當(dāng)于Ф4平底孔大小的缺陷；當(dāng)始波與底波之間無反射回波出現(xiàn)，則說明該刀圈刃部無徑向缺陷。

3.2 對滾刀刀圈的刃部外圓周周向的檢測步驟

（1）采用對比試塊CS-2-7# 作標(biāo)準(zhǔn)AVG曲線，設(shè)置檢測時(shí)的儀器探測范圍，保存當(dāng)前儀器狀態(tài)設(shè)定到空白數(shù)據(jù)集內(nèi)，記錄好該存儲號；

（2）采用超聲波探傷儀對滾刀刀圈的刃部外圓周周向進(jìn)行檢測；當(dāng)檢測到始波和底波之間出現(xiàn)反射回波，認(rèn)為該刀圈刃部存在周向缺陷，當(dāng)缺陷回波達(dá)到步驟（1）中AVG曲線第一條線時(shí)，說明其中有相當(dāng)于Ф2平底孔大小的缺陷，回波達(dá)到步驟（1）中AVG曲線第二條線時(shí)，說明其中有相當(dāng)于Ф3平底孔大小的缺陷，當(dāng)回波達(dá)到步驟（1）中AVG曲線第三條線時(shí)，說明其中有相當(dāng)于Ф4平底孔大小的缺陷；當(dāng)始波與底波之間無反射回波出現(xiàn)，則說明該刀圈刃部無周向缺陷。

3.3 對滾刀刀圈的刀圈內(nèi)圓弧周向的檢測步驟

（1）制作與滾刀刀圈的內(nèi)圓弧直徑相同、外徑大于待測刀圈外徑的滾刀對比試塊，并在滾刀對比試塊上人工設(shè)置缺陷；

（2）采用超聲波探傷儀使用步驟（1）中的滾刀對比試塊制作DAC曲線并設(shè)置DAC曲線三線間的dB 距離及工件表面補(bǔ)償；

（3）采用超聲波探傷儀對待檢測的滾刀刀圈的刀圈內(nèi)圓弧周向進(jìn)行探傷檢測，根據(jù)檢測過程中所出現(xiàn)回波位置、幅度及與DAC曲線dB 差判別是否缺陷回波并計(jì)算其當(dāng)量、長度及區(qū)域。

3.4 對滾刀刀圈的刀圈端部與刃部過渡處的檢測

（1）使用標(biāo)準(zhǔn)試片檢查D型電磁軛的靈敏度，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)試片顯示出磁痕后，證明其靈敏度達(dá)到要求，可以進(jìn)行磁粉探傷；

（2）去除被檢刀圈表面的油污、毛刺和氧化皮物質(zhì)，在待檢區(qū)域施加反差增強(qiáng)劑；

（3）將D型電磁軛觸角一只與被檢刀圈端部面接觸，另一只與被檢刀圈刃部面接觸，45°垂直于檢測面，磁化，施加磁懸液，時(shí)間為1～3 s；

（4）停施磁懸液至少1 s 后停止磁化，然后將D型電磁軛旋轉(zhuǎn)90°垂直于檢測面再次磁化；

（5）重復(fù)步驟（3）~步驟（4）至少一次，觀察磁粉聚集情況，如果磁粉向D型電磁軛觸角兩頭聚集，表示刀圈檢測區(qū)域沒有缺陷；如果磁粉在檢測面的任何一處聚集，表示刀圈檢測區(qū)域內(nèi)存在缺陷。

4 結(jié)語

隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀刀圈刃部的無損檢測方法，采用超聲波和磁粉探傷兩項(xiàng)技術(shù)并用，超聲波探傷僅適用于規(guī)則形狀的物體，在刀圈刃部周向和徑向20 mm 內(nèi)的區(qū)域探傷時(shí)，采用超聲波探傷技術(shù)，過渡圓弧部分因不是主要工作面，這一區(qū)域結(jié)構(gòu)形狀比較特殊，晶粒細(xì)小，厚度變化大，但其最大深度不超過6 mm，因此采用磁粉探傷技術(shù)探傷，能夠檢測出刀圈表面和近表面的微小裂紋等缺陷。通過兩項(xiàng)技術(shù)并用，解決了本領(lǐng)域不規(guī)則形狀刀圈的刃部無損探傷技術(shù)難題，為客戶提供了性能穩(wěn)定、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品，同時(shí)填補(bǔ)了該項(xiàng)技術(shù)的空白。本方法操作簡單，成本低廉，達(dá)到了理想的檢測效果。