采用纵波小角度探头对轮对裂纹检测的可行性分析

张国海,李峰,陈丽,龚卫俊

中车常州车辆有限公司 江苏常州213011

摘要：本文主要分析轨道车辆轮对镶入部位内侧疲劳裂纹产生原因和危害，并对内侧疲劳裂纹在现有条件下，采用纵波小角度探伤检查必要性进行了研究和探讨，介绍了探伤条件和试块制作过程，描述探伤方法和波形特点，进而提出了一些建议和方案。

关键字：纵波小角度，超声波检测，疲劳裂纹

车轴是轨道车辆车辆的重要走行部件之一，车辆轮轴在运行中不断承受着各种剪切、拉压、弯曲、扭转应力复杂应力作用，很容易在轮座镶入部位内外侧造成疲劳源并扩展成为疲劳裂纹。总结多年检修数据，主要在车轮轮毂内侧过渡圆弧R过渡区与轮座表面相切处的区域产生裂纹。在目前检修工艺下，当轮座前肩、后肩边缘部位存有油锈情况时，就很难分辨出缺陷波来，极易造成错漏探。针对以上存在的问题，本人进行了探讨和实验，利用纵波小角度探头作为辅助，来进行轮座镶入部位内侧超声波检测。

一、超声波探伤的依据

车轴轮座的疲劳区域通常发生在轮毂内侧过渡圆弧R区与轮座表面相切处，用纵波小角度探头放在轴端面检测时，探头的主声束正好与裂纹面垂直，信号非常强烈从而有利于发现裂纹。

二、探头选择

探头声束指向性的好坏直接影响轮座疲劳区缺陷回波强弱，为了提高轮座后肩与疲劳裂纹的分辨率，就要求探头具有很好的指向性，原则上选择探头应考虑以下几点：从缺陷检出率和声束指向性方面考虑，选择高频率的探头为宜；纵波小角度声束轴线对准轮座内侧的疲劳区，其折射角应按计算；晶片尺寸根据车轴端面而定。经综合考量选择纵波小角度探头4P2016°。

三、对比试块的制作

根据统计出的疲劳裂纹缺陷的特点，利用报废的车轴在轮座部位距轴端460mm处的轮座内侧疲劳区制作1mm的人工锯口，并以此作为参考依据进行探伤实验。

四、探伤灵敏度调节

使用纵深小角度探头放置在TZS-R试块B面上，探测A面上棱角反射波最高点，调整相关参数使反射波前沿在荧光屏的刻度第一大格上，A面下棱角的反射波的最高点使反射波的前沿在荧光屏水平刻度第二大格处，则每格代表车轴水平长度80mm。在实物对比试块上，对轮座内侧460处的1mm人工锯口，用纵波的小角度探头在轴端面上进行扫描检查，并将1mm人工锯口最高反射波达到荧光屏垂直满幅的80%（见图2），在此基础上补偿8~12dB作为探伤的敏度，探伤时在增益6dB作为扫查灵敏度，定量时恢复标定灵敏度。

图 2 人工锯口校验基准波形图

五、探头扫查位置和扫查方式

用纵波小角度=16°探头扫描检查，将探头置于轴端面，沿锯齿形圆周方向移动探头进行，以检查轮座内侧的裂纹为主，注意端面平整，且与轴线垂直。

六、各波形特点

使用纵波小角度扫描检查时，可根据反射信号的位置，可用手指沾油拍打轮座后肩并观察波形变化来帮助判断。无缺陷透油透锈波在荧光屏的位置固定，反射波的前后沿不规则，比裂纹波宽，且有很多杂波伴随，不尖锐，一周均有。

（1）透油透锈反射波：这种波前后沿不规则，比裂纹波宽，且有很多杂波伴随，不尖锐。

（2）刀痕挤痕波：单个波很像裂纹波，位移小，它是一周存在，区别刀痕与裂纹波时需要注意，刀痕是加工不当而引起的，它沿轮座的一周存在，其波幅不变。

（3）轴肩反射波形态单一，笔直尖锐，一周均有，与裂纹波的特点相似，如果轴肩反射波前出现波形应注意此处是否应力集中区。

（4）裂纹缺陷波，其反射波很干净，波锋尖锐猛烈，根部的前沿有时存在很少的杂波，裂纹有一定深度，探头移到顶针孔或轴端面边缘时反射波在扫描线上左右移动，波峰由高到低，探头周向移动时，波峰仅有幅度变化，而无左右移动现象。

七、实际检测波形图分析

图3和图4为轮对超声波探伤过程中发现的两个缺陷波波形图。如果在轮座内侧检测时发现轮座后肩反射波前出现波形时应注意观察、分析，因为此处是应力集中区，易产生裂纹。

在图3中，存在两个波形，此两个波形出现的位置分别为460mm和485mm。485mm处的波形：经测量距离车轴端面485mm处为轮座后肩；经探头圆周方向的扫查发现一周均有；且采用手指蘸取耦合剂拍打该波形所处的轮座表面时，波形产生微小跳动。综合分析其为轮座后肩棱角的反射回波（非缺陷波）。460mm处的波形：通过探头的往复扫查分析，缺陷波的波幅发生变化，扫描线上的位置未发生变化；又采用探头的圆周方向的移动扫查方式进行分析，探头在轴端面圆周方向只移动了80mm的距离，该缺陷波消失，且在移动过程中波幅出现断续、起伏的现象。综合车轴结构形式、波形特点、探头往复扫查、探头周向扫查分析，该波形为裂纹缺陷引起的反射回波。

图3  轮座内侧460mm处缺陷的波形图            图4  轮座内侧434mm处缺陷的波形图

在图4中，存在两个波形，此两个波形出现的位置分别为434mm和485mm。分别对此两个波形进行分析：485mm处的波形分析与图3的分析一致。434mm处的波形：通过探头的往复扫查分析，缺陷波的波幅发生变化，扫描线上的位置未发生变化；又采用探头的圆周方向的移动扫查方式进行分析，探头在轴端面圆周方向移动了50mm的距离，该缺陷波消失，且在移动过程中波幅出现断续、起伏的现象。综合车轴结构形式、波形特点、探头往复扫查、探头周向扫查分析，434mm处的波形应裂纹缺陷引起的反射回波。

图5为在检测过程中发现的透油、透锈波的波形图。其波形特殊是在荧光屏出现的位置一般不固定，反射波的前、后沿不规则，比裂纹波宽，且有很多杂波伴随，不尖锐，波幅不高。

图5透油波、透锈波波形图

八、结论

综上所述，采用纵波小角度探头，在轴端面检查轮座内侧疲劳裂纹时能较好快速地检测疲劳裂纹，而对裂纹信号和非缺陷信号的辨别，则需要通过计算声程确定其位置，并结合探伤人员长期积累经验才能作出正确判断，因此正确使用这种检测方法可以发现和消除轮座内侧疲劳裂纹。