超聲波檢測錘桿疲勞裂紋

黃科偉

摘 要：文章對鐵路工業部門常用的自由鍛錘錘桿疲勞裂紋（疲勞裂紋在錘套下15-30mm之間，無法直接觀察）采用超聲橫波檢測，解決了錘桿疲勞裂紋生成，一般發展情況。由于疲勞裂紋角度變化，它對超聲波的反射量增加，完全改變了當量變化規律，及疲勞裂紋的深度發展測定問題。

關鍵詞：錘桿；疲勞裂紋；超聲波；檢測

前言

鍛造生產中自由鍛錘是應用很普遍的一種鍛造設備，目前在鐵路工業部門應用十分廣泛。常用的有0.5-1.5噸的單拱式自由鍛錘，這種錘可以三面接近下砧，操作方便。它所加工的鍛件幾何形狀多樣，批量較小，生產中由于加工鍛件品種繁多，有時鍛造工藝所需，避免不了偏心鍛造，有的鍛件薄而小易產生冷鍛。設備使用一定周期后，由于下砧座產生傾斜，在寒冷季節錘桿工作前，預熱溫度不夠（100-200℃），加上長期使用等因素導致錘桿產生疲勞裂紋。一旦產生疲勞裂紋，如果不能及時發現，使之發展到一定程度，錘桿便會造成折斷。由于錘桿上有錘頭套，錘頭套又與上砧連為一體，重量可達幾百到上千公斤，若在生產中錘桿折斷時，鍛錘三面都有人在操作，這將對人身安全帶來很大的威脅。為此如果能在未解體的情況下，及時檢測出錘桿裂紋生成及發展情況，并進行預報，預先做好備品及時修補或更換，縮短檢修時間，防止人身傷害。為了解決這個問題，通過長期試驗和觀察，采用超聲波檢測方法是一條可行的途徑。

1 疲勞裂紋位置及特點

常用的單拱式0.5-1.5噸汽錘結構通常為錘桿與錘套以2°-4°錐度在中間夾1.5-2mm銅皮成緊配合，由于在使用中不可避免遇到前言中所述的不利因素，使錘桿與錘頭套緊配合處產生應力集中，成為疲勞裂紋源，一般錘桿產生疲勞裂紋部位大致在錘頭套下15-30mm處。

由于疲勞裂紋在錘頭套下15-30mm處，無法直接觀察。以往檢修都是在停產后，將錘頭套加熱到一定溫度，使錘桿和錘頭套分離，再采用表面探傷手段來檢測，這樣就費工費時，如果不檢修就不能及時發現裂紋，在使用過程中將發生人身和設備事故。而通過較長時間的試驗，用超聲波（橫波）在不解體的情況下進行檢測，從而發現疲勞裂紋以及測定裂紋發展狀況下可行的。

2 斜探頭橫波探測方法

針對上述情況在解體的錘桿易產生裂紋的部位處加以人工1×1mm鋸口，用超聲波橫波來檢測。斜探頭選用2.5PK1 9×9mm探頭，根據公式tg？茁=■計算出探頭入射點至人工鋸口的水平距離e，移動探頭找出1×1mm人工鋸口的最高反射波為熒光屏垂直刻度滿幅80%高時，衰減器讀數為零dB，用這個靈敏度再到表面探傷已發現有裂紋的錘桿上進行檢測（裂紋長度已量出）在測出裂紋最高反射波為熒光屏垂直刻度滿幅80%高時，同時橫向移動探頭，量出探頭移動距離值，同時記錄下這時的dB值，然后用人工處理量出裂紋深度，觀察它的發展角度，從中發現同樣長度的裂紋。由于在錘上發展角度不同，它的反射量不同，不同樣的長度，條數不同，它的反射量也不同。

為了在現場工作方便，可以把1×1mm人工鋸口靈敏度用方形試塊代替。在同樣的情況下Φ2mm橫孔的反射波在熒光屏垂直刻度滿幅80%高時為-6dB。用這個靈敏度進行檢測，并繪制相應的裂紋深度曲線。通過曲線可以看出，當反射波為垂直刻度滿幅80%，裂紋深度為14mm。當增益7dB反射波為垂直刻度滿幅80%，裂紋深度為8mm。當增益17dB反射波為垂直刻度滿幅80%，裂紋深度為2.5mm。當增益21dB反射波為垂直刻度滿幅80%，裂紋深度為2mm。

在2012年的實際檢測中有一根錘桿，直徑為Φ175mm，探頭入射點距發現裂紋Φ130mm處（距錘套下20mm），裂紋反射波為熒光屏垂直垂直刻度滿幅80%時，為零dB（標準靈敏度為零dB）用半波橫向單側移動探頭用來判斷裂紋的發展情況，單側移動距離變化和dB值的變化見表1所示。

斷口上裂紋是典型的疲勞裂紋，發展為貝殼形狀，測量裂紋發展的各階段長度和深度可以繪制出對應的弧長--深度曲線。從斷口分析可以清晰看出裂紋發展過程中能產生一定角度變化，由于裂紋角度變化，它對超聲波的反射量增加完全改變了當量變化的規律。裂紋深度發展的時間先慢后快，3-30mm深度為一過程，發展較為緩慢，深度大于30mm發展過程較快，最終將產生脆斷。

為了能在裂紋深度大于14mm時，在超聲波反射量不明顯增加情況下確定裂紋發展的情況，可以用半波高度法（橫向移動探頭）量出探頭橫向移動的弧長，再在弧長——深度曲線上查出相應的深度，決定是否更換錘桿。

3 結束語

通過一年多時間對種直徑自由鍛錘桿探測：如1/4噸錘，錘桿直徑Φ110mm，裂紋反射波為熒光屏垂直刻度滿幅80%高時，增益13dB，單側移動距離7mm，拆檢后裂紋深度為6mm。1/2噸錘，錘桿直徑Φ175mm裂紋反射波為熒光屏垂直刻度滿幅80%高時，增益21dB，單側移動距離3mm，拆檢后裂紋深度為2mm，按要求進行修補使用。在去年7月生產過程中，3噸錘發現錘聲異常，經檢測后未發現裂紋，繼續使用至今，錘桿未發現異常情況。

綜上所述，利用超聲波檢測自由鍛錘錘桿疲勞裂紋方法行之有效，操作簡便，效果顯著。

參考文獻

[1]李家偉，陳積懋.無損檢測手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.

[2]超聲波檢測/中國機械工程學會無損檢測學會編-2版[M].北京：機械工業出版社，2004.