車輪踏面超聲波徑向探傷異常波探析

劉群清

摘 要：近些年來，超聲波探傷應用廣泛，超聲波聲能全面覆蓋檢查面，聲束和缺陷垂直，能獲得最大的聲壓發射量，進而形成較高的探傷靈敏度。本文通過車輪踏面超聲波徑向探傷的具體實例進行分析，探究異常波出現的情況以及應對的對策。

關鍵詞：車輪踏面探傷；超聲波；問題；對策

中圖分類號： U270 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）13-133-2

1 當前超聲波探傷方法和步驟

1.1 探傷檢測的基本方法

超聲波探傷方法有其可靠性，也存在一定的局限性。其局限性是受位置缺陷的大小、材料、形狀以及探頭種類等決定的。因此在針對車輪踏面探傷時，通常會采用雙晶體探頭或者橫波斜探頭，采用縱波垂直入射和橫波斜入射法。具體的操作是將探頭放置在車箍內徑面或者整個車輪的踏面及其內側面上，用以對整個輪箍周邊方向進行掃查，同時采用直探頭對輪箍及整體車輪的內側面進行透聲性能檢測和軸向檢測，以保證檢測的全面和準確。

1.2 探傷檢測方法的選擇

探傷檢測方法在選擇上，需要根據車輪裂損的情況來決定的。針對機車車輪，其疲勞的裂紋一般會發生在踏面以下約30mm范圍的位置。對于這樣的區域，目前，電磁測超聲技術無法探測這樣的區域，可采用壓電超聲波探傷技術，其檢測深度大，能夠充分的探測出這片區域的缺陷位置，也能夠探測深度較大的車輪輻板位置。如果要對機車車輪同時進行小修和中修的工藝時，就需要將車輪內部的缺陷和相關的疲勞裂紋全部的探測出來，且還要同時選用小角度的探頭在合適的角度上對車輪的踏面的應力集中區域進行探傷，才能將工藝做好，做細。

2 針對車輪踏面徑向探傷情況提出問題

根據2005年至2006年，我國在對德國BVV公司進口的大批貨車輾鋼整體車輪，進行組裝過程中發現，車輪輻板、輪輞、輪轂的表面和內部出現明顯的缺陷，為了保障運輸的安全，相關部門對該批車輪組裝的輪對進行了全面的探傷檢測，并對已裝車使用且不合格的車輪進行排查，以此來消除安全隱患，保障運輸的通暢。本文就以此為例，對車輪踏面超聲波徑向探傷出現的異常波進行分析。

2.1 具體的探傷實例

對該批車輪輪轂、輪輞進行超聲波探傷，主要采用25MHZ.直徑為20mm的直探頭進行軸向探傷，另有25P14FG30Z雙晶縱波探頭對其踏面進行車輪徑向超聲波探傷檢查，通過這樣的方式，從而發現了車輪踏面在平行方向上，在其內部存在明顯的缺陷。具體超聲波探傷情況為，以正常探傷靈敏度為前提，探頭所發射的超聲波其反射波在底面即輪輞與輻板的過渡部位的回波之前，有明顯的反射波出現如圖1所示：

2.2 徑向探傷所發現的異常波形

采用25P14FG30Z雙晶縱波探頭對車輪的踏面進行徑向超聲波探傷檢查時，其在底面的回波出現較強的反射波，如圖2所示。

圖2為25P14FG30Z雙晶縱波探頭對車輪的踏面進行徑向超聲波探傷檢查，圖中的單位為mm。從圖中可以明顯的看出，回波在車輪底面的回聲聲程在5mm的位置上，出現了強的反射波。因此該車輪可以被認定為其踏面是經過旋修處理過的。但對比另一對經過同種方式處理過的車輪時，超聲波探傷波形并未出現異常的反射回波，這就說明探傷波形顯示為正常。再將對照車輪旋修5mm后，探傷其內部，發現異常波形仍舊出現在5mm的位置上。這就能夠說明，該波形的異常情況并不是缺陷回波所引起的，應是一種波形發生特定轉換形成了特殊的反射回波。

2.3 問題解析

2.3.1 雙晶縱波探頭的結構具有特殊性

針對25P14FG30Z這種雙晶探頭，屬于2個縱波單探頭的組合，兩個探頭的分工明確。一種用于發射超聲波，另一種則用以接收回聲波。該結構的優勢可以避免單探頭所引起的儀器放大器的阻塞而造成探傷距離的誤差，從而影響探測缺陷的準確位置。因此，雙晶體探頭相對于單晶體探頭來說，其探測的精確度更高。除此之外25P14FG30Z這種雙晶體探頭，其收發探頭各自都有一個延遲塊，而這2個延遲塊的聲束入射平面都具有一定且相同的傾斜角，這傾斜角度可以決定探測的深度。

2.3.2 縱波的波形轉換

波形轉換是超聲波傾斜的射入兩個不同物質界面時，其投射波必然會發生轉換，從而引起折射縱波和折射橫波的出現。這也是雙晶體探頭的探傷監測原理，即是利用其折射縱波所發生的波形轉換來進行近距離的探傷實驗。舉個簡單的例子，已知縱波在有機玻璃中的傳播速度為2680m/s，在鋼表面的速度為2950m/s。當一束縱波（已知入射角度為65.3°）穿過玻璃表面，接觸鋼表面時就必然會發生折射現象，從而在鋼表面生產表面橫波。

2.3.3 縱波在粗糙表面的波形轉換分析

針對上述的實例，已知車輪經過車削加工，那么在車輪的踏面上必然會形成一些深淺不一的刀痕。因此車輪子在不同的車削條件下，所產生的刀痕粗糙程度不同，這就必然導致了當雙晶體探頭射出一道縱對粗糙表面進行探傷時，不同的刀痕位置就會使得入射角度有所不同，而出現的波形情況也會有所差別。刀痕表面粗糙度的不同，縱波束入射的角度也可能會有所變化。而當粗糙度達到一定程度時，刀痕不同位置所出現的縱波束入射角可能達到65.3°而產生表面波。而當粗糙度低時，縱波的入射角度就有可能小于65.3°而不產生表面波。這這樣的情況，就可以解釋，前文所提到的對照探測檢測中，車輪踏面未出現異常波的原因。

當晶體探頭所發射出縱波聲束在第一種介質傳播時，其入射角度未達到臨界角的位置時，也會產生折射縱波，對其正常探傷的底面回波不造成影響，從而其產生的表面波能夠直接經過車輪踏面被接頭探頭所接收，因此，其聲程與其接收探頭間的距離有關。而聲束在不同刀痕位置所產生的表面波傳到接收探頭的聲程也不相同，這就導致了異常波的根部都相對較寬，而且范圍較大。

2.3.4 根據上述實例進行驗證

將探傷檢查出來的異常波形發生位置標記出來，通過使用砂輪對標記處進行局部打磨，從而消除車削加工時不同程度的刀痕，降低踏面的表面的粗糙層度。然后再用相同的方式探傷檢查，主要對照組不變。觀察探傷檢查的圖像，可以發現，原先出現的異常波紋消失不見了。

3 結束語

綜上所述，車輪踏面超聲波徑向探傷的基本步驟，首先是要就踏面的具體情況，選擇合適的探傷方法及檢查技術，其次再根據具體的要求進行探傷檢查。通過上述的實例，可以做一個簡單的分析，可以看出，工件表面的粗糙程度，對探傷的回波存在較大的影響，因此要解決這一問題，就需要在探傷檢查之間，對車輪踏面進行旋修，從而改善車輪踏面的粗糙度以消除其對車削加工所留下的刀痕對探傷檢查的影響。另外，車輪踏面如果出現了擦傷、剝離等缺陷嚴重的情況時，在探傷前也必須要進行旋修，且還要在踏面進行精加工，防止超聲波探傷過程出現異常波情況。通過對上述內容的總結分析，筆者希望相關企業在對機車車輪加工或組裝時，不要能忽視超聲波探傷檢查的相關步驟，一方面是為了確保產品的質量，另一方面是為了確保運輸的安全。而在使用超聲波探傷檢查時，也要對文中提到的有關步驟和準備有所注意，以免產生錯誤的影響，導致探傷檢查的異常或不合理性的發生。這也是凸顯相關企業行業競爭力的重要方式之一。

參 考 文 獻

[1] 何先清.車輪踏面超聲波徑向探傷異常波的分析[J].鐵道車輛，2008，07：38-39。

[2] 劉憲.機車車輪在線探傷自動檢測裝置[J].機車電傳動，2013，05：84-87.

[3] 劉憲，范軍.機車輪箍和整體輪的超聲波探傷[J].無損檢測，2006，09：498-501.