車軸徑向超聲波探傷缺陷的基本討論分析

許慶濤

【摘 要】軌道交通裝備行走部件之一的車軸是其動力承載的部件，目前常用的車軸內部探傷以超聲波探傷為主。本文就車軸徑向探傷遇到的各種夾渣、裂紋等缺陷結合車軸生產工藝過程對其進行分析探討，方便超聲波探傷人員進行判斷，為車軸徑向探傷提供參考。

【關鍵詞】超聲波探傷；徑向；車軸

中圖分類號： U270.7 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）12-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.009

0 前言

車軸作為軌道交通裝備重要的行走部件之一，其質量直接決定運行安全。目前，相關行業(yè)的標準要求進行超聲波探傷，從而提前發(fā)現(xiàn)大量的超標缺陷，避免異常車軸非預期使用。通過多年的在段車輛機破數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)車軸斷裂造成機破事件為0，即說明該檢測手段基本能保證車軸探傷質量。為了更好的分辨車軸徑向探傷時的缺陷，本文著重以SS4B軸作為分析對象結合常見的缺陷進行分類總結，以供實際生產使用。

1 車軸生產過程

1.1 鋼坯的鍛造

車軸經常使用的材料有EA1N、35CrMoA等，由鋼鐵廠通過冶煉得到鋼錠，再經過鍛打得到鋼坯。一般此過程通常會將鋼錠鍛造為棒材供生產廠家使用。

此過程中，經過一次鍛造（拉拔），鋼材經過塑性變形，其內部的晶粒拉長、壓扁，晶界變得模糊不清，使得鋼材強度、硬度增加，為了得到組織均勻、晶粒相對細致的坯料，一般采用熱拉拔得到棒料[2]。

1.2 車軸毛胚鍛造

軌道交通裝備使用的車軸如通常分為軸頸、輪座和軸身三個部分，因輪座部位安裝齒輪、是車軸轉動的直接受力位置，所以直徑最大。

1.3 車軸的熱處理

毛坯在鍛造形成后，一般需要進行調質處理，主要目的是細化晶粒，得到組織更加均勻、使其強度硬度大幅提高以滿足生產使用。

2 典型缺陷

車軸在生產過程中通常含有氣孔、夾渣等缺陷，鍛造過程中這些缺陷將會對最終產品的使用造成嚴重的安全隱患；如果車軸在鍛造過程中產生裂紋、折疊等缺陷，將嚴重影響車軸的質量。

3 車軸徑向超聲波探傷缺陷影響及分析

根據(jù)《TB/T1618—2001機車車輛車軸超聲波檢驗》標準要求，車軸需對內部缺陷及透聲性進行檢驗，而徑向探傷主要從內部缺陷和缺陷對底波影響兩方面對車軸質量進行控制。實際生產中，以發(fā)現(xiàn)夾渣、裂紋，氣孔以及晶粒粗大導致的透聲性能差等原材料缺陷為主。

下面就這幾種缺陷實際探傷缺陷波形及特征進行分析，為快捷的判斷各種類型缺陷提供參考。

3.1 夾渣缺陷

3.1.1 夾渣的形成與分析

鋼錠澆鑄的過程中，由于鋼水中混雜的各種雜質異物未能全部排除，導致冷卻過程中殘留在鋼錠中，在后續(xù)鍛造過程中殘留形成危害性較大的缺陷。

這類缺陷一般都會在晶粒延伸方向有一定長度，主體取向沿著軸向，極易被徑向方向的掃查發(fā)現(xiàn)。通常，小范圍的夾渣經過鍛造過程后會沿著晶粒拉伸方向被壓扁、拉長形成一定長度的夾渣缺陷，在缺陷位置解剖會發(fā)現(xiàn)其表面會有明顯的氧化變黑的痕跡。

3.1.2 夾渣掃查的波形及分析

車軸徑向掃查時單個獨立夾渣缺陷典型波形如圖1所示，其回波高度可以超出屏幕，適當降低靈敏度會發(fā)現(xiàn)，其波谷位置伴隨大量低矮雜波出現(xiàn)，這種單個獨立的夾渣對車軸的透聲性能影響不大；另外如果是分散性夾渣，在探傷過程中一般在相近的位置成簇的出現(xiàn)回波，且回波較高，呈典型的“林狀回波”，如圖2所示。

此類缺陷探傷時輕微移動探頭波高下降不明顯，同時其林狀回波變化起伏較大，沿著缺陷長度方向移動探頭回波變化不明顯，通常伴隨著回波位置的前后輕微變化。

3.2 裂紋缺陷

3.2.1 裂紋的產生

裂紋是在車軸鍛造過程中產生，鍛造時進給量不適當有較大的可能產生，特別是在鐓粗的過程中，由于外力作用在晶粒的垂直方向上，極易產生橫向裂紋。進給量過大，導致內部受力不均勻，在鍛件的塑性變形交界的位置產生裂紋。后續(xù)調質過程中，裂紋還會隨著緩慢延伸擴大，此類裂紋危害性極大，是車軸內部必須要避免的缺陷。

3.2.2 裂紋缺陷的波形及判別

裂紋超聲波探傷時波形比較容易分辨，波高很高且尖銳。一般裂紋取向有兩個方向：垂直于晶粒延伸方向和沿著晶粒延伸方向。

a）當裂紋垂直于晶粒延伸方向時，探頭在極有可能掃查不到裂紋，且底波基本沒有變化；而探頭轉過90°時，缺陷回波會明顯增高，底波迅速下降，缺陷波高明顯高于底波，隨著探頭的轉動，缺陷波高降低的同時底波迅速升高。

b）當裂紋沿著晶粒延伸方向時（橫向），缺陷波高一般會低于底波，隨著探頭沿著車軸徑向位置的移動，裂紋的的回波高度變化不大，缺陷回波在屏幕上的位置會出現(xiàn)一定的變化，缺陷位置變化較大，同時由于探頭的近場區(qū)長度的原因，兩處的波高會有一定的變化，且波高不能直接進行比較。

3.3 底波明顯降低

3.3.1 底波明顯降低的影響因素

a）調質處理不當導致晶粒粗大

根據(jù)材料學和超聲波傳輸?shù)闹R可知，透聲性能的好壞與晶粒的大小有關。當車軸調質處理效果不理想時，車軸內部晶粒有較大的可能形成不均勻的分布，從而使組織的晶粒粗大導致透聲性能變差。

b）中心縮松、夾渣等缺陷影響底波波高

中心疏松（縮松）主要是由于鋼錠在最初澆鑄過程中，鋼錠中心位置最后冷卻導致其補縮量不夠從而引起此部位的縮松，這類中心位置的縮松如果只是局部對車軸整體強度的影響不大，但是如果是較長的范圍內存在則需要嚴格控制。

3.3.2 底波降低情況判別及分析

a）晶粒粗大的波形判別及分析

當車軸內部晶粒粗大時，會明顯發(fā)現(xiàn)探傷時噪聲水平增加，甚至出現(xiàn)“草狀回波”，底波波高相對于晶粒細小的車軸有明顯的降低甚至消失，當換用低頻的探頭時“草狀回波”明顯減少甚至消失。當車軸底波比較低，且其寬度明顯變寬，換用低頻探頭后底波重新出現(xiàn)。

b）中心縮松、夾渣波形的分析

當出現(xiàn)縮松缺陷時，底波降低幅度不大，缺陷回波一般成簇出現(xiàn)在始波與底波的中間位置，左右移動探頭時，缺陷波依次跳動但高度變化不大；如果是夾渣缺陷，可明顯看出底波降低，且其對底波影響較大。如下圖3所示。

圖3 中心夾渣缺陷掃查波形示意圖

4 總結

（1）通過分析可以看出，車軸生產制造工藝基本決定了車軸內部經常出現(xiàn)的缺陷。車軸徑向探傷時內部經常出現(xiàn)的缺陷為夾渣、縮松、裂紋以及晶粒粗大。

（2）使用超聲波探傷能有效的發(fā)現(xiàn)上述的各種缺陷，根據(jù)相應的分析，能粗略的判定車軸徑向探傷時的各種缺陷的性質，進而對車軸進行合理處置，保證車軸的質量。

【參考文獻】

[1]TB/T1618—2001機車車輛車軸超聲波檢驗.

[2]大型鑄鍛件行業(yè)協(xié)會.大型鑄鍛件缺陷分析圖譜[M].北京：機械工業(yè)出版社，1990.

[3]馬慶賢，曹起驤，謝冰，等.大型餅類鍛件變形規(guī)律及夾雜性裂紋產生過程研究[J].塑性工程學報.

[4]牛俊民.冶金工業(yè)出版社，鋼中缺陷的超聲波定性探傷.