基于电磁超声换能器的火车轮探伤研究

齐英豪

（钢铁研究总院　北京　100081）

基于电磁超声换能器的火车轮探伤研究

齐英豪†

（钢铁研究总院北京100081）

利用电磁超声探伤方法对检测火车轮表面及近表面缺陷进行实验探究，从而保证车轮质量，避免事故发生。文章介绍了火车车轮电磁超声探伤的原理和方法。根据电磁超声表面波辐射扩散角的分布情况，得出利用电磁超声表面波进行车轮踏面探伤的可行性。将制作的小巧换能器探头与便携式电磁超声探伤仪配合，能够实现对车轮的快速探伤检测。通过大量的车轮探伤实验，检出了典型车轮踏面缺陷。根据检测波形特点并结合生产工艺情况，分析得出产生缺陷的原因。研究表明：电磁超声无损检测方法能够快速、有效检出车轮踏面缺陷。

电磁超声换能器，表面波，火车轮，踏面

1　引言

火车轮是机车和车辆的重要运动和承载部件，其质量优劣对保证火车的安全运行起着至关重要的作用。随着火车的速度越来越快，给生产制造具有强韧性和耐磨性、抗疲劳和抗剥离车轮的各个工艺环节提出更高要求。与此同时，对于车轮的无损检测这一最后生产工序，也需要补充和寻找更灵敏、高效的车轮检查方法和手段，以发现车轮中缺陷，将列车事故隐患消灭在萌芽状态。

目前，在车轮生产过程中的质量检测一般采用超声波探伤和磁粉探伤。传统的车轮超声波探伤是压电超声纵波法，它主要用于检测车轮轮辋中的内部缺陷。压电超声波探伤需要使用耦合剂，且自动化探伤设备构成比较复杂；此外，采用纵波法进行探伤时，需要对车轮进行逐点扫查，耗时耗力；而更重要的是，对于常规超声纵波法，车轮踏面及踏面以下10 mm内区域属于检测盲区，即使使用双晶探头，其检测盲区也在3 mm以上。磁粉探伤是一种适于探测表面缺陷的无损检测方法，但只能探测表面极浅的范围，且判伤要靠人工进行。电磁超声探伤不仅不需要使用耦合剂，而且很容易激发出纯的表面波，检测速度快，这对于车轮表面和近表面的检测可以起到重要作用［1］。

2　车轮EMAT探伤原理和方法

电磁超声的换能原理主要有两种，即利用洛仑兹（Lorentz）力和磁致伸缩（Magnetostriction）力与被检金属表面的相互作用激发出超声波［2-4］。

图1揭示了洛仑兹力的工作机理。当高频电流i加到靠近金属表面的EMAT线圈上时，在金属表面的趋肤层内将会感应出相应频率的涡流j来。若同时在金属表面上加一个稳恒磁场B0，那么涡流在外磁场作用下就会产生一个与涡流频率相同的电动力，即洛仑兹力FL。而被测金属介质在该洛伦兹力作用下产生应力波，它在金属内传播就形成了声波。

图1　洛伦兹力Fig.1 Lorentz force

图2揭示了磁致伸缩的工作机理。铁磁性材料是由许多自发磁化的磁畴组成，在无外磁化作用时，这些磁畴无序排列，各磁畴磁性相互抵消，因而宏观上表现为磁中性。但当受到稳恒磁场B0作用后，磁畴沿外磁场方向整齐排列起来。若同时在金属表面施加一个由高频EMAT线圈产生的交变磁场Br，则磁畴在交变磁场力FM的作用下产生壁移和旋转，在这磁畴运动中，会伴随着宏观形变并表现出磁致伸缩效应，此效应在工件内传播就形成了声波。

图2　磁致伸缩力Fig.2 Magnetostrictive force

由于火车轮由铁磁性金属制造，所以在进行EMAT检测时，其表面同时受到洛仑兹力和磁致伸缩力的作用：

车轮表面质点振动位移幅值ξ是由洛仑兹力产生的质点振动位移幅值和磁致伸缩力产生的质点振动位移幅值之和的模：

式（2）中K1B0i表示由洛仑兹力产生的分子振动位移幅值，其中K1是与材料密度、频率、与工件距离以及渗透深度等有关的系数［5］；K2σ（B0）Br表示由磁致伸缩力产生的振动位移幅值，其中K2是与杨氏模量等有关的系数，σ（B0）称为磁致伸缩应力常数，是一个与被检材料和激磁场B0有关的函数［6］。由于车轮材料具有较强的铁磁特性，所以在磁感应强度B0较小时，磁致伸缩力起主要作用，此时

当EMAT回折线圈平行放置在车轮表面，并在其中通入高频电脉冲电流，同时，外磁场B0平行或垂直施加于车轮表面，通过选择适当的回折线圈的间距和高频脉冲频率，就可以在车轮表面激发出纯的表面波。EMAT线圈激发的表面波是沿车轮表面的双向传播的，但通过特殊设计的线圈也可产生单向辐射波。

由于洛仑兹力效应和磁致伸缩力效应都具有可逆性，因而可利用EMAT线圈接收超声回波信号，并加以分析判定，从而检测出缺陷的大小、位置等。

一般来说，表面波的有效探测深度以2倍波长计。由于我们在火车轮探伤中使用的表面波的波长为6 mm，所以其有效探测深度大约为10 mm左右［7］。此外，表面波在钢中传播速度大约为2900 m/s，火车车轮周长大约为3 m，表面波沿车轮传播一周的时间大约为1 ms，因此，当在车轮踏面上任意点激发表面波后，声波沿着车轮表面周向自行传播数圈，瞬间即可完成对整个车轮踏面的探伤检测，而无须进行逐点扫查，如图3所示。

图3　电磁超声表面波在车轮踏面上的传播Fig.3 Transmission of Rayleigh wave on the tread

另外，电磁超声激发实验告诉我们，表面波在车轮踏面上传播时声场强度辐射的半张角在5°左右，如图4所示，在此范围内的检测灵敏度可以满足探伤需求［8］。这一实验结果提示我们，在车轮踏面激发的表面波，不仅可以用于检测车轮踏面缺陷，同时也可兼顾用来检测踏面与轮缘过渡区（称R角）缺陷，甚至轮缘缺陷。在利用表面波检测R角和轮缘缺陷时应注意，因为波束的辐射张角较小，所以当缺陷与换能器距离较近时，R角和轮缘可能属于检测盲区。应使用声波辐射的远场区探测R角和轮缘缺陷，故需要特别注意对一次波之后的回波信号的甄别与判断。

图4　电磁超声表面波辐射扩散角分布（f=400 kHz）Fig.4 The radiation diffusion angle distribution of Rayleigh wave（f=400 kHz）

3　车轮EMAT探伤实验

我们对某公司生产的一批331件火车车轮进行踏面超声探伤检测实验。该批车轮的轮径为840 mm，辋径为769 mm，轴径为185 mm。该车轮的生产工艺为：钢锭切割→加热→水压机镦锻成型→轧机轧制→水压机压弯、冲孔、打印→等温→淬火→回火→性能检查→抛丸除鳞→半成品尺寸检查→机加工→冷打字→无损探伤。过去，采用的无损探伤手段是，利用双晶直探头分别从踏面和轮缘内侧面入射超声波，探测轮辋内部缺陷；利用磁粉法检测辐板表面缺陷。其中，超声波探伤无论从轮辋的哪个面入射，踏面、R角和轮缘均为检测盲区。

在本实验中，我们采用EMAT在车轮踏面激发沿周向传播的表面波，对车轮踏面的表面和近表面缺陷进行探测。在实验中我们使用钢研纳克研制的EMA-2A型便携式电磁超声探伤仪以及与之配套的换能器，如图5所示。电磁超声探伤仪的主要技术参数如下：

图5　EMA-2A型电磁超声探伤仪和换能器Fig.5 EMA-2A electromagnetic acoustic detector and transducer

（1）检测频率：0.3 kHz～1.5 MHz连续可调；

（2）增益：0～69 dB，步长1 dB；

（3）脉冲个数：每串发射脉冲中可包含1～15个脉冲，数量连续可调；

（4）扫速：线性时基显示的扫速分6档可调；

（5）报警方式：伤波幅度报警和穿透波失波报警两种方式；

（6）闸门设置：伤波幅度报警闸门和穿透波失波报警闸门的前沿、后沿均可连续调整；报警门限设置为0～100%，步长10%。

电磁超声换能器采用脉冲激磁方式。为了确保足够强的磁化场强度以及尽量减小换能器尺寸，在保证激磁场安匝数的情况下，激磁线圈采取了多匝、多股并联的高能绕制方式，以降低线圈阻抗，提高激磁电流，使换能器的体积缩小至能够单手操作，真正实现便携式检测。

4　实验结果及分析

在对现场两罐共331件加工状态车轮的电磁超声检测实验中，共发现5件轮辋区表面有明显缺陷的车轮。探伤中，以10 mm×0.5 mm（长×深）踏面人工刻槽的回波高度为仪器满刻度的80%为灵敏度基准。现将检出的三种典型缺陷情况介绍分析如下：

（1）踏面缺陷：如图6所示为在踏面中部检测出的折叠缺陷。这种缺陷呈曲线单一状，其产生原因可能是轧辊老化在压痕时产生飞边，也可能是辊系调整不当造成主辊道辊环参与轧制。如图7所示为该踏面折叠缺陷的电磁超声检测波形。由于缺陷出现在踏面中部，处于换能器主声束轴线上，所以无论在距离换能器何种距离位置上均能被很容易检出，且回波信号的幅度也较高。由于信号幅值超过80%，故所检出折叠缺陷当量超过人工伤，实际通过磨削折叠长度大约15 mm，深度略大于0.5 mm。

图6　踏面折叠缺陷Fig.6 Tread folding

图7　踏面缺陷检测波形Fig.7 Waveform of tread folding

（2）R角缺陷：如图8所示为检测出的R角（踏面与轮缘过渡区）的裂纹缺陷。这类裂纹一般不长，在5～10 mm范围，但其周围往往伴随有不规则坑状的凹陷。凹陷可能由于轮辋成型时氧化铁皮或异物被压入造成的。如图9所示为该R角裂纹缺陷的电磁超声检测波形。由于缺陷出现在R角部位，偏离踏面上的换能器的主声束轴线，所以当换能器距离缺陷较近时此部位可能是检测盲区。只有当换能器距离缺陷足够远时声束方能投射到R角区域，所以我们在显示中观察到的缺陷波距离始波较远，处于靠近透过波的位置。根据灵敏度基准，该裂纹回波幅值为80%左右，缺陷当量和人工刻槽伤接近，裂纹实际长度约10 mm，深度0.5～0.8 mm。

图8　R角裂纹缺陷Fig.8　R angle crack

图9　R角缺陷检测波形Fig.9 Waveform of R angle crack

（3）轮缘缺陷：如图10所示为在轮缘顶部检测出的线型折叠缺陷。轮缘处的折叠缺陷可能由于成型坯辋面有台阶等原因产生。这类折叠端部往往略带黑皮，通常是由于内板偏心、压弯辋高偏高导致车轮形位关系不对、外板偏薄或者内侧辋板距离偏大等造成的。如图11所示为该轮缘折叠缺陷的电磁超声检测波形。由于缺陷出现在轮缘顶端部位，偏离换能器轴线的角度较大，所以只有当换能器距离缺陷很远时声束方能投射这个部位，故此我们观察到缺陷波出现在透过波之后；此外由于缺陷距离换能器位置较远，所以缺陷回波信号的幅度较小，幅值低于80%，其缺陷当量低于人工刻槽伤，该线型折叠缺陷长度约20 mm，深度为0.6 mm。

图10　轮缘折叠缺陷Fig.10 Rim folding

图11　轮缘缺陷检测波形Fig.11 Waveform of rim folding

5　结论

通过EMAT理论研究与检测实验表明，电磁超声表面波不仅可以检测车轮踏面缺陷，而且还能检测R角和轮缘缺陷，是对车轮常规压电超声波检测的一种积极、有效的补充探伤手段。这种方法通过一点探测即可实现对整个踏面圆周的覆盖扫查，占用时间少，检测效率高，具有很强的实际操作性和推广价值。EMAT表面波法不但适用于车轮踏面检测，也可适用于其他金属材料的探伤检验，应用前景十分广阔。

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Inspection of train wheels with electromagnetic acoustic transducer

QI Yinghao
（Central Iron&Steel Research Institute，Beijing 100081，China）

An experimental investigation on train wheels surface and near surface defects is made by the electromagnetic acoustic flaw detection methods.Thus it ensures the quality of the wheels and avoids the accident.The theory and method of electromagnetic acoustic transducer（EMAT）for inspection of train wheel treads are introduced in this paper.On the basis of the radiation diffusion angle distribution of Rayleigh wave in treads，the inspection is feasible.The rapid wheel inspection can be realized with our mini EMAT and portable electromagnetic acoustic detector.Several typical tread defects are detected through a lot of experiments.The causes of defects are analyzed according to waveform characteristics and production process. It is concluded that the tread defects can be quickly and effectively detected with EMAT technique.

EMAT，Rayleigh wave，Train wheel，Treads

TP216

A

1000-310X（2015）02-0102-05

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.02.002

2014-07-14收稿；2014-11-05定稿

齐英豪（1989-），男，河南驻马店人，硕士研究生，研究方向：无损检测。

E-mail：qyi_hao@163.com