车轮踏面超声波径向探伤异常波探析

刘群清

摘 要：近些年来，超声波探伤应用广泛，超声波声能全面覆盖检查面，声束和缺陷垂直，能获得最大的声压发射量，进而形成较高的探伤灵敏度。本文通过车轮踏面超声波径向探伤的具体实例进行分析，探究异常波出现的情况以及应对的对策。

关键词：车轮踏面探伤；超声波；问题；对策

中图分类号： U270 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）13-133-2

1 当前超声波探伤方法和步骤

1.1 探伤检测的基本方法

超声波探伤方法有其可靠性，也存在一定的局限性。其局限性是受位置缺陷的大小、材料、形状以及探头种类等决定的。因此在针对车轮踏面探伤时，通常会采用双晶体探头或者横波斜探头，采用纵波垂直入射和横波斜入射法。具体的操作是将探头放置在车箍内径面或者整个车轮的踏面及其内侧面上，用以对整个轮箍周边方向进行扫查，同时采用直探头对轮箍及整体车轮的内侧面进行透声性能检测和轴向检测，以保证检测的全面和准确。

1.2 探伤检测方法的选择

探伤检测方法在选择上，需要根据车轮裂损的情况来决定的。针对机车车轮，其疲劳的裂纹一般会发生在踏面以下约30mm范围的位置。对于这样的区域，目前，电磁测超声技术无法探测这样的区域，可采用压电超声波探伤技术，其检测深度大，能够充分的探测出这片区域的缺陷位置，也能够探测深度较大的车轮辐板位置。如果要对机车车轮同时进行小修和中修的工艺时，就需要将车轮内部的缺陷和相关的疲劳裂纹全部的探测出来，且还要同时选用小角度的探头在合适的角度上对车轮的踏面的应力集中区域进行探伤，才能将工艺做好，做细。

2 针对车轮踏面径向探伤情况提出问题

根据2005年至2006年，我国在对德国BVV公司进口的大批货车辗钢整体车轮，进行组装过程中发现，车轮辐板、轮辋、轮毂的表面和内部出现明显的缺陷，为了保障运输的安全，相关部门对该批车轮组装的轮对进行了全面的探伤检测，并对已装车使用且不合格的车轮进行排查，以此来消除安全隐患，保障运输的通畅。本文就以此为例，对车轮踏面超声波径向探伤出现的异常波进行分析。

2.1 具体的探伤实例

对该批车轮轮毂、轮辋进行超声波探伤，主要采用25MHZ.直径为20mm的直探头进行轴向探伤，另有25P14FG30Z双晶纵波探头对其踏面进行车轮径向超声波探伤检查，通过这样的方式，从而发现了车轮踏面在平行方向上，在其内部存在明显的缺陷。具体超声波探伤情况为，以正常探伤灵敏度为前提，探头所发射的超声波其反射波在底面即轮辋与辐板的过渡部位的回波之前，有明显的反射波出现如图1所示：

2.2 径向探伤所发现的异常波形

采用25P14FG30Z双晶纵波探头对车轮的踏面进行径向超声波探伤检查时，其在底面的回波出现较强的反射波，如图2所示。

图2为25P14FG30Z双晶纵波探头对车轮的踏面进行径向超声波探伤检查，图中的单位为mm。从图中可以明显的看出，回波在车轮底面的回声声程在5mm的位置上，出现了强的反射波。因此该车轮可以被认定为其踏面是经过旋修处理过的。但对比另一对经过同种方式处理过的车轮时，超声波探伤波形并未出现异常的反射回波，这就说明探伤波形显示为正常。再将对照车轮旋修5mm后，探伤其内部，发现异常波形仍旧出现在5mm的位置上。这就能够说明，该波形的异常情况并不是缺陷回波所引起的，应是一种波形发生特定转换形成了特殊的反射回波。

2.3 问题解析

2.3.1 双晶纵波探头的结构具有特殊性

针对25P14FG30Z这种双晶探头，属于2个纵波单探头的组合，两个探头的分工明确。一种用于发射超声波，另一种则用以接收回声波。该结构的优势可以避免单探头所引起的仪器放大器的阻塞而造成探伤距离的误差，从而影响探测缺陷的准确位置。因此，双晶体探头相对于单晶体探头来说，其探测的精确度更高。除此之外25P14FG30Z这种双晶体探头，其收发探头各自都有一个延迟块，而这2个延迟块的声束入射平面都具有一定且相同的倾斜角，这倾斜角度可以决定探测的深度。

2.3.2 纵波的波形转换

波形转换是超声波倾斜的射入两个不同物质界面时，其投射波必然会发生转换，从而引起折射纵波和折射横波的出现。这也是双晶体探头的探伤监测原理，即是利用其折射纵波所发生的波形转换来进行近距离的探伤实验。举个简单的例子，已知纵波在有机玻璃中的传播速度为2680m/s，在钢表面的速度为2950m/s。当一束纵波（已知入射角度为65.3°）穿过玻璃表面，接触钢表面时就必然会发生折射现象，从而在钢表面生产表面横波。

2.3.3 纵波在粗糙表面的波形转换分析

针对上述的实例，已知车轮经过车削加工，那么在车轮的踏面上必然会形成一些深浅不一的刀痕。因此车轮子在不同的车削条件下，所产生的刀痕粗糙程度不同，这就必然导致了当双晶体探头射出一道纵对粗糙表面进行探伤时，不同的刀痕位置就会使得入射角度有所不同，而出现的波形情况也会有所差别。刀痕表面粗糙度的不同，纵波束入射的角度也可能会有所变化。而当粗糙度达到一定程度时，刀痕不同位置所出现的纵波束入射角可能达到65.3°而产生表面波。而当粗糙度低时，纵波的入射角度就有可能小于65.3°而不产生表面波。这这样的情况，就可以解释，前文所提到的对照探测检测中，车轮踏面未出现异常波的原因。

当晶体探头所发射出纵波声束在第一种介质传播时，其入射角度未达到临界角的位置时，也会产生折射纵波，对其正常探伤的底面回波不造成影响，从而其产生的表面波能够直接经过车轮踏面被接头探头所接收，因此，其声程与其接收探头间的距离有关。而声束在不同刀痕位置所产生的表面波传到接收探头的声程也不相同，这就导致了异常波的根部都相对较宽，而且范围较大。

2.3.4 根据上述实例进行验证

将探伤检查出来的异常波形发生位置标记出来，通过使用砂轮对标记处进行局部打磨，从而消除车削加工时不同程度的刀痕，降低踏面的表面的粗糙层度。然后再用相同的方式探伤检查，主要对照组不变。观察探伤检查的图像，可以发现，原先出现的异常波纹消失不见了。

3 结束语

综上所述，车轮踏面超声波径向探伤的基本步骤，首先是要就踏面的具体情况，选择合适的探伤方法及检查技术，其次再根据具体的要求进行探伤检查。通过上述的实例，可以做一个简单的分析，可以看出，工件表面的粗糙程度，对探伤的回波存在较大的影响，因此要解决这一问题，就需要在探伤检查之间，对车轮踏面进行旋修，从而改善车轮踏面的粗糙度以消除其对车削加工所留下的刀痕对探伤检查的影响。另外，车轮踏面如果出现了擦伤、剥离等缺陷严重的情况时，在探伤前也必须要进行旋修，且还要在踏面进行精加工，防止超声波探伤过程出现异常波情况。通过对上述内容的总结分析，笔者希望相关企业在对机车车轮加工或组装时，不要能忽视超声波探伤检查的相关步骤，一方面是为了确保产品的质量，另一方面是为了确保运输的安全。而在使用超声波探伤检查时，也要对文中提到的有关步骤和准备有所注意，以免产生错误的影响，导致探伤检查的异常或不合理性的发生。这也是凸显相关企业行业竞争力的重要方式之一。

参 考 文 献

[1] 何先清.车轮踏面超声波径向探伤异常波的分析[J].铁道车辆，2008，07：38-39。

[2] 刘宪.机车车轮在线探伤自动检测装置[J].机车电传动，2013，05：84-87.

[3] 刘宪，范军.机车轮箍和整体轮的超声波探伤[J].无损检测，2006，09：498-501.