超声波在机车车辆工艺上的检测

1 超声波探伤的原理 超声波检测可以分为超声波探伤和超声测厚及超声测晶粒度、测应力等。在超声波探伤中，有根据缺陷的回波和底面的回波来进行判断的脉冲反射法;有根据缺陷的阴影来判断缺陷情况的穿透法;还有由被检物产生驻波来判断缺陷情况或者判断板厚的共振法。目前用得多的方法是脉冲反射法。脉冲反射法在纵波探伤时用纵波，在斜入射探伤时用横波。把超声 波射入被检物的一面，然后在同一面接收从缺陷处反射回来的回波，根据回波情况来判断缺陷的情况。脉冲反射法的纵波和横波探伤原理如下：

垂直探伤法当把脉冲振荡器发生的电压加到晶片上时，晶片振动，产生超声波脉冲。如果被检物是钢质工件的话，超声波以5900m/s的固定速度在钢工件内传播，超声波碰到缺陷时，一部分从缺陷反射回到晶片，而另一部分未碰到缺陷的超声波继续前进，一直到被检物底面才反射回来。因此，缺陷处反射的超声波先回到晶片，底面反射后回到晶片。回到晶片上的超声波又反过来被转换成高频电压，通过接收、放大进入示波器，示波器将缺陷回波和底面回波显示在荧光屏。因此，在示波管上的图形可以看出有没有缺陷、缺陷的位置及其大小。对于脉冲反射式超声波探伤仪，荧光屏的时基线和激励脉冲是被同时触发的，即处于同步状态下工作。当探头被激励而向工件发射超声波时，激励脉冲也被馈至接收电路，同时时基电路也开始扫描，因此在时基线的始端出现一个很强的脉冲波，这个波称为“始波”，用 表示;当探头接收到底面反射回来的声波时，时基线上右边相应呈现一个表示底面反射的脉冲波，称为“底波”，用 表示。时基线由 扫描到曰所需的时间正好等于超声脉冲从探头到底面又返回探头的传播时间，因此，可以说从 到曰之间的距离代表了工件的厚度。如果工件中有缺陷、，探头接收到缺陷反射回来的声波时基线 相应呈现出一个代表缺陷的脉冲波，称为“缺陷波”或“伤波”，用F表示。显然，缺陷波所经时间短于底波所经时间，故缺陷波F应处于丁与 之问。如果探伤仪的时基线良好，就可以利用 ， ’，B之问的距离关系，对缺陷定位? 另外，因缺陷 波高度日是随缺陷的增大而增高的。所以可山缺陷回波高度 来估计缺陷大小： 当缺陷很大时，可以移动探头，按显示缺陷的范围来求出缺陷的延伸尺寸：

　　斜射探伤法超声波的垂直入射纵波探伤和倾斜入射的横波探伤是超声波探伤中两种主要探伤方法，两种方法的用途互为补充，纵波探伤主要能发现与探测面平行或稍有倾斜较大的缺陷，主要用于钢板，锻件、铸件的探伤，而斜射的横波探伤，主要能发现垂直于探测面或倾斜较大的缺陷，主要If干j于焊缝的探伤一在斜射法探伤中，由于超声波在被检物中是斜向传播的，超声波是斜向射到底面，所以不会有底面回波 因此，不能再用底面叫波调节来对缺陷进干亍定位：而要知道缺陷位置，需要用适当的标准试块来把示波管横坐标调整到适当状态 为了这个目的，可采用CSK—IA和CSK一ⅢA试块 j

超声波探伤的试块

试块的用途在无损检测技术中，常常采用与已知量相比较的方法来确定波检物的状况。例如在射线探伤中，是以透度计(像质计)的影像作为比较的依据。 超声波探伤中是以试块作为比较的依据 试块上有各种已知的特flf=，例如它具有特定的 寸，以造成固定的声学特性，或者它带有人工缺陷(某一尺寸的平底孔、凹槽、狭缝等)：用试块作为调= 仪器、定量缺陷的参考依据，是超声波探伤的一个特点。超声波探伤的发展，与试块的研制、使用足分不开的。 ，试块在超声波探伤中的用途主要有3方面：

　　确定合适的探伤方法。在超声波探伤中，可以应用在某个部位有某种人工缺陷(平底孔、槽等)的试块来摸索探伤方法 在这种试块上摸到了探伤规律和方法，也可应用到与试块同材质、同形式、同 寸的] 件探伤 中去。

　　确定探伤灵敏度和评价缺陷大小。对于不同种类，不同厚度、不同要求的工件，需要不同的探伤灵敏度。为了确定探伤时的灵敏度，就需要带有各种人工缺陷的试块，用人工缺陷波的波高来表示探伤灵敏度，这是试块常用的一种方法。为了评价工件中某一深度处缺陷大小，用试块中同一深度各种尺寸大小人工缺陷相比较，同深度、同波高的人工缺陷与同深度，同波高的缺陷相当，这就是垂直探伤中应用的缺陷当量法。

　　校验仪器和测试探头性能。用电子仪器来测量超声波仪的性能，往往测的是仪器的电气性能，而超声波探伤是用声波来探伤的，声学性能和超声波探伤的实际性能怎样，往往需要采用试块来分别测试仪器、探头的性能，或者是测试仪器和探头连接在一起的综合性能。

　　试块的种类根据试块的用途，作为常用的试块有三大类：

　　调节仪器及测试探头的试块，如CSK一1A试块;

　　纵波探伤用试块;

　　横波探伤用试块。

　　超声波探伤的操作现以超声脉冲反射法A显示单探头、直接接触纵波探伤法的操作要点叙述如下。

　　选定探伤时间。根据要达到的检测目的，选择适当的探伤时间，为了估计锻造后可能产生的锻造缺陷，应在锻造后对锻件进行单探头垂直探伤。

　　选定探伤方法。根据工件情况，选定探伤方法，如对轴类锻件探伤，选用单探头垂直探伤法。

　　探伤仪器的选定。这是操作的第3步，探伤方法确定后，根据探伤 方法及工件情况，选定能满足工件探伤要求的探伤仪去探伤。

　　探伤方向的选定。进行超声波探伤时，探伤方向很重要，探伤方向应以能发现缺陷为准。应由缺陷的种类和方向来决定，如轧制钢板中，钢板内的缺陷是沿轧制方向伸展的，缺陷在板厚方向看到的投影面积大。因此，钢板用垂直探伤时，沿钢板表面进行探伤，使超声波束垂直投射在缺陷大的面积上，这样缺陷回波大。

　　频率的选择。根据工件的厚度和材料的晶粒大小，合理的选择探伤频率，例如对粗晶的探伤，不宜选用高频，因为高频衰减大，往往得不到足铁道机车车辆工人够的穿透力。

　　晶片直径，折射角的选定。根据探伤的目的，合理选用晶片尺寸和折射角。如焊缝的单斜探头探伤主要用35。～70。的折射角。在板厚大或没有加强层时，用小折射角，板厚小或有加强层时，用大折射角。

　　探伤面及其修整。不符合探伤要求的探伤表面，须进行适当的修整，以免不平整的探伤面影响探伤灵敏度和探伤结果。

　　耦合剂和耦合方法的选择。为使探头发射的超声波传人试件，应使用合适的耦合剂。例如对粗糙表面进行探伤时，应选用粘性大的水玻璃或浆糊作耦合剂;手工探伤时，为保持耦合稳定，要用手或重物加上1～2 kg 的力，为使耦合稳定，在曲面上探伤时，探头可装上弧形导块。

　　确定探伤灵敏度。用标准试块将人工缺陷试件或无缺陷底面调节到一定的波高，确定探伤灵敏度。

　　进行粗探伤和精探伤。为了大概了解缺陷的有无和分布状态，以规定的探伤灵敏度或高一倍的灵敏度进行粗探伤。对粗探伤发现的缺陷进行定性、定量、定位，就是精探伤。

(写出检验报告。根据有关标准，埘探伤结果进行分级、评定，写出检验报告。

　　超声探伤特点

　　超声波探伤的应用范圈超声波探伤应用范围很广，不但应用于板、管材原材料的探伤，也应用于加工产品锻件、铸件、焊接件的探伤。在探伤时，要注意选择探头的扫描方法，要使声波尽可能垂直地射向缺陷面。根据被榆物加工情况，一般可以估计出缺陷的方向和大致部位。因此，可以根据缺陷的部位和方向，探伤前就应研究选择合适的探伤方法。

　　超声波探伤的特点

　　对面状缺陷超声波探伤对于平面状缺陷，不管其厚度怎么薄，只要超声波是垂直地射向它，就可以取得很高的缺陷回波。但对于球形缺陷，如缺陷不是相当大，或者不是较密集的话，就不能获得足够的缺陷回波。因此，超声波对钢板的分层及焊缝中的裂纹、未焊透等缺陷的检出率较高，而对于单个气孔则检出率较低。

　　探测距离大。在超声波探伤中，如果被检物金属组织晶粒细的话，超声波可以传到相当远的距离，因此对直径为几米的大型锻件也能进行内部探伤，这是别的无损检测方法所不能比拟的。

　　探伤装置小型、轻便、探伤费用低。超声波携带型装置，体积小，重量轻，便于携带到现场探伤，检测速度较快，探伤中只消耗耦合剂和磨损探头，总的检测费用较低。

　　探伤结果不直观，无客观性记录，对缺陷种类的判断需要有高度熟练的技术。超声波探伤是根据荧光屏上波形进行判断的，缺陷的显示不直观，探伤结果是探伤人员通过波形分析后判断出来的，而且这些探伤波形图像，随着探头的移动，图像也跟着变化，不能作为持久记录。超声波探伤的这个缺点，限制了它的应用。目前各国都在发展图像化超声波探伤，但还未取得突破性进展，期待不久的将来一种直观性强，可以记录的图像的超声波探伤仪诞生。

　　超声波探伤在铁道机车车辆工艺中的应用铁道行业开展超声波检测始于2O世纪5O年代。几代无损检测人员通过半个多世纪的努力，超声波检测技术已成为铁道机车车辆关键零部件质量检测至关重要的手段。 超声波检测装备由过去的模拟仪器发展为自动存储、具打印功能的数字仪器，而且自动化超声波检测装备逐渐替代手工操作;由过去的工艺试验逐步应用于机车车辆所有关键零部件，如：新造车轴超声波检测、检修轮轴 (厂修和段修)超声波检测、焊接构件焊缝超声波检测、铸钢摇枕、侧架超声 波检测、锻造曲轴超声波检测、铸铁制动盘超声波检测、车轮及轮箍超声波检测、轴瓦粘接质量超声波检测、高磷闸瓦超声波检测、动车空心轴超声波检测和钢轨超声波检测等等。正是由于超声波检测技术的广泛应用及快速发展，保证了铁道机车车辆的运输安全。