浅谈轴类零部件的超声波无损检测技术

[摘 要]超声波检测是无损检测技术中的一个重要分支，是目前应用最为普遍和广泛的无损探伤技术。超声波无损探伤技术推动了工业进步，带动了社会发展，而且它将是未来全世界的一个重要科研课题。本文将通过对超声波无损检测技术的阐述与分析，重点研究超声波探伤技术在轴类零件中的运用。

[关键词]轴类，超声波，探伤，检测，车轴

中图分类号：TB 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2015）35-0051-01

一、前言

超声波无损检测技术是现代工业生产中应用非常广泛的一种探伤方法，目前已经广泛应用于矿山冶金、石油化工、机械制造、舰艇船舶、航空航天、汽车、铁路、建筑以及核能等工业领域。随着科学技术的发展，社会对工业产品的质量提出了高标准要求，尤其是轴类等核心的关键零部件的质量问题往往会造成重大的事故及巨大的经济损失和创伤，这也加强了人们对无损检测诊断技术的迫切需求和认可，各行各业已经意识到了无损检测诊断技术的重要意义。而且无损检测技术已经逐渐发展完善成为一门专门的独立的综合性学科，培育出一大批超声波无损检测技术人员和工程师，取得了显著的经济效益和社会效益。

二、超声波的基本特性及超声检测基本原理

物理学中解释，超声波的频率大于20KHZ，而且是一种能够在连续介质中传播的弹性机械波。这一特性决定了超声波在无损检测领域中的运用。而超声波检测技术则是无损检测技术中的一种非常重要的理论和方法，这正是由超声波独特的特性所决定的，这些特性包括：良好的方向性，强大的穿透能力，以及能量高等特性；而且，遇有界面时，超声波将发生反射、折射和波型的转换。研究人员巧妙地利用超声波的这些物理特征，通过研究分析和精心设计，大幅度提高了超声检测技术的灵活性，提高了超声波检测的精确度，推动了超声波检测技术的迅速发展。超声波对人体无害，而且其具有适应性强、检测灵敏度高、设备轻巧、使用灵活、检验速度快、能及时得到探伤结果等优点，非常适合在车间、野外和水下等各种环境下工作，更重要的是能够对运行中的设备设施和装置进行检测和诊断。

研究超声波检测技术的基本原理之前，我们先简要概述一下超声波的基本性质：超声波频率范围位于20000HZ以上，其本质是机械波，其传播需要弹性介质。通常用于探伤检测的超声波主要有横波、纵波、表面波、板波等类型，其中最常用的则是纵波直探头探伤和横波斜探头探伤两种类型。再细化分析，纵波一般用于探测钢板、锭材、大型锻件等形状比较简单的产品，而横波则常用来检测焊缝、管材等形状比较复杂的制品等。

综上所述，超声波探伤技术就是利用超声波在被探测物体中传播所反馈的一些物理特性和现象，来发现物体内部存在缺陷或不连续性的一种方法。其基本过程是：首先，通过激励超声发射换能器产生超声波，随后超声波进入工件内部进行传输，然后再通过超声接收换能器将工件中经过被检测材料自身或缺陷所反射、折射、衍射、散射的入射波转换成接收信号信息，紧接着再对接收到的信号进行分析，判断出缺陷类型或材料特性信息。超声波无损检测技术的种类很多，根据超声波的耦合方式大致可以分为接触法和液浸法两大类，而按照声波的传播方式则可以分为反射法和透射法两种；按超声波激励方式可分为脉冲波、连续波和调频波等探伤方法；按波形分又可分为纵波、横波、表面波和板波等。

三、超声波无损检测技术在轴类零部件中的应用

轴类零部件是设备运行的关键核心部位，其缺陷往往会引起事故，造成重大的经济损失。轴类零件中最典型的是车轴，而车轴属于锻造产品，其无损探伤环节具有十分重要的意义。

一般而言，车轴沿着其长度方向可能产生缺陷的几个部位视其设计和使用方式而定，考虑到在某几处较为典型的疲劳裂纹部位有可能产生各种虚假的回波，因此会使轴的超声波检测程序趋于复杂化。根据经验分析，车轴类零部件在超声波检测中所存在的问题往往与一些加工有台阶或过渡圆弧的轴类相类似，同时又与通过热压配合组装的齿轮、轴承、车轮的长轴等产品具有共同之处，这都为我们研究轴类零部件的超声波无损检测技术提供了大量的数据。车轴锻造后经调质处理，在轴长方向两边对称分别加工有轴承坐、车轮坐、齿轮座等部件；而具有高速性能的空芯火车轴，其外表面一般要经过高频淬火这一工艺，因有压缩的残余应力存在，所以在产生小裂纹时，也不允许产生扩展。通过试验，业内有人证实过：轴类零部件的人工缺陷在3mm以内时，若进行疲劳试验则不会出现缺陷的扩展。由于车轴在运行中受到往复弯曲应力的作用，在压合部位内侧和外侧环状带极容易产生出一定角度的疲劳裂纹，因此这是超声波检测时必须检测的重点内容。由于此时最容易产生疲劳裂纹的部位是车轴和车轮压装部位两端的两个环状带区域，据统计，在役车轴压装部位的疲劳裂纹90%以上都出现在离外沿10～35mm和离内沿5～30mm的两条环状带中，这些疲劳裂纹的平面多与轴侧面的法线呈10～25°的夹角，有规律的由外侧向内和由内侧向外倾斜，这是由疲劳裂纹总是首先向体应力变化较大的方向发展这一规律所决定的。另外，有些超声波作为车轴探伤时的干扰回波，需要注意区分开，主要包括由车轴的复杂形状所形成的固有波、车轮等压装部位所产生的压入波、车轴的涂层部位所形成的涂层波、腐蚀波、轮心反射波等。

四、关于实芯轴的超声波探伤装置的研究分析

实芯轴的超声波探伤分为三种：（1）轴端用直探头，主要用于做贯穿式透声检查；（2）轴端用小角度探头，主要用于做纵波斜射检测轮轴压合部位的外侧和内侧检测，或者用斜探头在轴承座上检测压合部位外侧检测；（3）第三种方式则是二者的组合使用。无论是垂直探伤还是小角度纵波斜射探伤，都是在轴的端部进行的，探伤时需要将轴或者将探头旋转进行360°的探伤。端部垂直探伤除了检测产生于表面的疲劳缺陷和产生于芯部的各种缺陷外，还负责车轴的透声性检查，这种透声检查能够通过与标准试块的底波比较检测车轴的热处理状态、晶粒度、机械性能强度等，所以我国对车轴的透声检查都有严格的标准。

轴类零件在进行局部探伤时，其缺陷容易产生在压装部位，世界较为先进的做法是将有一定折射角的聚束斜探头紧贴轴的端面，首先用已知缺陷比较得出合适的检测灵敏度，再进行实际探伤。但是，车轴的种类很多，因此有必要在探头架上安装不同的折射角探头。探头离开轴端面的距离越远，则其探伤的灵敏度越低，根据轴的形状不同在某些部位还存在着探测不到的地方等问题。这种方法局部探测车轴时，多采用与车轴配合好的聚束斜探头，用其折射声束瞄准压合部位被探区，以车轴旋转探头的固定方式进行探伤。一般场合可以使用2～5MHz的探测频率，探测时对探头或车轴的转动每次以5～10°的节距为最佳标准，逐次获取数据，对探伤波形以3次元表示，以便于进行FFT分析。

五、结束语

随着现代工业与科学技术的迅速发展和革新，超声波无损检测技术在工业领域的装备运行、产品质量检验、产能提升以及降本增效等各个环节都发挥着巨大的作用和影响。美国等工业发达国家，明确将无损检测诊断技术列为其技术革新的重要课题，不惜花费巨大投资来大力推动无损检测技术的科技创新与推广应用。

参考文献

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