動(dòng)車組空心車軸內(nèi)部材質(zhì)缺陷超聲波探傷靈敏度量值傳遞體系研究*

畢 超，胡祺昆，黃永巍，周慶祥，田新革

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2 中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；3 大秦鐵路股份有限公司 太原車輛段，太原 030045）

動(dòng)車組空心車軸是走行部的關(guān)鍵部件，在制造、組裝和運(yùn)用過程中，難免出現(xiàn)各種危害型缺陷和失效傷損，極大地威脅著動(dòng)車組的運(yùn)行安全［1］。動(dòng)車組列車檢修過程中需采用超聲波的方法對(duì)空心車軸進(jìn)行檢測(cè)［2］。探傷前，操作人員首先在對(duì)比試樣軸上進(jìn)行探傷靈敏度的校準(zhǔn)；探傷時(shí)，車軸處于不解體狀態(tài)（車軸裝配在車體上），將裝有超聲波探頭（雙晶縱波探頭和橫波斜探頭）的專用掃查裝置伸入到空心軸內(nèi)孔中，以空心軸內(nèi)孔面為檢測(cè)面，在掃查裝置的帶動(dòng)下，探頭在內(nèi)孔中作螺旋型掃查［3-5］，檢測(cè)的主要對(duì)象為空心軸內(nèi)部材質(zhì)缺陷（體積型缺陷）和外表面的疲勞裂紋（面積型缺陷）［6-9］。由于我國動(dòng)車組應(yīng)用時(shí)間較短，動(dòng)車組空心車軸超聲波探傷一定程度上存在對(duì)比試樣軸人工缺陷設(shè)置不合理、探傷靈敏度量值傳遞體系不科學(xué)等問題，常常造成質(zhì)量爭(zhēng)議，具體表現(xiàn)為：

（1）現(xiàn)行規(guī)程所規(guī)定的對(duì)比試樣軸上僅有1 個(gè)φ2 mm 平底孔［10］，用于內(nèi)部材質(zhì)缺陷的定量，評(píng)價(jià)方法不科學(xué)。

（2）由于對(duì)比試樣軸加工企業(yè)的工藝及設(shè)備不同，加工精度不能得到有效保證，導(dǎo)致不同對(duì)比試樣軸上同一人工缺陷的超聲波反射波高差異較大，缺少嚴(yán)格的靈敏度量值傳遞體系［1］。針對(duì)以上問題，對(duì)動(dòng)車組空心車軸內(nèi)部材質(zhì)缺陷超聲波探傷定量方法及靈敏度量值傳遞體系進(jìn)行了研究。

1 動(dòng)車組空心車軸內(nèi)部材質(zhì)缺陷超聲波探傷缺陷定量方法研究

根據(jù)超聲波理論，超聲波探頭的近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度按照式（1）和式（2）［11］計(jì)算：

式 中：c為 超 聲 波 速 度，5.9×106mm/s；f為 頻 率，MHz。

式中：N為近 場(chǎng) 區(qū)長(zhǎng)度；D為探 頭 晶片尺寸；λ為 波長(zhǎng)，mm。

動(dòng)車組空心軸超聲波探傷時(shí)，采用縱波探頭檢測(cè)內(nèi)部材質(zhì)缺陷，常用探頭中心頻率為2 MHz～5 MHz［12］，文中探頭頻率分別取2.5、4、5 MHz，晶片尺寸取φ20 mm，則近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度N和3 倍近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度3N，根據(jù)式（1）和式（2）可計(jì)算得到具體數(shù)值，見表1。

表1 空心軸探傷常用探頭N 和3N 值

當(dāng)前動(dòng)車組空心車軸主要有φ30 mm、φ40 mm、φ60 mm、φ65 mm 4 種內(nèi)孔直徑，由于結(jié)構(gòu)不同，不同類型的空心軸各部位直徑不同，具體尺寸范圍見表2。

表2 動(dòng)車組空心車軸典型部位直徑

以標(biāo)準(zhǔn)型動(dòng)車組動(dòng)力軸為例，內(nèi)孔直徑φ30 mm，齒輪座處直徑為207 mm。縱波探傷時(shí)，最大聲程為88.5 mm，小于2.5 MHz 探頭3 倍近場(chǎng)距離126.9 mm。

不同頻率和晶片尺寸的超聲波探頭近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度不同，可根據(jù)式（1）計(jì)算出頻率在2 MHz～5 MHz 之間，晶片直徑在φ10 mm～φ20 mm 范圍內(nèi)（動(dòng)車組空心軸探傷所用探頭頻率和晶片尺寸主要在這一范圍）的縱波探頭近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度。容易驗(yàn)證，大部分探頭的檢測(cè)距離小于3 倍近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度。現(xiàn)行探傷工藝中，對(duì)比試樣軸上僅有1 個(gè)φ2 mm 平底孔，發(fā)現(xiàn)缺陷后，依據(jù)此平底孔反射回波幅度，通過理論計(jì)算的方法，來評(píng)價(jià)缺陷的當(dāng)量大小，計(jì)算公式為式（3）［6］：

式中：P為回波聲壓值或回波幅度；x為缺陷距探頭距離；D為缺陷當(dāng)量直徑。

根據(jù)超聲波探傷理論，此方法適用于缺陷聲程大于3 倍近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的情況。對(duì)于聲程小于3倍近場(chǎng)區(qū)長(zhǎng)度的缺陷，需使用人工缺陷試塊，實(shí)測(cè)得到DAC 曲線，依據(jù)DAC 曲線對(duì)缺陷進(jìn)行定量，故文中擬研制標(biāo)準(zhǔn)試塊，實(shí)現(xiàn)DAC 曲線的制作，通過DAC 曲線對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。

2 標(biāo)準(zhǔn)試塊材質(zhì)選擇

超聲波探傷時(shí)，所用標(biāo)準(zhǔn)試塊要求與被檢材料具有相同或相近的聲衰減特性。目前動(dòng)車組空心 軸 材 質(zhì) 主 要 有S38C、EA4T、30CrNi、DZ2 等4種［13］，為確定4 種材質(zhì)的縱波聲衰減特性，進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。

2.1 聲衰減系數(shù)測(cè)試

2.1.1 測(cè)試對(duì)象

取上述4種車軸材質(zhì)制作聲衰減測(cè)試用試塊，試塊外形如圖1所示，尺寸為120 mm×80 mm×40 mm。

圖1 聲衰減測(cè)試用試塊

2.1.2 測(cè)試器材

通用數(shù)字式超聲波探傷儀器、縱波超聲探頭（2.5P20Z 和5P20Z）。

2.1.3 測(cè)試方法

（1）連接數(shù)字式超聲波探傷儀和縱波探頭，調(diào)節(jié)儀器參數(shù)，并在CSK-1A 試塊上調(diào)節(jié)儀器，按深度1∶1 調(diào)節(jié)儀器時(shí)基掃描。

（2）將探頭分別放置于S38C、EA4T、30CrNi、DZ2 材質(zhì)試塊的A、B、C 面上，記錄第m、n次底波分貝差Vm-n，按式（4）［2］計(jì)算衰減系數(shù)。

式中：Vm-n為表示試塊第m次與第n次底面回波幅值的分貝差（n＞m）；α為材料的單程衰減系數(shù)，單位dB/mm；20lg為修正項(xiàng)；T為測(cè)試面距離底面的距離。

2.1.4 測(cè)試結(jié)果

2.5P20Z 縱波探頭測(cè)試結(jié)果見表3，5P20Z 縱波探頭測(cè)試結(jié)果見表4。

表3 縱波2.5P20Z 探頭聲衰減系數(shù)測(cè)試結(jié)果

表4 縱波5P20Z 探頭聲衰減系數(shù)測(cè)試結(jié)果

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知：

（1）同一頻率縱波下，4 種材質(zhì)在相同入射方向上，聲衰減系數(shù)基本一致，最大差值不超過0.002 dB/mm；

（2）不同頻率縱波下，4 種材質(zhì)在不同測(cè)試方向上，聲衰減系數(shù)存在差別，但在較短聲程范圍內(nèi)（實(shí)際檢測(cè)時(shí)，縱波聲程一般為100 mm 左右），差值較小。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)試塊材質(zhì)確認(rèn)

由試驗(yàn)結(jié)果可知，4 種空心車軸材質(zhì)在相同方向上的縱波聲衰減差異較小，因此標(biāo)準(zhǔn)試塊可采用4 種空心軸材質(zhì)中任何一種制作，鑒于EA4T 材料應(yīng)用最為廣泛，故可采用EA4T 材料制作標(biāo)準(zhǔn)試塊。

3 動(dòng)車組空心車軸內(nèi)部材質(zhì)缺陷超聲波探傷標(biāo)準(zhǔn)試塊設(shè)計(jì)

綜上所述，動(dòng)車組空心軸超聲波探傷宜采用DAC 曲線的方法對(duì)內(nèi)部材質(zhì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，故需設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)試塊用于DAC 曲線的制作，設(shè)計(jì)原則為：

（1）標(biāo)準(zhǔn)試塊要為空心軸結(jié)構(gòu)，能與動(dòng)車組空心車軸探傷設(shè)備進(jìn)行匹配，且試塊聲程范圍要涵蓋當(dāng)前所有動(dòng)車組空心軸探傷的最大聲程。

（2）根據(jù)試塊設(shè)計(jì)慣例，用平底孔模擬空心軸內(nèi)部材質(zhì)缺陷，具備至少5 個(gè)聲程，滿足制作DAC曲線的聲程要求。

基于以上原則，設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)試塊，以內(nèi)孔直徑φ30 mm 空心車軸標(biāo)準(zhǔn)試塊為例，其余型號(hào)空心車軸標(biāo)準(zhǔn)試塊與其相似。試塊為多級(jí)空心圓柱形結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)650 mm，由外徑不同的6 個(gè)空心圓柱形臺(tái)階組成，6 個(gè)臺(tái)階外徑依次為120、130、160、220、200、180 mm，涵蓋當(dāng)前動(dòng)車組空心軸的最大直徑尺寸范圍，每個(gè)臺(tái)階縱向中間位置加工有1 個(gè)φ2 mm 平底孔，1～6 號(hào)平底孔底部距離空心軸內(nèi)孔表面距離依次為5、10、30、50、70、90 mm，標(biāo)準(zhǔn)試塊如圖2 所示。使用該試塊，動(dòng)車組空心軸超聲探傷設(shè)備只需一次掃查，即可完成縱波探頭DAC曲線的繪制。

圖2 動(dòng)車組空心軸內(nèi)部材質(zhì)缺陷超聲波探傷靈敏度校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)試塊圖

4 靈敏度量值傳遞體系建立

4.1 基準(zhǔn)試塊與標(biāo)準(zhǔn)試塊制作

首先制備基準(zhǔn)試塊，基準(zhǔn)試塊外形與標(biāo)準(zhǔn)試塊一致，各項(xiàng)參數(shù)（人工平底孔直徑、孔底平整度）優(yōu)良，用于標(biāo)準(zhǔn)試塊出廠前的校準(zhǔn)與標(biāo)定。所有標(biāo)準(zhǔn)試塊出廠前需進(jìn)行測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)試塊上任一人工缺陷反射回波幅值與該基準(zhǔn)試塊對(duì)應(yīng)的人工缺陷反射回波幅值須在±2 dB 范圍以內(nèi)，否則該標(biāo)準(zhǔn)試塊作廢。

4.2 DAC 曲線繪制及探傷靈敏度確定

探傷前，探傷人員操作探傷設(shè)備，使用標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行DAC 曲線的繪制和靈敏度調(diào)節(jié)。操作方法為：開啟探傷機(jī)DAC 曲線繪制功能，使雙晶直探頭主聲束依次對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)試塊上1～6 號(hào)平底孔，調(diào)節(jié)探頭位置，使人工缺陷反射回波最高，調(diào)節(jié)“增益”按鈕將反射回波幅值調(diào)至滿屏的80%，記錄此時(shí)的增益值，將該點(diǎn)作為DAC 曲線的一個(gè)采樣點(diǎn)；依次類推，完成所有采樣點(diǎn)的測(cè)試，得到DAC 曲線，再根據(jù)空心車軸內(nèi)孔表面狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)增益值補(bǔ)償，得到探傷靈敏度；靈敏度調(diào)節(jié)完成后，采用一種帶有人工缺陷的實(shí)物對(duì)比試樣軸，對(duì)調(diào)節(jié)完成的靈敏度進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證之后即可進(jìn)行實(shí)物車軸的探傷。

4.3 量值傳遞體系建立

通過以上措施，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組空心車軸探傷靈敏度量值的傳遞，量值傳遞體系如圖3 所示。利用此傳遞體系，可在試塊制作源頭和靈敏度量值傳播路徑上有效控制靈敏度精度，最大范圍內(nèi)確保各探傷單位執(zhí)行相同的靈敏度標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 動(dòng)車組空心車軸內(nèi)部材質(zhì)缺陷超聲波探傷靈敏度量值傳遞體系

5 結(jié) 論

（1）指出了目前動(dòng)車組空心車軸內(nèi)部材質(zhì)缺陷超聲波探傷時(shí)，檢測(cè)區(qū)域主要位于探頭的3 倍近場(chǎng)區(qū)范圍之內(nèi)，現(xiàn)行缺陷定量方法不合理和缺少嚴(yán)格的靈敏度量值傳遞體系的問題。

（2）試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，4 種空心車軸材質(zhì)在相同方向上縱波聲衰減系數(shù)相近，可選取EA4T 材質(zhì)進(jìn)行空心車軸標(biāo)準(zhǔn)試塊的制作。

（3）設(shè)計(jì)了用于動(dòng)車組空心車軸內(nèi)部材質(zhì)缺陷超聲波檢測(cè)DAC 曲線繪制的標(biāo)準(zhǔn)試塊。

（4）建立了空心車軸探傷靈敏度量值傳遞體系，該體系的建立，可在試塊制作源頭和靈敏度量值傳播路徑上有效控制靈敏度精度，最大范圍內(nèi)確保各探傷單位執(zhí)行相同的靈敏度標(biāo)準(zhǔn)，有助于優(yōu)化動(dòng)車組空心車軸探傷工藝、規(guī)范探傷作業(yè)。