1、火車車輪超聲波探傷摘要:本文介紹了火車車輪超聲波A掃描和C掃描探傷，并對C掃描探傷的原理、方法和過程進行了詳細的介紹。對于C掃描探傷的直接接觸法與水浸法兩種方法進行了比較，水浸法探傷在探測不同取向缺陷、較薄試件、靈敏度、分辨率、探頭壽命和可靠性方面具有較大優(yōu)勢。對于超聲波A掃描和C掃描探傷的優(yōu)缺點進行了比較。關鍵詞:火車車輪超聲波探傷C掃描常規(guī)車輪檢測主要是以A掃描為主,A掃描探傷是基本的探傷方式,其米用脈沖反射幅度法檢測缺陷。A掃描只能反應基本信息且與技術人員的經(jīng)驗有極大關系。常規(guī)超聲波檢驗主要分為在線檢測和離線檢測兩種。自動車輪探傷工序如圖1所示。設備采用耦合接觸法超聲波探傷，車輪內側面和

2、踏面分別布置一組組合式耦合接觸式雙晶探頭，聲束覆蓋各掃查面寬度。工件經(jīng)過拋丸處理后由輥道進入檢測托輥，穩(wěn)定后工件轉動,實現(xiàn)探頭對工件軸向和徑向的掃查，檢測人員觀察屏幕及各通道指示燈，發(fā)現(xiàn)有缺陷紅燈指示時切換屏幕顯示，轉動工件仔細確認缺陷，并填寫檢驗結果，檢查完畢，車輪經(jīng)輥道進入下一檢測工序。1車輪超聲C掃描探傷C掃描實現(xiàn)了材料檢測的自動化，使檢測結果呈直觀的圖像顯示超聲C掃描具有良好的穿透性，對缺陷具有較高的靈敏度和可靠性;C掃描可以獲得材質內部缺陷、損傷的大量信息，甚至可以對工件的整體品質做一定的質量評估12。1956年在美國的加里福尼亞的派拉蒙研究出世界上第一臺超聲波C掃描檢測儀器,C掃描

3、技術很快推廣應用到材料內部缺陷的檢測上。超聲波C掃描提取垂直于聲束指定截面(即橫向截面像)的回波信息合成二維圖像，可獲取不同截面的信息，因此被廣泛應用34,超聲C掃描過程如圖2所示。在水浸式C掃描成像中，超聲探頭得移動是二維掃描即要沿x方向掃描,又要沿z方向掃描。為獲得某一與聲束軸線垂直的斷面在y=yO的圖像，掃描聲束應聚焦與該平面，并從換能器接收到的散射信號中選取對應于y=y0處的信號幅度，調制圖像中與物體坐標(x,z)相應像素的亮度，以獲得y=yO截面的圖像。改變掃描聲束聚焦的平面，即可獲得物體不同深度的C掃描截面圖像5。超聲C掃描技術是將超聲檢測與電腦控制系統(tǒng)相連接，利用電腦進行數(shù)據(jù)采集

4、、存貯、處理、圖像顯示集合在一起的技術。超聲波C掃描系統(tǒng)使用電腦控制探頭在工件上掃查，把工件內部C掃描的反射波強度作為輝度變化并連續(xù)顯示出來，可繪制工件內部缺陷的橫截面圖形。超聲波C掃描系統(tǒng)由機械傳動機構、C掃描控制器、超聲波C掃描檢測儀以及PC微機系統(tǒng)四部分組成。檢測時數(shù)據(jù)的獲取、處理、存貯與評價都是在每一次掃描的同時，由電腦在線實時進行。共有兩個信號輸入計算機處理：一個是探頭所處位置的信號，一個是來自超聲波檢測儀描述超聲波振幅的模擬信號。這兩個信號經(jīng)過A/D轉換，模擬信號轉化為數(shù)字信號后輸入電腦，然后由掃描模式產(chǎn)生一個確定其尺寸的數(shù)據(jù)陣列，圖形顯示這個區(qū)域范圍內數(shù)據(jù)陣列里每個點在顯示器上顯

5、示為一個像素。圖形可以有多種顏色分級顯示，代表不同的dB數(shù)，在每次掃描結束時，計算機可通過軟件自動完成對每一種顏色和顯示的面積的像素數(shù)的統(tǒng)計。對顯示的掃描圖像作相應的解釋，對缺陷進行評定67。超聲波C掃描是記錄來自“A掃描”的數(shù)據(jù)和信息的二維平面圖。在C掃描上所示的所有信息首先在示波器上顯示，而后由C掃描顯示器上顯示出來。在示波器上有控制輸出信號的閘門電路，檢測人員確定采集所需信號，可轉化成為衡量材料質量的信息，并將其顯示在C掃描記錄上8。超聲波C掃描檢測系統(tǒng)，其系統(tǒng)配置主要包括以下四個模塊：(1)機械掃查結構；(2)運動控制硬件和軟件;(3)數(shù)據(jù)采集分析硬件和軟件；(4)其他相關儀器。超聲波

6、C掃描檢測系統(tǒng)主要由傳感器、檢測儀、機械掃描機構、信號采集單元、控制系統(tǒng)以及成像顯示單元組成，如圖3所示。其工作原理是：當被檢物體內部的均勻性發(fā)生變化時(例如車輪內部存在夾雜等缺陷),聲波將會改變其原有的傳播規(guī)律，這種變化被換能器接收，其信號以回波形式通過A/D轉換成為數(shù)字信號。通過提取其中與缺陷有關的特征參量，建立缺陷識別模式，將被檢測部分的檢測結果以不同顏色顯示出來。超聲波自動C掃描成像檢測通過設計專門的掃描機構，在控制系統(tǒng)的作用下，自動地完成對被檢測材料或績構上每二點的覆蓋掃描、同時以波形和圖像實時顯示被檢測結構的內部質量9。超聲波C掃描探傷技術，由于其具有自動化程度高，檢測結果直觀可靠

7、，檢測結果便于永久保存，這都為缺陷的定量、定性、定位的最終判定提供了有利的判定依據(jù)。利用高頻超聲波具有波長短、方向性好及分辨率高等特點對車輪進行C掃描實驗，可對微小缺陷（例如非金屬夾雜物）進行檢測。利用A掃描中缺陷波的深度位置及C掃描中缺陷距試樣邊界距離進行定位，同時,C掃描圖像可再現(xiàn)單個大顆粒夾雜物或小夾雜物團重疊的形貌。此外，利用超聲波C掃描功能可獲得車輪試樣的超聲層析成像，進而獲得缺陷的具體形狀和精確尺寸，這就為車輪的安全評定，壽命評估和有限元應力計算等提供了準確的預測依據(jù)。對于車輪探傷，在掃描方式上選擇水浸式，這樣與超聲波C掃描技術有利的結合起來。超聲波探傷有很多方法，按耦合方式分類可

8、分為:直接接觸法與水浸法兩種。其中直接接觸法是最為常見的探傷方法其具有方便靈活、耦合層薄、聲能損失少等優(yōu)點。然而，實際探傷時由于探頭上所施加壓力大小、耦合層厚度、接觸面積大小、工件表面情況均難以控制，因此，它們的綜合影響難以估量；再則,直接接觸法使探頭容易磨損，檢測速度慢，因此對于諸如車輪，宜采用水浸法探傷。其有如下幾點優(yōu)勢：探頭和試件不接觸，超聲波的發(fā)射和接收都比較穩(wěn)定。試塊表面粗糙度的影響在水浸法中也存在，但粗糙表面引起的聲能損失比接觸法小的多。通過調節(jié)探頭角度，可方便地改變探頭發(fā)射的超聲束的方向,從而很容易地實現(xiàn)斜射聲束檢測，以及沿曲面或不規(guī)則表面進行的掃查，對于獲得不同取向缺陷的最大回

9、波高度也是有利的。由于表面回波寬度比發(fā)射脈沖寬度窄，可縮小檢測盲區(qū)，從而可檢測較薄的試件。由于探頭不直接接觸試件，探頭損壞的可能性較小，探頭壽命較長。便于實現(xiàn)聚焦聲束檢測，滿足高靈敏度、高分辨率檢測的需要。探頭可以在機械系統(tǒng)驅動下運行，便于實現(xiàn)自動檢測，減少影響檢測可靠性的人為因素。2車輪探傷方法的比較就當前國內的常規(guī)車輪超聲波探傷技術應用情況來看，常規(guī)超聲波無損檢測技術雖然己經(jīng)被廣泛地應用于車輪檢測，對質量控制和在線實時檢測都具有重要的作用和影響；但是常規(guī)波形檢測結果對檢測人員的依賴性都還很強，并且都還存在著一些難以克服的困難和缺陷，例如：通常要有熟練的技術技能，對結果做出說明及解釋。因此，

10、在相互關系未經(jīng)證明的情況下，可能存在不同人員對結果看法不統(tǒng)一。外界環(huán)境的溫度、濕度、粉塵、振動、噪音以及磁、電場和儀器本身內部的各種干擾都會對檢測結果產(chǎn)生影響。超聲無損檢測還大部分是采用常規(guī)的A型脈沖反射法技術，存在不直觀、判傷難、無記錄、人為因素影響大等缺點，嚴重影響著超聲檢測結果的可靠性。通過上面對不同車輪超聲探傷方法的介紹，不難看出超聲波C掃描檢測技術巨大技術優(yōu)勢，較之常規(guī)超聲探傷技術，高頻超聲波C掃描檢測技術的優(yōu)點可總結如下：采用水浸式探傷方式，大大提到了自動化檢測的程度，其檢測的精度、檢測的效率也大幅提高。利用高頻超聲波波長短、方向性好及分辨率高等特點，可更好的再現(xiàn)缺陷的形貌以及缺陷

11、在車輪中的分布情況。調節(jié)探頭入射角度，可實現(xiàn)對車輪關鍵部位的檢測，避免了常規(guī)超聲波探傷中的漏檢。3車輪探傷技術存在問題在以往火車車輪探傷過程中，技術人員想要了解車輪中的缺陷(如夾雜物)的情況，通常采取金相等有損檢測辦法，但是金相檢驗的辦法是無法對車輪整體的缺陷情況進行檢測判斷，它的取樣面積小，并且是在二維平面上進行檢查，所以檢查效率很低。采用超聲波探傷技術來研究車輪缺陷是目前出現(xiàn)的較新的無損評價(NDE)技術，通過采用高頻率聚焦超聲C掃描，結合對車輪樣品制備技術，在對車輪質量的無損評價方法相關的靈敏度校準和建立理想檢測條件的試驗基礎上，對車輪質量檢測的超聲結果和金相解剖結果進行了分析和對比，來

12、進行車輪質量的評估，具有極大意義。但同時超聲檢測技術也存在問題，具體問題如下：盲區(qū)的影響。不管是C掃描、S掃描，還是電磁超聲都存在著波形盲區(qū)的影響試樣表面質量的影響。試樣表面質量及傾斜度都會影響超聲波在介質中的傳播，引起能量的衰減。超聲C、S掃描需要耦合介質,試樣的表面粗糙度和傾斜度對靈敏度的影響較大。電磁超聲需要鐵磁性介質，試樣表面潔凈度會產(chǎn)生一定影響。試樣加工問題。超聲無損探傷是一種對比探傷，是在一定標準試塊的基礎上探傷的。所謂的當量法就是要求所探缺陷與標準試塊上的人工標準缺陷回波高度相同或者換算當量大小相同。車輪中的自然缺陷是不可知的，所以人工制造的缺陷也不能完全反應自然缺陷。4結論C掃

13、描探傷的水浸法相對于直接接觸法在探測不同取向缺陷、較薄試件、靈敏度、分辨率、探頭壽命和可靠性方面具有較大優(yōu)勢。C掃描檢測技術相對于A掃描探傷,其檢測的精度、檢測的效率和自動化檢測的程度具有優(yōu)勢。車輪探傷在盲區(qū)的影響、試樣表面質量和試樣加工等方面存在較多問題。參考文獻蔣危平.超聲檢測學M.武漢：武漢測繪科技大學出版社,1991:37-81.同濟大學聲學研究室編.超聲工業(yè)測量技術M.上海:上海人民出版社，1977:56-58.魏勤,尤建飛.超聲C掃描系統(tǒng)在超聲檢測實驗中的應用J.實驗室研究與探索，2003(10):96-97.馬宏偉，張廣明,劉彥民，等.微機超聲圖像處理系統(tǒng)研究J.無損檢側,1998(12).謝道