超聲波探傷技術在礦山機械設備軸類零件中的應用分析

文予卓

（貴州煤礦礦用安全產品檢驗中心，貴州 貴陽 550022）

礦山是我國最為廣泛的能源之一，開采工作尤為重要，為確保礦山正常開采，避免機械設備出現問題，對大型設備軸類零件應確保其安全性與穩定性，保障礦山機械設備安全運行[1]。超聲波探傷技術是目前常用的無損檢測技術，是控制工件質量、設備維護、提高檢測效率的重要手段，已在工業生產中被廣泛運用。在礦山機械設備的檢測工作中，超聲波探傷能大大提升檢測的效率和準確性，因此，應加強對該技術的開發與利用。

1 超聲波探傷技術簡介

超聲波探傷是利用超聲波能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部，遇到缺陷與零件底面時就分別發生反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。

圖1 超聲波脈沖反射法示意圖

超聲波探傷技術的種類較多，其主要包括穿透法、共振法、脈沖反射法等。其中脈沖反射法廣泛應用于鋼鍛件的超聲波探傷。

脈沖反射法是通過探頭發出的脈沖波在工件中遇到缺陷或界面時發生反射，反射的信號被探頭吸收后在探傷儀的顯示屏上形成入射界面反射波T、底面界面反射波B和缺陷波F，從而可根據缺陷波的位置和高低判斷缺陷的位置和大小。（如圖1所示）其優點：①靈敏度高；②便于缺陷定位；③適用縱波、橫波的探傷方法；④便于現場手工操作。

2 礦山機械設備軸類零件缺陷分析及超聲波探傷技術參數的選擇

2.1 礦山機械設備軸類零件缺陷分析

礦山機械設備軸類零件包括提升機主軸、天輪軸、皮帶機滾筒軸等，主要是鋼鍛件為主，這類零件的缺陷就其成因而言一般有兩大類，一類是主軸出廠時固有的，比如原材料中的冶金性缺陷（如非金屬夾雜物，白點等）或者是加工工藝不當導致的工藝性缺陷（如淬火裂紋，磨削裂紋等）。另一類則是主軸在運行中產生的，比如主軸在載荷的長期作用下形成的疲勞裂紋[2]。隨著生產條件的改進，很多生產廠家已經配備專業的超聲波探傷儀，第一類缺陷可以在出廠時就加以檢測控制，但第二類缺陷由于軸類零件已經組裝完成，使用過程中拆卸不便，加上大多礦山企業沒有配備專業的探傷設備和人員，現行的礦山安全檢測檢驗也沒有針對軸類零件的強制檢驗標準，所以礦產在用軸類零件長時間以來都是處于脫檢狀態，存在一定安全隱患。尤其是提升機主軸和皮帶機滾筒軸等長期重載運行，在交變應力的作用下，容易導致主軸在應力集中部位產生疲勞裂紋，隨著裂紋不斷擴展，失穩后大軸瞬間斷裂。為避免大軸斷裂的惡性事故發生，有必要采取超聲波探傷的方法定期或不定期對大軸進行預防性的檢查，及時發現存在的缺陷，告知設備使用方，做好更換預案。

2.2 超聲波探傷技術參數的選擇

（1）軸類零件的探傷選擇縱波直探頭為主，橫波斜探頭為輔的方法。

（2）選擇頻率（f）和晶片直徑（D）。由于提高探傷頻率f后，有利于發現更小的缺陷，波束指向性好，靈敏度提高，但同時會導致超聲波的衰減和近場區增加，對探傷不利。因此，頻率上限應以草狀回波信號的大小和底波出現的狀況即信號衰減情況來決定；而下限則由檢測靈敏度、脈沖寬度及指向性決定。因此，在實際工作中，一般在初探時選用1.25MHz，精探時選用2.5 MHz。晶片直徑大時聲束擴散角小，波束能量集中，對探傷有利；但直徑大時，近場區長度N增加，對探傷不利，綜合考慮，在主軸探傷中，宜采用晶片直徑為20毫米的探頭為佳。

3 礦山機械設備軸類零件現場檢測方法

3.1 探傷前準備工作

由于是現場在用設備的檢測，部分大型軸類零件拆卸不便，只能做部分掃描，因此需要找出軸類零件圖紙，對照圖紙查出其幾何形狀、分析受力狀態、應力集中點、材質、熱處理情況、可能產生缺陷的重點部位等。以此為依據，選擇入射方向時應使探頭聲束中心線與預計的缺陷面盡可能地垂直。在選擇入射方向時，應注意到軸類零件的各種類型的臺階、溝槽及孔等可能產生反射信號的影響。因此，選擇入射方向時注意盡量躲開可能產生雜亂信號的方向，以避免給判斷缺陷造成困難。

3.2 缺陷定量方法

依據現場條件，選擇計算法確定缺陷當量：

（1）設置儀器，調節零點（聲速，測試范圍，儀器校準等）。

（2）調靈敏度。

式中：△dB—調整靈敏度；X0—靈敏度范圍；XB—試件厚度；φ0—靈敏度探測尺寸；λ—超聲波波長。dB0=dB+│△dB│

式中：dB0—實際探測靈敏度；△dB—調整靈敏度；dB—試件底波回波為基準80%對應的回波聲壓。

（3）計算缺陷當量。△f=dB0-dBf

式中：△f—缺陷實際回波聲壓；dB0—實際探測靈敏度；dBf—缺陷回波為基準80%對應的回波聲壓。

式中： φf—缺陷當量大小；△f—缺陷實際回波聲壓；Xf—缺陷位置。

計算缺陷當量時，當材質衰減系數超過4dB/m時應考慮修正，衰減系數α(dB/m)的計算公式為：

式中：T—鍛件厚度或直徑，m B1、B2—第一次和第二次底波幅度。

3.3 缺陷的定性分析

超聲波探傷技術的定性問題一直是個難點，這主要是由于缺陷對聲波的反射取決于缺陷的形狀、取向、相對聲波傳播方向的長度、表面粗糙度、及缺陷的種類和性質等等。同時還與檢測設備的特性和顯示方式有關，所以在超聲波探傷時所獲取的聲波信號是一種綜合響應，在目前常用的超聲檢測技術上還很難將上述各因素從反射聲波信號中分離識別出來，這就給定性帶來了很大的困難。但是經過不斷努力，還是總結出了許多有價值的經驗，且做了大量的解剖試驗來驗證，方法就是通過缺陷波形和回波特征來判斷缺陷性質[3]。比如鋼鍛件中的粗晶與疏松缺陷，多以雜波、叢狀波形式等形式出現；而裂紋缺陷由于內含物多有氣體存在，與基體材料聲阻抗差異較大，所以超聲波反射率高，回波起波速度快，前沿陡峭，波峰尖銳，當探頭越過裂紋延伸方向移動時，起波迅速，消失也迅速等等。

超聲波探傷定性方法很大程度上依賴檢測人員的經驗、技術水平和對特定產品、材料及制造工藝的充分了解，其局限性是很大的，目前難以推廣成為通用的評定方法。在對零部件有更高要求時往往輔以X射線，磁粉探傷，滲透探傷等方法加以判斷。

4 結語

礦山在用大型機械設備軸類零件服役大都超過十年以上，由于拆卸不便且主軸的探傷沒有強制檢測標準，故存在一定安全隱患。超聲波探傷技術屬于無損檢測技術中較為方便快捷的檢測技術，因此，將其推廣應用到礦山機械軸類零件的檢測中，能夠保障設備安全運行，確保礦山生產。