EN 車軸產品超聲波徑向檢測校準試塊制作及應用

丁守立 石勝平 高文衛 何氫玲 李平

（中車長江銅陵車輛有限公司，安徽銅陵 244142）

1 問題的提出

EN13261 標準是指導EN 標準體系車軸（以下簡稱EN車軸）生產及檢測的主要標準，該標準要求采用超聲波軸向檢測的方法從車軸端面部位檢測車軸透聲性能，采用徑向檢測的方法從車軸外圓表面部位檢測車軸內部缺陷和組織的均勻性，具體檢測見圖1 所示。該標準在軸向檢測時對車軸直徑方向的尺寸及長度方向的尺寸沒有作出具體的限制，而在徑向檢測時對車軸直徑方向的尺寸作出了限制。經過統計，目前EN 車軸產品軸型復雜，品種繁多，主要表現為直徑方向上的尺寸不盡相同。因此，需要制作不同直徑的EN 車軸產品超聲波徑向檢測校準試塊，然后依據不同直徑的校準試塊上人工缺陷當量的準確傳遞來進行不同直徑車軸產品的檢測和判定。

圖1 車軸超聲波軸向檢測、徑向檢測示意圖

2 組合式車軸超聲波徑向檢測校準試塊制作方案的提出

2.1 主要設計思路。根據EN 車軸各軸型以及同型號車軸各尺寸檔的尺寸差異分析，我們提出了組合式車軸超聲波徑向檢測校準試塊制作方案。通過制作一組（一個由15 種不同直徑的超聲波徑向檢測校準試塊組成的集合體）不同直徑的車軸超聲波徑向檢測校準試塊來實現不同直徑車軸超聲波徑向檢測時量值的準確傳遞，從而有效解決了不同直徑車軸的超聲波檢測和判定問題。

2.2 組合式校準試塊結構的設計。組合型校準試塊結構如圖2 所示，它是一個由15 種不同直徑的超聲波徑向檢測校準試塊組成的集合體。其中除試塊8 上帶有不同深度的3個Φ3mm 的平底孔和1 個深度為10mm，直徑為Φ7mm，角度為120°的錐孔之外，其余的14 個試塊上僅帶有不同深度的3 個Φ3mm 的平底孔。

圖2 組合式校準試塊結構示意圖

2.3 組合式校準試塊技術參數的確定

2.3.1 各型校準試塊直徑尺寸的確定

經過調研EN 車軸產品軸型復雜，主要表現為直徑方向上的尺寸不盡相同。其中軸頸部位直徑尺寸主要有Φ120mm、Φ125mm、Φ130mm、Φ135mm、Φ160mm、Φ165mm、Φ170mm、Φ175mm、Φ180mm 共計9 種；防塵板座部位直徑尺寸主要有 Φ160mm、Φ165mm、Φ170mm、Φ175mm、Φ180mm、Φ185mm 共計6 種；輪座部位直徑尺寸主要有Φ200mm、Φ205mm、Φ210mm、Φ215mm、Φ220mm 共計5種；軸身部位直徑尺寸主要有Φ170mm、Φ175mm、Φ180mm、Φ185mm 共計4 種。因此，確定制作Φ120mm、Φ125mm、Φ130mm、Φ135mm、Φ160mm、Φ165mm、Φ170mm、Φ175mm、Φ180mm、Φ185mm、Φ200mm、Φ205mm、Φ210mm、Φ215mm、Φ220mm 共計15 種直徑尺寸的校準試塊。各型校準試塊直徑尺寸見表1。

2.3.2 各型校準試塊平底孔和錐孔的深度尺寸、直徑尺寸的確定

根據EN13261 標準規定，確定了每個型號校準試塊上平底孔的數量、深度和直徑。每個型號的校準試塊上制作3個深度依次為D/5、D/2、4D/5（D 為各型校準試塊的直徑），直徑均為Φ3mm 的平底孔。其中試塊8 上制作3 個深度分別為D/5、D/2、4D/5 且直徑為Φ3mm 的平底孔和1 個深度為10mm，直徑為Φ7mm，角度為120°的錐孔。各型校準試塊上平底孔的具體深度尺寸見表1。

表1 各型試塊制作尺寸表

2.3.3 各型校準試塊上平底孔和錐孔軸向位置的確定

2.3.3.1 EN 車軸超聲波徑向檢測探頭選用2.5MHzΦ14直探頭，試塊1 反射面最大聲程為220mm，根據公式：

式中：DC——晶片直徑；

λ——波長（2.5MHz 縱波在鋼中的波長，約為2.36mm）；

s——聲程；

DF——聲束直徑（沿著聲程，垂直于中心聲束的聲壓減小6dB）

2.3.3.2 由上式計算，試塊1 反射面處聲束直徑DF=（2.36×220）/14=37mm。同理可得，試塊2 反射面最大聲程為215mm，試塊2 反射面處聲束直徑DF為：36.3mm；試塊3 反射面最大聲程為210mm，試塊3 反射面處聲束直徑DF為：35.4mm；試塊4 反射面最大聲程為205mm，試塊4 反射面處聲束直徑DF為：34.6mm；試塊5 反射面最大聲程為200mm，試塊5 反射面處聲束直徑DF為：33.7mm；試塊6 反射面最大聲程為185mm，試塊6 反射面處聲束直徑DF為：31.2mm；試塊7 反射面最大聲程為180mm，試塊7 反射面處聲束直徑DF為：30.3mm；試塊8 反射面最大聲程為175mm，試塊8 反射面處聲束直徑DF為：29.5mm；試塊9 反射面最大聲程為170mm，試塊9 反射面處聲束直徑DF為：28.7mm；試塊10 反射面最大聲程為165mm，試塊10 反射面處聲束直徑DF為：27.8mm；試塊11 反射面最大聲程為160mm，試塊11 反射面處聲束直徑DF為：27.0mm；試塊12 反射面最大聲程為135mm，試塊12 反射面處聲束直徑DF為：22.8mm；試塊13反射面最大聲程為130mm，試塊13 反射面處聲束直徑DF為：21.9mm；試塊14 反射面最大聲程為125mm，試塊14 反射面處聲束直徑DF為：21.1mm；試塊15 反射面最大聲程為120mm，試塊15 反射面處聲束直徑DF為：20.2mm。

2.3.3.3 經實驗驗證測試，試塊1、試塊2 上1 號孔的中心距離試塊左端頭距離為50mm，各孔間的中心距為50mm，3 號孔的中心距離試塊右端頭距離為50mm，試塊端面及各孔在檢測測試時互不影響。試塊3、試塊4、試塊5 上1 號孔的中心距離試塊左端頭距離為45mm，各孔間的中心距為45mm，3 號孔的中心距離試塊右端頭距離為45mm，試塊端面及各孔在檢測測試時互不影響。試塊6、試塊7、試塊8、試塊9、試塊10、試塊11、試塊12、試塊13、試塊14、試塊15 上1 號孔的中心距離試塊左端頭距離為40mm，各孔間的中心距為40mm，3 號孔的中心距離試塊右端頭距離為40mm，試塊端面及各孔在檢測測試時互不影響。

2.3.3.4 根據上述測試結果，確定了各型校準試塊上平底孔和錐孔的軸向位置，具體為：試塊1、試塊2 上1 號孔的中心距離試塊左端頭距離為50mm，各孔間的中心距為50mm，3 號孔的中心距離試塊右端頭距離為50mm。試塊3、試塊4、試塊5 上1 號孔的中心距離試塊左端頭距離為45mm，各孔間的中心距為45mm，3 號孔的中心距離試塊右端頭距離為45mm。試塊6、試塊7、試塊8、試塊9、試塊10、試塊11、試塊12、試塊13、試塊14、試塊15 上1 號的中心距離左端頭距離為40mm，各孔間的中心距為40mm，3 號孔的中心距離試塊右端頭距離為40mm。其中，試塊8 上1 號孔的中心距離試塊左端頭距離為40mm，4 號孔的中心距離試塊右端頭距離為40mm，各孔間的中心距為40mm。各型校準試塊上平底孔和錐孔的軸向位置示意圖（以試塊8 為例）見圖3。

圖3 平底孔、錐孔軸向位置圖

2.3.4 校準試塊材料要求

2.3.4.1 試塊材質、熱處理過程、晶粒度、金相組織、化學成分、機械性能等參數應與所檢測車軸技術要求一致。

2.3.4.2 試塊應取自于已經進行過超聲波探傷的車軸，以保證沒有缺陷，探傷靈敏度：Φ2 平底孔回波高度80%，以此靈敏度探測試塊時，一次底面回波前無缺陷回波反射。

2.3.5 校準試塊其它制作要求

2.3.5.1 試塊檢測面表面粗糙度小于等于Ra6.3mm。

2.3.5.2 試塊錐孔應使所在部位底波降低4dB。

2.3.5.3 平底孔、錐孔底部封堵防腐蝕。

3 組合式車軸超聲波徑向檢測校準試塊的應用

EN13261 標準規定實施車軸超聲波徑向檢測時需要將徑向缺陷檢測和徑向底波衰減法檢測相結合。所以根據標準規定，儀器校準的方法分為超聲波徑向探傷（徑向缺陷檢測）靈敏度和徑向底波衰減法檢測靈敏度設定。具體方法為：

3.1 超聲波徑向探傷距離波幅曲線制作及探傷靈敏度的確定

根據被檢測車軸的直徑，選擇相同直徑的校準試塊進行距離波幅曲線的制作。舉例說明距離波幅曲線制作方法（以試塊8 為例）：在試塊8 的檢測面上均勻涂抹耦合劑，將超聲波探頭放置在試塊8 的檢測面上，移動探頭找到試塊8 上的1 號孔（孔徑φ3mm）的最大反射回波，調整到滿屏的80%高度，作標記點1，如圖4、圖5 所示；再分別對試塊8 上的2 號孔（孔徑φ3mm）和3 號孔（孔徑φ3mm）進行探測，找到2號孔（孔徑φ3mm）、3 號孔（孔徑φ3mm）的最大反射回波并調整到滿屏的80%高度，作相應的標記點2 和標記點3；圓滑連接1、2、3 點，并延長到整個探測范圍，即完成了以孔徑為φ3mm 為基準的徑向探傷距離波幅曲線的制作，距離波幅曲線示意圖見圖6。在此基礎上，補償試塊與實物車軸之間的耦合差即為超聲波徑向探傷靈敏度。

圖4 徑向探傷靈敏度校準時靈敏度標定示意圖

圖5 徑向探傷靈敏度校準時平底孔回波示意圖

圖6 距離波幅曲線示意圖

3.2 底面回波衰減法檢測靈敏度的確定

在試塊8 的檢測面上均勻涂抹耦合劑，將超聲波探頭放置在試塊8 的檢測面上，移動探頭找到試塊8 上的4 號孔（120°的錐孔，孔徑φ7mm）位置處試塊底面回波的最大反射回波并調整到滿屏的50%高度，見圖7 所示，在此基礎上，補償試塊與實物車軸之間的耦合差即為底面回波衰減法檢測靈敏度。

圖7 底面回波衰減法檢測靈敏度校準時靈敏度標定示意圖

3.3 檢測及判定

3.3.1 缺陷檢測及判定

制作好距離波幅曲線后，檢測時，在車軸外圓柱平直部位的探傷掃查面上涂刷耦合劑，耦合劑與校準儀器時為相同的耦合劑。探頭在被檢工件上移動速度不應大于150mm/s，相鄰兩次掃查應相互重疊約為探頭晶片尺寸的15%。探傷要掃查到所有規定的探傷部位。當檢測發現缺陷時，找到缺陷最高反射波位置，此時觀察并記錄缺陷最高反射波的波幅高度和缺陷的具體位置。當缺陷反射波高大于等于同距離處φ3mm 直徑的平底孔反射波高時即判定車軸不合格。具體檢測應用見圖8-9 所示。

圖8 車軸軸身部位超聲波徑向缺陷檢測應用

圖9 車軸三徑部位超聲波徑向缺陷檢測應用

3.3.2 徑向底面回波衰減法檢測及判定

確定徑向底面回波衰減法檢測靈敏度后，檢測時，在車軸外圓柱平直部位的探傷掃查面上涂刷耦合劑，耦合劑與校準儀器時為相同的耦合劑。探頭在被檢工件上移動速度不應大于150mm/s，相鄰兩次掃查應相互重疊約為探頭晶片尺寸的15%。探傷要掃查到所有規定的探傷部位。當同一根車軸缺陷或材質不均勻性導致的底波衰減大于4dB 時即判定車軸不合格。

3.4 檢測效果

經過數千根車軸的檢測實踐，找出了車軸內部典型的縮管狀缺陷，具體缺陷見圖片10、圖片11、圖片12 所示。

圖10 軸頸部位縮管狀缺陷示意圖

圖11 輪座部位縮管狀缺陷示意圖

圖12 軸身部位縮管狀缺陷示意圖

4 結論

綜上所述，采用一種（組）EN 車軸產品超聲波徑向檢測校準試塊完全滿足了不同直徑EN 車軸產品超聲波徑向檢測的需要。同時，試塊設計結構精巧、緊湊，將多個試塊集于一體，既能減少試塊制作數量，又能方便操作者操作，簡單、實用。