铁路货车轮轴无损检测技术文档资料.ppt

金 属 及 化 学 研 究 所铁路货车轮轴无损检测技术中国铁道科学研究院金属及化学研究所黄永巍金 属 及 化 学 研 究 所目录•第一章 无损检测技术简介 1 无损检测含义 2 超声波探伤 3 磁粉探伤•第二章 轮对超声波探伤 1 新制车轮超声波探伤 2 检修车轮超声波探伤 3 镶入部探伤金 属 及 化 学 研 究 所目录•第三章 轮对磁粉探伤 1 新制车轮磁粉探伤 2 检修车轮磁粉探伤•第四章 轴承探伤 1 轴承磁粉探伤 2 轴承超声波探伤金 属 及 化 学 研 究 所目录•第五章 新技术 1 超声相控阵 2 TOFD 3 导波•第六章 新工艺 1 荧光磁粉探伤时高强度紫外线灯的应用 2 轮对卸荷槽裂纹的检测 3 列车车轮检测 4 空心货车车轴金 属 及 化 学 研 究 所第一章 无损检测技术简介• 无损检测是在不破坏被检测对象的物理化学性能和几何完整性的情况下,对其物理性能、参数、状态和内部结构等进行检测和测量，从而判定其是否合格。

无损检测技术是一门新兴的应用学科从本世纪20年代后期起步，40年代得到较快发展1941年，美国无损检测学会（ASNT）成立，1943年创刊会刊“材料评价”，标志这一技术逐步走向成熟1955年，第一届世界无损检测会议召开，则标志着这门学科在世界范围内的建立 现代工业是建立在无损检测基础之上的据资料统计，在发达工业国家中，无损检测占一般工业产品生产总工时的1～3%，电机产品占13%，国防工业产品占12～18%，火箭发动机等高新技术产品高达20%以上所以工业发达国家都凭借其雄厚的经济实力和技术基础，大力发展无损检测技术，在基础理论、实际应用、检测设备和检测新技术的开发方面都处于世界领先水平金 属 及 化 学 研 究 所国内无损检测技术现状国内无损检测技术现状 • 1978年11月在上海成立了中国机械工程学会无损检测分会,同时召开了第一届学术交流会从那时起国内无损检测技术得到了蓬勃的发展目前国内已有17所学校先后设立了无损检测专业课程，培养出了无损检测专业本科生、专科生、硕士研究生、博士研究生和专业证书班学生，一些中专和技工学校也先后培养了一批无损检测专业生。

至今，全国已培训、鉴定了12万名NDT人员，并颁发了各种方法、各个等级的资格证书1990和1991年学会又先后与德国NDT学会签订了UT、RT、MT、PT四种方法的证书互认协议,为我国NDT人员论证制度与国际接轨打开了渠道• 在国内，铁道部是较早开展无损检测工作的部门由于历史的原因，机车车辆的制造、修理都是在工厂系统进行的，因此机车车辆工业无损检测技术实际上代表了铁道部的无损检测技术水平早在解放前夕，铁路工厂中就有磁粉探伤，但设备简陋，仅为马蹄形磁轭探伤器，人员少，技术差解放后，从开始时的简单手工磁轭探伤到90年代高精尖的自动化探伤设备，从50年代单一的磁粉探伤到90年代多种探伤方法的应用，铁路部门无损检测技术得到了极大的发展纵观50年发展史，可以分为两个阶段 金 属 及 化 学 研 究 所国内无损检测技术现状国内无损检测技术现状 •解放初至解放初至70年代末年代末 在此期间，各种无损检测技术相继得到应用，各工厂都开展了无损检测工作，相互之间相对独立，但常进行技术交流• 1950年，铁道部引进前苏联产的电磁探伤仪进行磁粉探伤当时的磁粉都是干法探伤用磁粉，颗粒较大，适用于粗糙表面的质量检查或检查比较大的表面缺陷。

例如连杆等的表面疲劳裂纹检查随着铁路运输的飞速发展，对机车车辆配件的性能要求越来越高，车轴轴颈的表面光洁度很高，干法磁粉探伤不能满足要求此时发展了湿法磁粉探伤湿法探伤用的磁粉很细，能有效地探出轴颈表面的细小磨削裂纹金 属 及 化 学 研 究 所国内无损检测技术现状国内无损检测技术现状 • 1950年，铁道部采用了超声波探伤技术最早使用穿透式超声波探伤这种探伤方法设备简单，结果易于说明，但由于缺陷的可探出性随缺陷面积与超声波束面积之比、缺陷相对于波束的取向及缺陷与超声源之间距离的不同而异，且工件几何形状的微小改变又会引起接收信号幅值的变化，所以穿透法探伤使用范围不广，很快被脉冲反射式超声波探伤技术所替代• 铁道部于1958年从前苏联引进了十套钴60射线源，分给有关机车制造工厂使用，进行蒸汽机车锅炉焊缝射线透照这是铁道部射线探伤的开端放射性源透照的特点就是可把射线源放置在容器中心，一次就可完成全表面透照，但时间长，底片清晰度不高所以在1959年又从苏联引进了X射线探伤机，用X射线探伤，拍出的射线照片清晰度好，成为蒸汽机车锅炉焊缝的主要无损检测手段。

金 属 及 化 学 研 究 所国内无损检测技术现状国内无损检测技术现状 • 60年代铁道部开始采用渗透探伤,最早为着色探伤法着色探伤法所用的渗透剂一般为红色液体，在白光下显示鲜艳的红色，灵敏度较高为了进一步提高探伤灵敏度，又出现了荧光探伤法，渗透液中掺有荧光物质，在紫外线照射下可发出明亮的黄绿色光渗透探伤在铁道部主要用于检测气阀、涡轮叶片等• 1976年，部分机车厂及机务系统采用点式涡流探伤仪探测气阀表面由于受交流电趋肤效应的影响，涡流探伤仅能够探出工件表面下面1个毫米深度的缺陷，而渗透探伤只能探出表面开口型的缺陷金 属 及 化 学 研 究 所国内无损检测技术现状国内无损检测技术现状 • 1953年10月12日第82期《铁道公报》公布了铁机电郭（53）字第185号铁道部令《公布机务段车辆段及机车车辆修理工厂机车车辆重要配件电磁探伤细则》，规定了车轴、车钩、曲拐销等十四种配件的探伤方法这是铁道部第一个无损检测规范这个无损检测规范的颁布实施，对铁道部无损检测工作产生了深远的影响，无损检测工作从此走上了标准化管理的道路。

1958年，铁道部在总结锅炉焊缝探伤的经验上又颁布了锅炉焊缝射线探伤细则• 从1973年起，铁道部工业总局开始进行无损检测人员技术交流，1977年，举办了两期超声波探伤培训班培训的学员在后来的工作中都成了技术骨干，发挥了重要作用1979年，第一届铁路无损检测年会在成都召开与会代表交流了车轴、曲轴、气阀等机车车辆配件的无损检测技术，讨论了铁路无损检测工作的发展从此，铁路无损检测工作进入了一个崭新的阶段金 属 及 化 学 研 究 所常规无损探伤方法的能力和适用范围常规无损探伤方法的能力和适用范围• 常规无损检测方法分五类：超声、磁粉、射线、渗透和涡流每种无损探伤方法均有其优点和局限性，各种方法对缺陷的检出机率既不会是100%，也不会完全相同，例如超声探伤和射线照相探伤法，对同一被检物的探伤结果不会完全一致金 属 及 化 学 研 究 所1 超声探伤超声探伤1．1 适用对象和能力•1．1．1 锻件： 超声探伤能发现锻件中与超声波束基本垂直的裂纹、白点、分层大片或密集的夹渣等缺陷通常用直射法探测内部缺陷，其最大有效探测深度可达1m左右。

用斜射法和表面波法进行探伤，可探测与表面不平行的缺陷或表面缺陷超声探伤能测定缺陷位置和相对尺寸，缺陷的种类一般较难判定•注：用不同方法测定的相对尺寸的概念是不同的，其大小也不能相比金 属 及 化 学 研 究 所•1．1．2 焊缝： 包括熔焊的对接焊缝我角焊缝超声探伤能发现焊缝中的裂纹、未焊透、未熔合、夹渣和气孔等缺陷通常采用斜射法，用2.5MHz时最大有效探测深度约为200mm超声探伤能测定缺陷位置和相对尺寸，但较难判定缺陷的种类•1．1．3 型材： 包括金属板材、管材、棒材及其他型超声探伤能发现材料内部及表面的裂纹、折叠、分层、片状夹渣等缺陷一般用液浸法或局部水浸法进行探伤，对管、棒等材料通常需用聚焦斜射法探伤能测定缺陷位置和相对尺寸，较难判定缺陷的种类•1．1．4 铸件： 形状简单、表面平整或经过加工修整的铸钢件球墨铁件，可采用超声方法探伤能发现热裂、冷裂、疏松、夹渣、缩孔等缺陷能测定缺陷的位置和相对尺寸，但较难判定缺陷的种类金 属 及 化 学 研 究 所1 超声探伤超声探伤•1．2 不适用对象 粗晶材料：如奥氏体钢的锻件和焊缝。

形状复杂或表面粗糙的工作金 属 及 化 学 研 究 所2 射线照相探伤射线照相探伤•2．1 适用对象和探伤能力•2．1．1 焊缝： 能发现焊缝中的未焊透、气孔、夹渣等缺陷对于裂纹和未熔合，由于 其缝隙宽度极窄，且射线照射方向不易与裂纹和未熔合的方向一致，故射线法较难发现焊缝中的裂纹和未熔合射线探伤的穿透深度，主要由射线能量决定400KVX射线透照钢铁的厚度可达85mm左右，钴60Y射线的透照厚度可达200mm左右，9Mev的直线加速器的透照厚度可达85mm左右射线照相法一般能确定缺陷平面投影的位置和大小以及缺陷的种类•2．1．2 铸件： 能发现铸件中的缩孔、夹渣、疏松、热裂等缺陷一般能确定缺陷平面投影的位置和大小，以及缺陷的种类金 属 及 化 学 研 究 所2 射线照相探伤射线照相探伤•2．2 不适用对象 锻件 型材金 属 及 化 学 研 究 所3 磁粉探伤磁粉探伤•3．1 适用对象 铁磁性材料和工件，包括锻件、焊缝、型材、铸件等，能发现表面和近表面的裂纹、折叠、夹层夹杂、气孔等缺陷。

一般能确定缺陷的位置、大小、和形状但难以确定缺陷的深度•3．2 不适用对象 非铁磁性材料，如奥氏体钢、铜、铝等金 属 及 化 学 研 究 所4 渗透探伤（包括着色探伤和荧光探伤）渗透探伤（包括着色探伤和荧光探伤）•4．1 适用对象 金属材料和致密性非金属材料能发现表面开口的裂纹 、折叠、疏松、针孔等缺陷通常能确定缺陷的位置、大小和形状，但难以确定缺陷的深度•4．2 不适用对象 疏松的多孔性材料金 属 及 化 学 研 究 所4 渗透探伤（包括着色探伤和荧光探伤）渗透探伤（包括着色探伤和荧光探伤）•4．1 适用对象 金属材料和致密性非金属材料能发现表面开口的裂纹 、折叠、疏松、针孔等缺陷通常能确定缺陷的位置、大小和形状，但难以确定缺陷的深度•4．2 不适用对象 疏松的多孔性材料金 属 及 化 学 研 究 所5 电磁（涡流）探伤电磁（涡流）探伤•5．1 适用对象 导电材料，如铁磁性和非铁磁性的型材和零件=石墨制品等。

能发现裂纹、折叠、凹坑、夹杂、疏松等表面和近表面缺陷通常能确定缺陷的位置和相对尺寸，但难以判定缺陷的种类•5．2 不适用对象 非导电材料金 属 及 化 学 研 究 所第二章第二章 轮对（车轮）超声波探伤轮对（车轮）超声波探伤•1 新制车轮超声波探伤•1.1新制车轮应进行超声波探伤的主要有以下2种缺陷型式金 属 及 化 学 研 究 所1 新制车轮超声波探伤新制车轮超声波探伤•（1）较大颗粒的非金属夹杂物，属于冶金制造缺陷 该种缺陷通常位于踏面下10～15mm处，在轮轨作用力下形成疲劳裂纹，即车轮内部疲劳裂纹及掉块，简称“辋裂”如不及时发现，在列车运行时发生轮辋掉块，很可能造成切轴事故图1 发展到轮辋内侧面轮辋疲劳裂纹形貌金 属 及 化 学 研 究 所1 新制车轮超声波探伤新制车轮超声波探伤•（（2）严重异型偏析、疏松、内裂、白点等 车轮钢存在严重异型偏析、疏松、内裂、白点等不允许有的冶金缺陷，可使车轮沿径向裂开或整体崩裂成数块，在列车运行中有可能造成列车颠覆事故。

图2 车轮低倍试片上内部裂纹及异形偏析金 属 及 化 学 研 究 所1 新制车轮超声波探伤新制车轮超声波探伤图3 车轮崩裂后剩余部分形貌金 属 及 化 学 研 究 所•1.2探伤原理 车轮质量直接影响着车轮使用安全和可靠性,对车轮内部缺陷进行检测,是确保车轮质量和运行安全的重要技术措施 新制车轮探伤主要探测部位是轮辋，探伤灵敏度为Φ2mm当量平底孔缺陷探伤原理图如图4所示金 属 及 化 学 研 究 所（a）轮辋踏面扫查 (b)轮辋内侧面扫查图4 RWI超声探伤系统原理金 属 及 化 学 研 究 所•1.3探伤设备 目前新制车轮的探伤尚未全部开展，已经开展的车轮生产企业所用的新制车轮超声探伤设备主要是国外的 图5所示为太原智奇公司新制车轮超声波探伤设备图5 智奇公司新制车轮超声探伤设备金 属 及 化 学 研 究 所•该超声探伤系统由意大利生产，主要技术参数如下：•检测车轮直径：Φ600 mm ～Φ1300mm；检测灵敏度：最高可达Φ1mm平底孔；•显示方式：A、B、C型；检测速度：1分钟/车轮（不包括辐板）•检测部位：轮辋；放大器带宽：0.5～20MHz；•最大重复频率：40kHz；探伤盲区：≤10mm金 属 及 化 学 研 究 所•1.3探伤设备 大同ABC轮厂采用的是美国GE检测科技公司的UTXX车轮超声探伤系统，该系统采用相控阵技术，对车轮轮辋部分进行检测，如图6所示。

该系统还在我国太重车轮厂得到应用图6 GE公司车轮超声探伤系统金 属 及 化 学 研 究 所•其主要技术参数如下： 标准配置的晶片数：256个；同时激发一组最大晶片数：32个； 最大可以激发序列数：256个；每个晶片延时：0～2.5μs/2.5ns； 初始激发晶片：可编程；组晶片数：可编程； 脉冲发生器电压：65伏、50欧、负脉冲； 放大器带宽：0.025～12MHz；最大脉冲重复频率：20KHz 前置放大器增益：± 10 dB/0.1 dB 步长；数字分辨力：50MHz金 属 及 化 学 研 究 所2 检修车轮超声波探伤检修车轮超声波探伤•2.1检修车轮缺陷与新制车轮缺陷的区别 车轮运行一段时间后，轮辋内部缺陷会扩展形成辋裂，严重危害行车安全若不能及时发现，很可能在车辆运行中发生轮辋部分的开裂和脱落，造成行车重大事故因此，在轮对解体检修时需要对轮辋内部进行超声波探伤检修车轮所需探伤的缺陷应该是扩展后的“大”缺陷。

大的程度？金 属 及 化 学 研 究 所•2.2探伤设备 2.2.1国外设备图7凯泽斯劳滕铁路轨道技术有限公司轮轴车间的RASP探伤装置金 属 及 化 学 研 究 所 该系统采用UT超声波中央集成控制单元驱动轮对的固定式超声波自动检测设备，由于微型电子检测装置可以直接安装在超声波探头支架上，因而为在拆卸状态下检测ICE列车驱动轮对带来的很大的好处这种探伤机构实用可靠，探头寿命可达两年该检测系统的探头部分如图8所示图8 凯泽斯劳滕铁路轨道技术有限公司轮轴车间的RASP探伤装置探头部位金 属 及 化 学 研 究 所2.2.2国内设备 (1) 1 LWJC-2型车轮轮辋缺陷检测装置 上海铁道大学与上海铁路局上海车辆段联合研制了“LWJC-1型车轮轮辋缺陷检测装置”，于1998年11月通过了铁道部科技教育司组织的科学技术成果鉴定，并于1999年分别获得了铁道部和上海铁路局的科技进步奖该设备现已升级为“LWJC-2型车轮轮辋缺陷检测装置”，主要改进了超声仪的灵敏度调节方法和声程标定方法；将WINDOWS的计算机操作系统替换了DOS系统；创建了便于检索的标准数据库；增加了报表生成和打印等方面功能；用模块化的硬件设计替代了原整体式的硬件设计，以便于设备的维修工作。

另外，研制单位可根据用户的要求在“LWJC-2型车轮轮辋缺陷检测装置”中加装车轮踏面相对轴径径向跳动量的测量装置适用于各铁路车辆段、车轮工厂和铁路车辆维修工厂金 属 及 化 学 研 究 所该检测装置由五个子系统组成，如图9所示图9 LWJC-1型车轮轮辋裂纹超声波自动探伤机金 属 及 化 学 研 究 所•(2) TLL-16型铁道车辆车轮轮辋超声自动化探伤机 2004年，北京双河理声自动化检测技术有限公司研制成功TLL-16型铁道车辆车轮轮辋超声自动化探伤机，并通过铁道部组织的技术评审 该设备高精度型、双工位、装配踏面扫描探头、轮缘扫描探头检测时做全轮C－扫描，扫描线０.５～６mm连续可调，能够检测近表面2mm以上的剥离缺陷，探头数少，调整简单，检测一条轮对的时间为1分钟金 属 及 化 学 研 究 所 该设备的特点是探伤时轮对落入探伤水槽，两水槽摆放在两钢轨之间，并卧入地下，水槽上面装有盖板，盖板与地面一致，防止尘土和杂物落入水槽内，水槽的轴线与线路轴线平行（如图2.14所示）。

水槽采用固定方式，水槽内装有转轮器和探头跟踪装置及探头图 10 水槽放在两股钢轨之间金 属 及 化 学 研 究 所 探伤时打开窗口，不探伤时，盖上盖板，探伤工位整洁美观、易于保护，对轮对检修流水线影响很小 图11 探伤时打开窗口 图12 不探伤时盖上窗口金 属 及 化 学 研 究 所该探伤设备探伤精度很高，如图13和14所示 图13 一个小缺陷的C扫描图 图14 缺陷B扫描图金 属 及 化 学 研 究 所•3新制车轴超声波探伤 2001年以前，新制车轴超声波探伤采用轴向穿透，主要检查车轴内部综合性能TB/T1618-2001《机车车辆车轴超声波检验》公布后，车轴逐步增加了径向超声波探伤，最新版的美国AAR101-2009标准已写入了车轴径向探伤条款国内从2003年起开展了新制车轴的自动超声探伤设备的研制，比较成熟的有北京博力加机电设备发展有限公司生产的BLC-8Z型车轴自动探伤机和北京精益通达自动化专用设备技术开发有限公司研制的JY07-A车轴径向超声波探伤机。

下面以JY07-A为例作一介绍 JY07-A 车轴径向超声探伤机系统主要由控制与管理系统、机械伺服系统和超声波检验系统三部分组成其中控制与管理系统和超声波检验系统是两个独立的CPU系统，通过以太网实现数据的传输；控制与管理系统通过控制模板驱动机械伺服系统 金 属 及 化 学 研 究 所• JY07-A 车轴径向超声探伤机系统具有24 个独立探伤通道通道分为4 组，每组内6 个通道循环工作，每一次探伤4 组通道中各都有一个通道同时工作仪器具有4 组独立的通道控制信号和触发信号，可以独立控制任意一个通道的发射和接收，即电子控制该通道为发射通道或接收通道或发收合一通道探头分为左右A、B 两组每组探头又均分为两组，分别安装在两个扫描器上如A1～A6 安装在扫描器M1、A7～A12 安装在扫描器M2、B1～B6 安装在扫描器M3、B7～B12 安装在扫描器M4 图15探头分布和扫查区域示意图金 属 及 化 学 研 究 所图16 JY07-A探伤机金 属 及 化 学 研 究 所•4 轮对车轴镶入部超声波探伤 由于列车运行中车轴受疲劳应力作用，在车轮压装部位产生疲劳裂纹，发展到一定程度会造成车轴断裂，危害行车和生命安全。

因此，轮对车轴压装部位的超声波探伤，历来是铁路系统探伤的重中之重 80年代，武汉江岸车辆段紫云工贸公司研制成功了LWCZT系列轮轴微机控制超声波自动探伤机，用于检测铁路车辆在役轮对车轴轮座镶入部、不退卸轴承轴颈卸荷槽部位的疲劳超限横裂纹、内部缺陷及材质不良的超声波无损检测专用设备，适用于各种不同的车轴该机有多种机型，以C型机为例，具有判别RD2、D、E型车轴轮座镶入部内外侧、轴颈卸荷槽部不小于1mm的疲劳横裂纹、能判别材质不良(晶粒粗大)、内部缺陷等故障金 属 及 化 学 研 究 所 LWCZT系列超探机机械部分由机架、转轮机构、轴端探测机构、轴身探测机构、液压系统、耦合系统等六大部分组成 C型机探头分布图如图17所示图17 C型轮轴微机控制超声波自动探伤机探头分布图金 属 及 化 学 研 究 所 ①轴身三晶片组合探头：折射角54.4°（外侧）、45°（内侧）和0°，弧面半径R88mm ②端面组合探头：折射角23.3°（A1）、25.8°（A2）和0°组合探头。

各探头探头探测部位（C型机）： ⑴轴身三晶片组合探头中折射角54.4°的晶片用于探测车轴轮座镶入部外侧，折射角45°的晶片用于探测车轴轮座镶入部内侧，0°晶片用于判别探头与车轴表面的贴合状况 ⑵端面组合探头中折射角23.3°（A1）和折射角25.8°（A2）的探头用于探测车轴轴颈卸荷槽部，0°探头用于全轴穿透 目前铁道系统各车辆段、车辆厂已基本配置完毕LWCZT系列轮轴微机控制超声波自动探伤机经多年不断改进，该系列超声波探伤在技术和性能方面日益完善，处于国际领先地位金 属 及 化 学 研 究 所第三章第三章 轮对（车轮）磁粉探伤轮对（车轮）磁粉探伤•1 新制车轮磁粉探伤 1.1 新制车轮应进行磁粉探伤的缺陷主要有如下3种金 属 及 化 学 研 究 所 （1）车轮表面轧制折叠裂纹 折叠是金属变形流动过程中，已氧化的表面金属汇合在一起而形成的锻造缺陷车轮轧制过程中，由于材料表面在前一道锻、轧中所产生的突出的尖角或耳子，在随后的锻、轧时压入金属的本身而形成的需要使用磁粉探伤方法检验。

危害性：裂纹过深会导致车轮裂损 图1 金相显微镜下观察折叠裂纹形貌（裂纹两端脱碳） 金 属 及 化 学 研 究 所（2）车轮表面夹渣（夹砂） 铸锭或铸件的表面层存在分散或集中分布的夹砂，是由耐火材料或石英砂等非金属夹杂物所形成的或铸型与金属产生反应，可能形成一层低熔点的渣子，并粘附在铸件表面上在喷丸清理时渣子被除去并留下孔洞危害性：该部位易形成应力集中并产生裂纹图2 车轮表面夹渣金 属 及 化 学 研 究 所（3）车轮轮毂裂纹 冶金制造缺陷或轧制裂纹车轮轮毂孔侧面裂纹，其断口一般没有明显的疲劳断口形貌特征可能会造成轮毂孔局部裂损，降低车轴装配紧密度图3 车轮轮毂外侧面并延伸至辐板裂纹金 属 及 化 学 研 究 所1.2 车轮磁粉探伤设备应具有的主要功能： 能对车轮整个车轮表面（轮毂孔除外）进行连续复合磁化荧光磁粉探伤, 能够可靠检出车轮表面2mm长缺陷金 属 及 化 学 研 究 所•1.3国内外探伤设备现状 目前国内生产的车轮磁粉探伤设备以南京东电检测设备有限公司的CJW-6000型车轮荧光磁粉探伤机为代表，该设备在马钢车轮公司和大同电力机车有限公司得到了应用，其主要原理见图4图4 CJW-6000型车轮磁粉探伤机磁化原理图金 属 及 化 学 研 究 所 设备包括磁化和喷淋工位以及荧光暗室，具有自动和手动操作两种工作方式，主要技术参数如下： 电源：380V、50HZ、三相四线； 输入电流：200A；输出电流：AB相 0-3000A、BC相0-3000A、AC相0-4000A； 磁化方式：交流复合磁化； 适用规格：Φ700 mm ～Φ1300mm； 探伤速度：1分钟/件（观察时间除外）； 充磁时间：≥3S； 灵敏度：A型试片15/50清晰显示； 剩磁：＜0.5mT。

金 属 及 化 学 研 究 所国外车轮磁粉探伤设备厂家主要有美国磁通公司（Magnaflux公司），磁化方法主要有以下两种：图5 车轮磁化方式金 属 及 化 学 研 究 所 前一种方式采用中心导体法和线圈法分别产生周向磁场和径向磁场对车轮进行复合磁化后一种方式为线圈法，巨型线圈产生一个单一方向的磁场，即纵向磁场，中心部分能够对车轮径向进行磁化当车轮旋转时，相当于磁场围绕车轮转动，能够对车轮各个部位进行检测，起到复合磁化的作用前一种磁化方式不足之处是磁场径向分量分布不均匀，且轮辋部位更弱些，而第二种磁化方式不足之处是沿车轮径向磁场分布不均匀，检测灵敏度也有一定的差别 此外，捷克的STARMANS公司也生产过车轮荧光磁粉探伤机，型号为DIO5000，见图6，该设备采用数码摄像头对车轮表面进行图像数据采集，通过图像处理后系统可以自动识别缺陷磁痕，据报道可以检测出长1mm、宽0.3mm的缺陷金 属 及 化 学 研 究 所图6 STARMANS公司车轮磁粉探伤系统金 属 及 化 学 研 究 所 2 检修车轮（轮对、车轴）磁粉探伤 （ CJW-3000Ⅲ型微机控制轮对荧光磁粉探伤机） 该机用于铁路车辆各种轮对在新造、厂修和段修时的荧光磁粉探伤。

由北京磁通设备制造有限公司制造，于2005年通过铁道部车辆局（运装管验[2005]323号文件）技术评审成果鉴定 该机有微机控制和PLC控制两种控制方式（可根据需要在购置设备时选其中一种，也可以在该设备上升级加装微机控制系统）微机控制具有图形化触摸屏操作界面，自动化程度高，动作可靠，能对探伤机在工作时的电压、电流等数值实时采集，实现了对探伤机的工作状态、探伤结果和探伤者的有效监控，自动提示日常和季度校验，将探伤结果进行永久保存以便核查，并打印或通过信息管理系统上传中心服务器还具有主要故障的自诊断和远程诊断功能金 属 及 化 学 研 究 所 该机为机电一体化设备，探伤轮对上下料采用通过式进出，以适用于轮对检修流水线的配套使用根据轮对结构的特殊性，磁化原理采用了二路复探磁化技术，即轴向直接通电法、可开合式均匀颁布的螺线管法，经一次性通电即可全方位复合磁化轮对的表面或近表面的裂纹，探伤介质采用荧光磁粉，从而有效地提高了探伤的灵敏度为新造轮对的半自动磁粉探伤填补了国内空白 图7 CJW-3000Ⅲ型微机控制轮对荧光磁粉探伤机金 属 及 化 学 研 究 所第四章第四章 轴承探伤轴承探伤•1 轴承磁粉探伤•1.1轴承磁粉探伤的磁化技术 铁路轴承已全部采用一次性复合磁化方式：中心导体法建立周向磁场，以检测工件的纵向缺损；感应磁化法建立纵向磁场，以检测工件的周向缺陷，使工件上的缺损得到一次性全方位显示。

•1.2探伤设备 生产轴承环形件磁粉探伤机的厂家主要有：北京磁通公司、江苏射阳达德探伤机制造有限公司等下面以北京磁通公司生产的DCF-6000型微机控制轴承环形件磁粉探伤机为例作一介绍 金 属 及 化 学 研 究 所•该机适用于铁路机车、客货车辆（含动车、地铁、轻轨车辆）轴承内外环形件的半自动磁粉探伤于1994年11月23日通过铁道部车辆局（辆设[1994]143号文件）技术评审•该机有微机控制和PLC控制两种控制方式（可根据需要在购置设备时选其中一种，也可以在在役设备上升级加装微机控制系统）微机控制具有图形化触摸屏操作界面，自动化程度高，动作可靠，能对探伤机在工作时的电压、电流等数值实时采集，实现了对探伤机的工作状态、探伤结果和探伤者的有效监控，自动提示日常和季度校验，将探伤结果进行永久保存以便核查，并可打印或通过信息管理系统上传中心服务器还具有主要故障的自诊断和远程诊断功能金 属 及 化 学 研 究 所•主要技术参数1.总功率 40KW 2.周向电流 0～6000A（峰值） 3.纵向电流 0～4000A（有效值） 4.纵向磁势 0～4000安匝 5.退磁方式 自动衰减，纵向最大值→零 6.退磁效果≤0.2mT图1 DCF-6000型微机控制轴承环形件磁粉探伤机 金 属 及 化 学 研 究 所•1.2轴承磁粉探伤用实物试块（轴承磁粉探伤时实物试块与A型试片的关系） 1.2.1灵敏度A型试片的由来 A型试片是日本发明的。

80年代初，铁道部从日本引进了一批车轴，A型试片随之引进了中国由于其使用方便、成本适中，因此很快在国内得到了广泛的应用 A型试片分A1—退火电磁软铁和A2—未退火电磁软铁两种因退火电磁软铁没有磁化方向性，可以反复使用，因此常用A1型试片 在针对普通钢材的常规磁粉探伤条件下，A1型试片可以满足探伤磁化规范的要求因为这些钢材的磁场矫顽力都不大，加上磁粉探伤时其它一些参数的限定，选用适中的灵敏度试片所需的外加磁场强度与钢材本身要达到的探伤要求所需施加的外磁场强度相差不大，这么多年也就相遇无事地过来了金 属 及 化 学 研 究 所•1.2.2轴承实物试块的由来 尽管A型试片应用广泛，但实践证明，当遇到高矫顽力的钢种，如轴承钢时，A型试片就完全不适用了 为此，2002年，在修订TB1987-1989《机车车辆轴承磁粉探伤》时，我们做了几个试验： 试验1 标准试片的磁化显示•试验条件： ⑴磁化设备： DCF-2000型床式磁粉探伤机； ⑵磁化工件：240活塞销，45号钢，直径100mm； ⑶磁化方法：中心穿棒，试片与工件紧贴； ⑷磁悬液浓度：3.6mmL/100mL，梨形长颈管测量金 属 及 化 学 研 究 所电流试片0D0.5D1D1.5D2D2.5D3.0D4.0D5.0D7/50A1—较清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 15/50A1—清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 7/50D1—— 尚清晰 尚清晰 较清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 15/50D1—清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 清晰 •试验时间：2002年6月17日•试验记录： 注：表中电流一栏中的D表示工件直径。

金 属 及 化 学 研 究 所 电流试片0D0.5D1.0D1.5D2.0D3.0D4.0D中间垫胶带中间垫胶带中间垫胶带中间垫胶带中间垫胶带中间垫胶带中间垫胶带有无有无有无有无有无有无有无7/50A1———较清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰15/50 A1——清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰7/50 D1———－－清晰—清晰—清晰较清晰清晰清晰清晰15/50 D1——清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰清晰注：表中电流一栏中的D表示工件直径试验3 标准试片与轴承试块的对比显示试验条件：⑴磁化设备： DCF-2000型床式磁粉探伤机；试验2 标准试片的磁化显示•试验条件：同试验1，另外每组试片有两片，其中一片紧贴工件，另一片与工件之间有两层塑料胶带•试验时间：2002年8月2日•试验记录：金 属 及 化 学 研 究 所试验3 标准试片与轴承试块的对比显示试验条件：⑴磁化设备： DCF-2000型床式磁粉探伤机；⑵磁化工件：轴承内圈，人工孔，孔中心深度分别为1.0mm,1.5mm,2.0mm，以第二个孔显示为准，试片上同时紧贴A型试片；⑶磁化方法：中心穿棒，偏芯磁化；⑷磁悬液浓度：3.6mmL/100mL，梨形长颈管测量试验时间：2002年8月2日试验记录： 电流试片1002001300150017507/50A1较清晰清晰清晰清晰清晰15/50 A1清晰清晰清晰清晰清晰轴承孔—－模糊较清晰清晰金 属 及 化 学 研 究 所 从实验1和实验2的数据来看，对于A1型试片，磁化电流只要大于等于0.5D时，试片即清晰显示了。

而且从实验2的数据可知，即使在工件与试片中间加了一层胶带纸，也是如此说明空间磁场已足够将试片磁化了 实验3是关于标准试片与轴承试块的对比显示的从数据中可见，要使轴承试块的第二个孔清晰显示，磁化电流要达到1750A以上，是A1试片清晰显示所需电流的17倍 从3个实验的数据可知，对于高矫顽力的轴承钢来说，把A1型试片作为探伤灵敏度的度量计是完全不对的（即使采用A2试片也是不合适的），应该使用用轴承制作的实物试块•1.2.3结论 ⑴ 高矫顽力的机车车辆轴承在磁粉探伤时，应采用轴承实物试块调节探伤灵敏度，A型试片可显示磁场方向；修订后的TB/T1987-2003《机车车辆轮对滚动轴承磁粉探伤方法》对此作了明确的规定 ⑵ 其它具有规则形状的工件磁粉探伤时，在条件许可的情况下，也应采用实物试块来调节探伤灵敏度金 属 及 化 学 研 究 所2 轴承超声波探伤 2008年4月8日～9日，铁道部运输局装备部在北京召开了铁路货车353130B型轴承分析会会议纪要中明确要求对轴承套圈进行超声波探伤，由铁科院金化所、四方车辆研究所和齐车集团等单位组成研究工作组。

引用标准为BS EN 12080：2007 铁路应用—轴箱—滚动轴承2.1缺陷检测要求 根据BS EN12080：2007第10.2.2条的要求：探伤时，套圈滚道面不允许存在任何缺陷，滚道面下4mm区域内不允许存在反射波幅大于等于附录A中所规定的探伤灵敏度的缺陷，深度超过4mm的区域内允许存在反射波幅不大于探伤灵敏度2倍的缺陷 由于轴承套圈壁厚大都为10～19mm，区分4mm区域会增加技术上的难度，另外从使用安全性考虑，将检测区域内所有缺陷按同一验收级别考虑金 属 及 化 学 研 究 所•2.2探伤方法的选择 对于夹杂物和内裂造成的缺陷，需采用超声波探伤，根据辗压工艺的特点，应采用超声波直探头垂直于滚道面的方向探伤,由于滚道面与探测面（背面）倾斜角度一般为10°（外圈），使用双晶直探头时，可近似认为两者平行,也即双晶直探头垂直于探测面即可•2.3探伤试块 根据BS EN12080：2007附录A的要求，探伤试块采用与被探套圈材质完全相同的套圈制作。

金 属 及 化 学 研 究 所•试块人工孔分三种，分别为ф0.5、ф1和ф2孔的走向垂直于探测面如图2所示图2 外圈超声波探伤试块示意图（ф2）金 属 及 化 学 研 究 所2.4主要轴承套圈滚道面处对应的壁厚 表1 主要轴承套圈滚道面处对应的壁厚 单位：mm序号轴承型号部件最薄处（mm）最厚处（mm）备注1352226x2内圈1015.7锥面外圈918锥面2352230x2内圈10.5417.05锥面3353130x2外圈9194THZ353130B内圈12.519.15锥面外圈8.7217.75锥面5NJ3226x1内圈1414等厚，有挡边外圈1414等厚6NJP3226x1内圈1414等厚，无挡边外圈1414等厚金 属 及 化 学 研 究 所2.5探头焦距的选择 根据实践数据，双晶直探头焦距20mm 以内时，焦柱长度约为4～5mm考虑焦距距最远处2～3mm计算，近处即使不在焦柱内也有相对较高的灵敏度各轴承套圈各处厚度相差较大，为了兼顾各部位探伤灵敏度，探头焦距应为8～16mm。

试验时分别制作了焦距为8mm、10mm、12mm、14mm的探头及综合探头（焦距为10～16mm） 采用五种探头对图2所示试块进行了测试，测试仪器为CTS-23型超声波探伤仪，将测试结果绘制成图表，如图3～17所示金 属 及 化 学 研 究 所图3 外圈Ф0.5FG8图4 外圈Ф0.5FG10金 属 及 化 学 研 究 所图5 外圈Ф0.5FG12图6 外圈Ф0.5FG14金 属 及 化 学 研 究 所图7 外圈Ф0.5FG16图8 外圈Ф1FG8金 属 及 化 学 研 究 所图9 外圈Ф1FG10图10 外圈Ф1FG12金 属 及 化 学 研 究 所图11 外圈Ф1FG14图12 外圈Ф1FG16金 属 及 化 学 研 究 所图13 外圈Ф2FG8图14 外圈Ф2FG10金 属 及 化 学 研 究 所图15 外圈Ф2FG12图16 外圈Ф2FG14金 属 及 化 学 研 究 所图17 外圈Ф2FG16金 属 及 化 学 研 究 所 分析数据及波形图，可以得出如下结论： ⑴外圈Ф1平底孔所有的探头测试数据都较规则，Ф0.5和Ф2平底孔对于不同的探头，测试数据有跳跃现象； ⑵G8、FG10、FG12三种探头测试效果均佳，综合考虑决定选择FG10。

2.6探伤灵敏度 根据BS EN12080：2007附录A第A.4.4.2 灵敏度的要求，滚动轴承分为两级，对应的探伤灵敏度分别为： 等级1 的滚动轴承，人工平底孔直径为0.5毫米，深度为0.5毫米 等级2 的滚动轴承，人工平底孔直径为1毫米，深度为1毫米 又根据BS EN12080：2007第10.2.1条的规定，车辆速度≥200km/h时，推荐采用等级1 电火花加工时平底孔的底部边缘有斜角，结合Ф0.5、Ф1、Ф2三种平底孔的测试结果，决定采用Ф1作为探伤灵敏度，此时实际约为Ф0.7金 属 及 化 学 研 究 所第五章 新技术•1 超声相控阵 超声相控阵成像技术是通过控制换能器阵列中各阵元的激励(或接收) 脉冲的时间延迟,改变由各阵元发射(或接收) 声波到达(或来自) 物体内某点时的相位关系,实现聚焦点和声束方位的变化,完成声成像的技术 由于相控阵阵元的延迟时间可动态改变,所以使用超声相控阵探头探伤主要是利用它的声束角度可控和可动态聚焦两大特点。

金 属 及 化 学 研 究 所 超声相控阵技术已有近20 多年的发展历史初期主要应用于医疗领域,医学超声成像中用相控阵换能器快速移动声束对被检器官成像；利用其可控聚焦特性局部升温热疗治癌，使目标组织升温并减少非目标组织的功率吸收最初,系统的复杂性、固体中波动传播的复杂性及成本费用高等原因使其在工业无损检测中的应用受限然而随着电子技术和计算机技术的快速发展,超声相控阵技术逐渐应用于工业无损检测，特别是在核工业及航空工业等领域如核电站主泵隔热板的检测；核废料罐电子束环焊缝的全自动检测及薄铝板摩擦焊焊缝热疲劳裂纹的检测金 属 及 化 学 研 究 所•近几年，超声相控阵技术发展尤为迅速,在第15 届世界无损检测会议中,关于超声相控阵技术的文献有17 篇之多在相控阵系统设计、系统仿真、生产与测试和应用等方面已取得一系列进展,如采用新的复合材料压电换能器改善电声性能;奥氏体焊缝、混凝土和复合材料等的超声相控阵检测;R/ D TECH ,SIEMENS 及IMA2SONIC 等公司已生产超声相控阵检测系统及相控阵换能器而动态聚焦相控阵系统,二维阵列、自适应聚焦相控阵系统,表面波及板波相控阵换能器和基于相控阵的数字成像系统等的研制、开发、应用及完善已成为研究重点。

金 属 及 化 学 研 究 所•1.1 　原理及特点 超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列,每个晶片称为一个单元,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元,使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示 由其原理可知,相控阵换能器最显著的特点是金 属 及 化 学 研 究 所•1.1 　原理及特点 超声相控阵换能器的设计基于惠更斯原理换能器由多个相互独立的压电晶片组成阵列,每个晶片称为一个单元,按一定的规则和时序用电子系统控制激发各个单元,使阵列中各单元发射的超声波叠加形成一个新的波阵面同样,在反射波的接收过程中,按一定规则和时序控制接收单元的接收并进行信号合成,再将合成结果以适当形式显示 由其原理可知,相控阵换能器最显著的特点是可以灵活、便捷而有效地控制声束形状和声压分布其声束角度、焦柱位置、焦点尺寸及位置在一定范围内连续、动态可调;而且探头内可快速平移声束(图1) 。

金 属 及 化 学 研 究 所•因此,与传统超声检测技术相比,相控阵技术的优势是①用单轴扇形扫查替代栅格形扫查可提高检测速度②不移动探头或尽量少移动探头可扫查厚大工件和形状复杂工件的各个区域,成为解决可达性差和空间限制问题的有效手段③ 通常不需要复杂的扫查装置,不需更换探头就可实现整个体积或所关心区域的多角度多方向扫查④ 优化控制焦柱长度、焦点尺寸和声束方向,在分辨力、信噪比、缺陷检出率等方面具有一定的优越性金 属 及 化 学 研 究 所(a) 声束的平移 (b) 声束角的控制 (c) 聚焦的控制图1 　相控阵换能器的声束控制金 属 及 化 学 研 究 所•1.2超声相控阵换能器按其晶片形式主要分三类 即线阵、面阵和环形阵列线阵最为成熟,已有含256 个单元的线阵( N ×1) , 可满足多数情况下的应用要求;面阵又叫二维阵列( N ×M) ,可对声束实现三维控制,对超声成像及提高图像质量大有益处,目前已有含128 ×128 阵列的超声成像系统应用于金属和复合材料的检测与性能评价 ,该系统具有实时C 扫描成像功能,以标准视频图像在液晶显示器上显示,然而同线阵相比,面阵的复杂性剧增,其经济适用性影响该类探头在工业检测领域的应用;环形阵列在中心轴线上的聚焦能力优异、旁瓣低、电子系统简单、应用广泛,但不能进行声束偏转控制。

与面形和环形阵列相比,线形阵列具有容易加工,发射接收延迟控制电路较简单,容易实现等优点,因此在实际应用中使用较多金 属 及 化 学 研 究 所图2 　相控阵探头阵元几何排列示意图金 属 及 化 学 研 究 所 环形阵列由于不能进行声束偏转控制,大多应用在医学成像和脉冲多普勒体积流量计中其中二维分段交错环形阵列比较特殊,专门用于棒材检测由于目前加工工艺限制,及电路复杂和制作成本高,使二维矩形阵列仍主要应用于医用B 超上,工业上很少使用圆形阵列主要用于检测管子的内外壁缺陷.金 属 及 化 学 研 究 所•1.3主要技术指标 晶片尺寸，晶片间隔，频率，采样频率，显示方式金 属 及 化 学 研 究 所Sonotron NDT1XD Linear ArrayElevationGap SizePitch SizeElement SizeThickness金 属 及 化 学 研 究 所•1.4超声相控阵的应用 1.4.1最早应用是在西气东输工程金 属 及 化 学 研 究 所 1.4.2铁路上现由北京磁通公司引入，与日本合作，目前已结束试验工作，进入了实际应用。

图3轮对镶入部超声相控阵探伤示意图金 属 及 化 学 研 究 所图4 超声相控阵试块图5 典型的超声相控阵探伤图金 属 及 化 学 研 究 所•2 超声衍射时差技术（Time of flight diffraction technique 缩写为TOFD）•2.1概述 超声衍射时差技术是由英国哈威尔无损检测中心的M．G．Silk首先提出，近几年在欧、美、日广泛应用于锅炉、压力容器和压力管道焊缝的缺陷检测和定位、定量、定性评价TOFD法通过测量缺陷尖端衍射信号的传播时间来对缺陷进行检测和定量，这与一般由超声信号幅度来评定缺陷尺寸的方法截然不同——用常规的回波幅度法定量会受到诸如声束角度、探测方向、缺陷表面粗糙度、试件表面状态及探头压力等因素的影响，而缺陷尖端的传播时间是只与缺陷的大小（或深度）有关，不受缺陷回波高度的影响，因此TOFD法从原理上保证了缺陷定量的精确性和可靠性金 属 及 化 学 研 究 所•2.2 TOFD原理简介 当超声波入射到裂纹状缺陷上时，声波的能量以以下方式存在(见图2.1)，一是以反射波的形式存在，声波遵循反射定律，其次是以透射波的形式存在，与入射声波的传播方向相同，此外，声波在缺陷的两个尖端产生衍射现象，以裂纹尖端为中心向四周辐射能量。

以上三种形式的能量中，一般来说反射波的能量最强，传统超声检测时利用的正是反射波的能量，并以探头接收到的能量的多少、即回波幅度的高低来评价缺陷的大小，从图中可以看出，由于对于某类（平面状缺陷）缺陷取向不良时，单个探头将无法接收到反射波，只能增加探头从其他方向接收回波，而且平面状缺陷越大，这种影响越大对于缺陷尖端产生的衍射波，由于其能量远远低于反射回波的能量，在回波幅度定量法中一般很少利用，但由于其缺陷尖端的衍射波向西周传播，没有明显的指向性，声波更易于接收，而且其传播时间中包含着丰富的空间位置信息，因此可以利用衍射波来对缺陷进行检测和定量金 属 及 化 学 研 究 所图2.1 声波与缺陷的相互作用金 属 及 化 学 研 究 所 如图2.2 所示，将一对频率、尺寸、角度都相同的纵波探头相对放置在检测区域两侧，如果检测区域中没有缺陷，则接收探头首先接收到的回波是沿两探头间直接传播的纵波（A），一般称为侧向波或直通波（Lateral Wave），其次是经底面反射的纵波（B）如果检测区域中有缺陷存在时，入射纵波与缺陷相互作用，在缺陷的上下尖端会产生衍射波，由于缺陷与工件的空间位置关系，两个衍射纵波会先于底面反射波（B）被探头接收，即在回波A和回波B之间会显示缺陷上下两尖端的衍射波C和衍射波D。

金 属 及 化 学 研 究 所•当缺陷在工件中的埋藏深度不同时，衍射波距离参考信号（A或B）的时间间隔不同，当缺陷在深厚度方向的大小不同时，两个衍射波的时间间隔也不同，缺陷在工件厚度方向的尺寸越大，时间间隔越大，反之亦然也就是说，衍射波与参考信号之间的传播时间差包含着缺陷的位置信息，而两个衍射信号的传播时间差则包含着缺陷的大小信息因此通过测量衍射信号的有无就可判断检测区域中是否有缺陷，通过测量衍射波与参考信号的时间差就可以准确测量缺陷的位置和大小金 属 及 化 学 研 究 所图2.2 TOFD原理图图2.3缺陷深度计算公式图2.4缺陷高度计算公式金 属 及 化 学 研 究 所•该技术最早于20世纪70年代末由英国AEA国家无损检测研究中心的Harwell实验室的Silk M G提出，多年来得到了比较成熟的发展，在一些国家已发展成一项专门的无损检测方法，广泛应用于核工业、电力设施、锅炉、容器、管道以及铁路、桥梁和高速公路等工程中的金属和非金属检测国外目前已有6个成熟的国家级标准，分别为：1.BS 7706-1993用于缺陷探测、定位和定量的超声波衍射时差法的校准和设置指南2.ENV583-6：2000无损检测 超声检测 第6部分：缺陷探测和定量的超声波衍射时差法3.CEN/TS-14751：2004焊接超声波衍射时差法在焊接检验中的使用4.NEN 1822：2005超声波衍射时差法的检验验收准则5.ASTM E2373-2004采用超声波衍射时差法的标准实施规程6.NDIS 2423-2001超声波衍射时差法技术（TOFD）用于缺陷高度测量的方法 金 属 及 化 学 研 究 所 在国内TOFD技术也得到了日益重视，20世纪90年代起，我国无损检测界开始关注这种方法，进行原理的消化和吸收，并逐步应用于工程检测，最早为西气东输工程。

多年来在国内各工业系统得到了比较广泛的关注和应用，在特种设备行业已得到了普遍应用 TOFD是一种基于非波幅的超声检测技术，缺陷定量可靠性高，较适合于焊缝探伤，因此可用来作为钢轨焊缝和高速货车构架焊缝的主要检测工艺方法，同时采用其他探伤方法作为补充，以此来达到有效、准确的探伤目的金 属 及 化 学 研 究 所•3 导波•3.1 超声导波理论概述 当弹性介质内的某个部分受应力时，就会发生形变，由于这个部分同相邻的部分通过界面相互作用，形变状态就会传递给这相邻的部分，而原来的部分将恢复到初始的无形变状态，形变状态由此顺序向前移动，穿越介质，这是任何弹性介质中声波的基本成因弹性介质中的应力波包括体波和导波体波是指在无限介质中传播的波，而导波则是指由于介质边界的存在而产生的波，如表面波、兰姆波(Lamb)和界面波 在无限均匀介质中传播的波称为体波，体波在介质体内传播，所以其远离边界，未发生波形转换体波有两种：一种叫做纵波（P 波），一种叫做横波（S 波），它们以各自的特征速度传播而无波形耦合其中横波又分为 SH 波和 SV 波，它们的偏振方向一个是水平的，一个是垂直的。

金 属 及 化 学 研 究 所 当存在介质界面时，波的传播常常以反射与折射的形式与边界发生相互作用，且发生纵波与横波间的模态转换，随后，各种类型的反射波和透射波及交界面波均以各自恒定的速度传播，而传播速度只与介质材料密度和弹性性质有关如图 3.1 所示平板，当介质中有一个以上的交界面存在时，就会形成一些具有一定厚度的“层”位于层中的超声波将要经受多次来回反射，这些往返的波将会产生复杂的波形转换且波之间发生复杂的干涉若一个弹性半空间被平行于表面的另一个平面所截，从而使其厚度方向成为有界的，这就构成了一个无限延伸的弹性平板位于板内的纵波、横波将会在两个平行的边界上产生来回的反射而沿平行板面的方向行进，即平行的边界制导超声波在板内传播这样的一个系统称为平板超声波导在此板状波导中传播的超声波即板波或称 Lamb波 金 属 及 化 学 研 究 所•平板、圆柱壳、棒及层状的弹性体都是典型的波导它们共同特性是由两个或更多的平行界面存在而引入一个或多个特征尺寸到问题中来(如壁厚、直径、厚度等)在波导中传播的超声波称为超声导波图3.1 板中导波传播示意图金 属 及 化 学 研 究 所•3.2 相速度与群速度 群速度和相速度是导波理论中的重要概念，也是导波的主要参数。

群速度（cg ）是指脉冲波的包络上具有某种特性(如幅值最大)的点的传播速度，它是波群的能量传播速度通俗的说，群速度是关于一族频率相近的波的传播速度而相速度（cp）是波上相位固定的一点传播方向的传播速度值得注意的是，导波以其群速度向前传播 Lord Rayleigh曾说过：“群速度的概念常用下面这个例子说明，即当一族波列到达一个静止水面时，波群的速度比它所包含的每一个子波的速度都要小；这些子波仿佛通过波群前进，当达到其内部极限时而消失金 属 及 化 学 研 究 所 群速度和相速度的意义可以通过波的叠加引出谐波是最简单的波，一个谐波的振动方程可以表示成下式的形式式中： u----质点振动的位移；A----振幅；k----波数，k=2π/λ，λ为波长；ω---振动的角频率；x----波传播的位置矢量；t----时间变量最简单的分析法是考虑两个振幅相同，频率ω1和ω2略有差异的谐波的传播问题，有式中，k1=ω1/c1；k2=ω2/c2通过三角变换和如下代换 △ω=ω2-ω1 ；△k=k2-k1；ωAV=1/2(ω2+ω1)；kAV=1/2(k2+k1)；cAV=ωAV /kAV 则低频项高频项金 属 及 化 学 研 究 所注意到低频项有一传播速度，群速度定义为Cg=△ω/△k 取极限为Cg=dω/dk。

高频项同样有一传播速度，相速度定义为 Cp=ω/k图3.2 群速度、相速度示意图金 属 及 化 学 研 究 所 频率相近的一族波的叠加导致了图3.2中的典型结果不同的谐波以不同的相速度Cp传播，但叠加起来之后的波群以群速度Cg传播超声导波总是以群速度传播的，但由于实际应用中往往只能得到导波的相速度，群速度Cg可以由相速度Cp，利用公式得到，将k=ω/cp代入上式，得因此 此时就可以通过上式得到导波的群速度上式描述了导波群速度与相速度的关系，其中cg为群速度，cp为相速度，fd为频率-厚度积，f为导波的频率，d为测试件的厚度对于板而言，d 为板的厚度；而对于圆管，d 为管的壁厚金 属 及 化 学 研 究 所 此外，通过试验的方法也可以得到群速度cg 和相速度cp，如图 3.3，波形 a 为弹性波在传播一定距离时得到的一个导波波形波形 b 为传播距离加大了Δl 后得到的一个导波波形图3.3 群速度、相速度计算金 属 及 化 学 研 究 所 比较两图，b 图中包络明显向后移动了一段时间t1，两个波形的等相位点（这里将其视为某一固定波形的过零点）相差的时间为t2。

在工程上，就可以借此粗略地估计这种模式导波在图 3.3 所示超声波频率附近的群速度cg 和相速度cp为Cg=△l/t1Cp=△l/t2导波群速度大并不代表其相速度大；反之，导波的相速度达也不意味着其群速度大•3.3 频散原理和频散方程•3.3.1频散原理 当体波在波导中传播时，在上下交界面处将发生反射，反射后体波的特性只取决于固体弹性参数而同波动本身的性质无关根据弹性理论，当介质的材料参数恒定时，边界处反射的体波的相速度将随频率的变化而改变，这种现象称为频散现象导波的频散现象是通过绘制频散曲线而观测的，频散曲线即为相速度-频率关系曲线超声导波在实际检测应用时需要确定导波信号的激励频率，而频散曲线则是频率选择的基本依据金 属 及 化 学 研 究 所 频散曲线需要通过数值方法进行计算通常的方法是根据实际检测的边界条件建立导波的特征方程，这一方程是一个超越方程，它建立了波数和频率之间的关系根据波数、角频率和相速度三者的联系（见下式）即可绘制出导波的频散曲线•3.3.2频散方程Lamb波在各向同性、均质、自由板中的传播是导波的经典问题，用于推导Lamb波控制方程以及相速度对频率的频散曲线的方法，类似于杆、管、多层介质以及各向异性介质中的导波问题，因此我们先来讨论Lamb波。

Lamb波是在自由板中产生的平面应变波，在板的上、下表面应力为零在板的某点上激发超声波，由于激发区域的超声波传播到板的上下界面时，会发生波形转换（L波变为T波，反之亦然），经过在板内一段时间的传播之后，因叠加而产生“波包”，即通常说的板中的导波模态基于所用的入射角和频率，我们可以预测在板中可以产生多少种不同模态的导波这一问题的精确解可以通过几种不同的方法得到最常见的解法是位移势函数法金 属 及 化 学 研 究 所 一个常见的波导是横向尺寸非常大的薄平板在各向同性的固体自由板中，如图 3.4所示，沿 z 轴方向传播的声波模式称为 Lamb 波这个波实际上是板内纵波和 SV 波相对于 z 轴斜向运行，因而在上下板面不断受到反射而组合根据波的反射理论，一般地，纵波的反射波会被反射成纵波加 SV 波，而 SV 波会被反射成 SV 波加纵波，即反射的纵波和 SV 波是“耦合”的当板内的纵波向前传播时在 z 轴方向上的波数kzL与 SV 波在 z 轴方向上的波数kzT 相等时，板中纵波与 SV 波相互作用会形成共振，这便是Lamb波的物理模型通常将置于空气或真空中板内的兰姆波称为Lamb波，将置于液体中板内的Lamb波称为漏Lamb波。

真空中板内Lamb波的能量在理论上不会向板外扩散，但漏Lamb波则因板周围是液体，其能量会不断向外泄漏，造成这种形式导波随传播距离增大而显著衰减这里我们主要讨论的是前者金 属 及 化 学 研 究 所 根据 Helmholtz 原理，如将位移向量分解，根据弹性理论可得两个分离的波动方程对于自由板（如图 3.4）平面应变问题，有图3.4 自由板几何示意图控制纵波 （3-1）控制横波 （3-2）金 属 及 化 学 研 究 所 其中cL 和cT 分别为材料的纵波波速和横波波速，而φ 和ψ 分别是同纵波和横波有关的势函数假设上式(3-1)和(3-2)的解的形式如下：φ =φ(x3)exp[i(kx1-ωt)] (3-3)ψ = Ψ(x3)exp[i(kx1-ωt)] (3-4)注意到这些解代表 x1 方向的行波和 x3 方向的驻波另外，它还代表了沿板方向传播的波以及在横向固定分布的扰动将这些假设的解代入公式(3-1)和(3-2)，可以得到未知函数Φ 和Ψ 的控制方程Φ(x3)= A1sin(px3)+ A2 cos(px3) (3-5)Ψ(x3)= B1sin(qx3)+ B2 cos(qx3) (3-6)•式中(3-7)金 属 及 化 学 研 究 所 有了这些结果，就可以将它们代入位移和应力方程，得到位移和应力的表达式。

分析可知位移场和应力场就是含有以 x 为宗量的 sin（或 cos）函数，sin（或cos）函数为关于 x = 0的奇（或偶）函数我们把解分成两组模态，对称模态和反对称模态特别是 z 方向的位移，如果位移uz 中包含余弦项，则运动是（关于板的中面）对称的，如果uz 中包含正弦项，则运动为反对称的x 方向的位移正好与之相反，所以我们把板中传播的模态分为两种，即：•对称模态Φ = A2 cos(px3) Ψ = B1sin(qx3)u = u1 = ikA2 cos(px3)+ qB1 cos(qx3)w = u3 = - pA2 sin(px3)- ikB1 sin(qx3)σ31 = μ[-2ikpA2 sin(px3)+(k2 -q2) B1sin(qx3)]σ33=-λ(k2+p2)A2cos(px3)-2μ[p2A2cos(px3)+ikqB1cos(qx3)](3-8)金 属 及 化 学 研 究 所•反对称模态Φ = A1 cos(px3) Ψ = B2sin(qx3)u = u1 = ikA1 cos(px3)+ qB2 cos(qx3)w = u3 = - pA1 sin(px3)- ikB2 sin(qx3)σ31 = μ[-2ikpA1 sin(px3)+(k2 -q2) B2sin(qx3)]σ33=-λ(k2+p2)A1cos(px3)-2μ[p2A1cos(px3)+ikqB2cos(qx3)]这里μ和λ分别为 Lame 常数。

对于对称模态，波结构沿板厚对于是u 对称的，对于w是反对称的；另一方面，对于反对称模态，波结构沿板厚对于w是对称的，而对于u 是反对称的边界条件为：σ31 =σ33 =0,x3 = hσ31 =σ33 = 0,x3= -h(3-9)金 属 及 化 学 研 究 所 分别代入公式(3-8)和(3-9)对于对称模态（S），边界条件将给出关于 A2、B1的齐次方程组；对于反对称模式（A），边界条件给出关于 A1、B2的齐次方程组对于齐次方程组，令系数矩阵的行列式为零，以得到非平凡解经适当的变换推导，可得到频散方程式中 p 和q如公式(3-7)定义，波数k =ω/cp 以上就是著名的 Rayleigh-Lamb 频率方程这些方程可以确定特定频率厚度积（2 fh 或 fd ）的波的传播速度，也就是频散方程对上面两个方程求解就可以得到相速度cp 和频厚积 fd 之间的关系，对于同一频厚积 fd 可以求出不同的相速度，它们分别对应着导波不同的模态绘制成曲线就是相速度频散曲线另外根据群速度与相速度的关系公式可以得到群速度的频散曲线下面就是计算出来的真空中 无约束铝板（密度ρ = 2.7g/cm3、纵波波速cL =6.32m/ms 、横波波速cT =3.13m/ms）的相速度和群速度频散曲线（图 3.5）。

对称模态 (3-10)反对称模态 (3-11)金 属 及 化 学 研 究 所图3.5 无约束铝板的频散曲线金 属 及 化 学 研 究 所•3.3.3弹性空心圆柱体中的导波 为了建立导波的传播方程，需要对管道系统进行一定的假设，基本假设如下：1)假设管道是轴对称且无限长的，如图 3.6 所示；2)管道材料特性是均匀的、各向同性的线弹性体，管轴平行于各向同性轴；3)假设导波是连续的、具有实频的能量有限信号连续波和实频的假设表明瞬时效应不能包含在模型中；能量有限的假设意味着外部能量不能附加进去，所求出的也只是沿轴向传播的导波的解；4)假设管道的周围介质是真空在这种情况下，在内外表面上没有位移限制；而法向应力和两个切向应力在界面上变为零，即在内半径为 a，外半径为 b 的两个边界上，边界条件为：σrr =σrz =σrθ =0 （r=a ,r=b）金 属 及 化 学 研 究 所由弹性力学知识，可得各向同性弹性介质中的运动方程，利用Helmholtz 分解定理，解上面的控制方程，这种边值问题的精确解首先由 Gazis(1959)发表。

质点位移分量可以表示为：ur =Ur (r)cosnθ cos(ωt + kz)uθ =Uθ (r)sin nθ cos(ωt + kz)uz =Uz (r)cosnθ sin(ωt + kz)图3.6 内径为a，外径为b的无限长无应力空心圆柱壳（3-12）金 属 及 化 学 研 究 所 其中，周向阶数为n = 0,1,2,3,…..；ur，uθ，uz分别表示径向、周向、轴向位移分量；Ur，Uθ，Uz是由 Bessel 函数（或者为修正的 Bessel 函数，取决于幅角）构成的相应的位移幅度根据应变-位移关系和应力-应变关系，可求得应力场的解，通过代入边界条件可得空心圆管中的纵向导波频散方程 cij = 0 (i, j =1,2,3,4,5,6 ) (3-13) 其中，cij（i, j∈{1,2,3,4,5,6}）是与管径尺寸（内径 a，外径 b）、材料的拉梅常数λ ，μ ，密度ρ ，角频率ω 以及波数k 有关的函数它们分别用 Bessel 函数（或为修正的 Bessel 函数）表示。

式(3-13)为空心圆管中纵向导波的频散方程在解纵向导波的频散方程过程中，如果n = 0，则是轴对称模态，频率方程可以分解为几个子行列式的积D = D1 ×D2 = 0 金 属 及 化 学 研 究 所•式中D1 = 0和 D2 = 0 的解分别对应于纵向模态和扭转模态研究应力波在空心圆柱壳中的传播时，应分别研究三种不同的传播模态：即纵向、扭转和弯曲模态考虑所有沿z 轴方向传播的模态（图 3.6），纵向模态和扭转模态是轴对称模态，而弯曲模态是非轴对称模态在位移分量表达式中，n = 0对应轴对称模态的位移，n = 1,2,3,….对应弯曲模态的位移，此位移中含有自变量为nθ 的正弦函数，用Silk和Bainton(1979)采用的符号，可方便的表示如下：纵向模态：L(0,m) （轴对称模态）扭转模态：T(0,m) （轴对称模态） 弯曲模态：F(n,m) （非轴对称模态）金 属 及 化 学 研 究 所•式中，周向阶次 n =1,2,3,…. ，反映该模态绕管壁螺旋式传播形态；模数m = 1,2,3,….，反映该模态在壁厚方向上的振动形态。

当n = 0时，有无限多个扭转模态和无限多个纵向模态当n =1,2,3,….时，对于每个 n 将有无限多个模态通常，对于给定的第 n 阶模态，可以做出 m 个模态的频散曲线图3.7 纵波、扭转波、弯曲波在圆管中传播示意图金 属 及 化 学 研 究 所 图 3.7是纵波、扭转波、弯曲波在圆管中传播示意图如图所示纵波和扭转波在圆管中传播的过程中是轴对称的弯曲波在圆管中的传播情况比较复杂，但是同板中弯曲波的传播类似•3.3.4空心圆管中柱面导波 圆管中导波模态的理论结果可以用其群速度频散曲线来表示，对空心圆管中的导波模态进行分析，可以选择出适合管道缺陷检测的模态以及感兴趣的频率范围，从而对实验研究进行指导 在任一频率厚度积下至少存在两个以上的导波模态，并且随着频率厚度积的增加导波模态数迅速增加，这就是导波的多模态现象多模态的存在使得问题更加复杂即使激励了单模态的超声导波，在边界或其他不连续处(如缺陷)也要发生模态转换因此，接收到的信号通常包含两个或两个以上的模态如图3.8，3.9是材料P91、规格为φ595mm×86mm的相速度Cp-频率f、群速度Cg-频率f频散曲线 金 属 及 化 学 研 究 所图3.8 φ595mm×86mm的相速度Cp-频率f频散曲线图3.9 φ595mm×86mm的群速度Cg-频率f频散曲线金 属 及 化 学 研 究 所•从上述频散曲线可以看出厚壁管导波模态非常复杂，在0～0.5MHz范围内就达到40余个之多。

图3.10，3.11是材料P91、规格为φ450mm×41mm的相速度Cp-频率f、群速度Cg-频率f频散曲线图3.10 φ450mm×41mm的相速度Cp-频率f频散曲线金 属 及 化 学 研 究 所图3.11 φ450mm×41mm的群速度Cg-频率f频散曲线金 属 及 化 学 研 究 所•比较两种壁厚的频散曲线，可以得出以下结论：随着壁厚的增加，导波模态明显增多，壁厚41mm的模态约21个，壁厚86mm的模态数量上升至43个图3.12 φ595mm×86mm的相速度Cp-频率f频散曲线金 属 及 化 学 研 究 所•如图3.12，3.13是材料P91、规格为φ595mm×86mm的相速度Cp-频率f、群速度Cg-频率f频散曲线（0-2MHz），对比图3.8/图3.12，图3.9/图3.13，可以得出以下结论：随着频率的增加，导波模态明显增多，在0-0.5MHz范围内的模态数量为43个，在0.5-2MHz范围的模态数量上升至102个，导波模态随频率的增加而大幅增加图3.13 φ595mm×86mm的群速度Cg-频率f频散曲线金 属 及 化 学 研 究 所图3.14 φ450mm×41mm的相速度Cp-频率f频散曲线金 属 及 化 学 研 究 所•下面我们再来比较一下不同壁厚，频率范围在0-2MHz范围内的频散曲线。

图3.14，3.15是材料P91、规格为φ450mm×41mm的相速度Cp-频率f、群速度Cg-频率f频散曲线（0-2MHz），对比图3.12/图3.14，图3.13/图3.15，可以得出厚度变化导致模态增多的结论图3.15 φ450mm×41mm的群速度Cg-频率f频散曲线金 属 及 化 学 研 究 所 通过上述不同壁厚、不同频率范围的频散曲线比较，我们可以总结一下厚壁管导波检测的一些特点，从中可以得出一些有益的结论，从而指导我们试验研究1.在高频段（0.5-2.0MHz）导波模态非常之多，并且随着频率的增大，导波模态有增加的趋势2.壁厚增大（从41和86mm的对比来看），导波模态有增加的趋势3.在高频段，可以通过选取某个模态的导波，使其群速度在特定频率处最大使得该模态最先到达传感器，以分辨该缺陷是有可能的只不过要严格控制其激励带宽，使其为窄带激励4.在无法控制其激励频率时，如采用宽带激励源，只能研究在高频段的所有模态的迭加通过实验的方法，确定适于检测的频率范围，进而实现检测的目的金 属 及 化 学 研 究 所•4 国内外导波探伤现状 超声导波检测法具有单次检测距离远，灵敏度高的特点，国内开发的导波检测系统主要集中在薄壁管或小直径圆棒的多探头检测系统上，国外开发的导波检测系统也主要是梳状传感器（探头组）检测系统，一般检测壁厚最高到４０mm。

国内外导波检测的思路主要是经过管道频散曲线计算，通过设置一定数量的导波探头来抑制多模态的影响，从而得到单一模态导波实现检测了目的但随着频厚积增加导波模态增加，一方面要求采用比较低的检测频率，另一方面需要的检测探头组探头数量急剧增加，在厚壁管导波检测中存在着难以得到单一模态的导波的困难，所以，厚壁管的导波检测国内尚未见研究和应用的报道 金 属 及 化 学 研 究 所 国内外探头组检测系统，在薄壁、低频检测条件下，可有效检测出壁厚截面积１０％的缺陷；在薄壁、高频检测条件下可以检出壁厚截面积１％的缺陷金 属 及 化 学 研 究 所第六章第六章 新工艺新工艺 •1 荧光磁粉探伤时高强度紫外线灯的应用 荧光磁粉是在普通磁粉颗粒的外表面均匀涂敷了一层荧光物质制成的，在紫外线（A波段320 nm～400nm）的照射下，会激发出黄绿可见光（波长510 nm～550nm），称之为荧光，这样检测人员便可以快速、准确地发现磁痕，进行探伤金 属 及 化 学 研 究 所图1荧光磁粉显微镜照片1图2荧光磁粉显微镜照片2金 属 及 化 学 研 究 所图3荧光磁粉显微镜照片3金 属 及 化 学 研 究 所 粉体颗粒大小称颗粒粒度。

由于颗粒形状很复杂，颗粒粒度通常有筛分粒度、沉降粒度、等效体积粒度、等效表面积粒度等几种表示方法目前国内外尚未有统一的粉体粒度技术标准，各个企业都有自己的粒度指标定义和表示方法在不同国家、不同行业的筛网规格有不同的标准，因此“目”的含义也难以统一磁粉探伤术语中的粒度是按筛分粒度的定义划分的，即筛网在一个平方英寸面积内有多少个网孔数，物料能通过该网孔即定义为多少目数例如200目，就是物料能通过一个平方英寸面积内有200个网孔的筛网以此类推，目数越大，说明物料粒度越细，目数越小，说明物料粒度越大表1是我国常用目数与直径比照表目数直径目数直径目数直径目数直径2.5792512139760246325473588014116565220425334459916991801985002553962208331001656252063327247011101508001572797275891808312501082362324952007425005919813541725061625021016514035027053125001金 属 及 化 学 研 究 所 为了使荧光磁粉检测获得高对比度，使缺陷的磁痕能被人眼很容易的捕捉到，检测区域内的紫外线辐照度和环境白光照度必须满足相关的工艺要求，为此国内外的标准都做了相关规定，例如GB/T 15822.1－2005《无损检测 磁粉检测 第1部分：总则》[1]在第10.2条中规定荧光磁粉的检测区域最大环境白光为20lx，被检表面的紫外线（UV－A）辐照强度应大于1000μw/cm2；英国标准BS 4489－1984《无损检测用黑光源 UV－A的测量》[2]里规定荧光磁粉检测时环境白光照度应被限制在10 lx以下，检测表面的紫外线辐照度最小为800μw/cm2。

国内外的其他相关行业标准也沿用了类似的规定 金 属 及 化 学 研 究 所•综上这些相关标准，都是针对在暗室中，即环境白光照度在10 lx或20 lx以下进行荧光磁粉检测，规定了相应的紫外线辐照度应达到的最低指标：800μw/cm2或1000μw/cm2到目前为止，国内外仍遵循着上述标准的规定，设置暗室，控制环境白光照度小于规定值，选用符合要求的紫外线灯，开展荧光磁粉检测工作金 属 及 化 学 研 究 所 随着紫外线灯制造技术的发展，越来越多的高强度紫外线灯形成产品问世，最高的紫外线辐照度已大于60000μw/cm2如此高的紫外线辐照度，即便是在普通工作环境下进行荧光磁粉检测，也可以使缺陷的磁痕激发出清晰可见的荧光，毋需暗室由于目前荧光磁粉检测中，关于高强度紫外线辐照度与环境白光照度的对应关系，国内外还没有明确的规定，一些最新的标准虽然意识到了这个问题，但因为没有科学依据，也不能给出明确的说法，例如GB/T 15822.1－2005《无损检测 磁粉检测 第1部分：总则》在第10.2条中指出“只要显示与环境之间有足够的反差，较高的UV－A辐射允许相应增加较高的环境白光”，给进行荧光磁粉检测带来了不小的困惑。

因此，迫切需要进行高强度紫外线辐照度与环境白光照度对应关系的研究 金 属 及 化 学 研 究 所2005年，铁科院金化所开展了相应的研究 为了充分研究紫外线辐照度和环境白光照度的关系，此项研究针对4种不同的试验对象，包括A1-15/50试片、A1-15/100试片、A1-30/100试片和自然裂纹试块，以及5种不同的荧光磁悬液浓度、3种不同的观察视角，紫外线辐照度从800μw/cm2～50000μw/cm2取了10个试验点，一共开展了60项试验，对应的试验数据和u－v曲线图很多，这里就不一一罗列，下面列出一组典型情况下的试验数据绘制的u－v曲线图金 属 及 化 学 研 究 所下面列出一组典型情况下的试验数据绘制的u－v曲线图图4 0º观察角A1—15/50，0.7ml/100ml U-V曲线图金 属 及 化 学 研 究 所图5 45º观察角A1—15/50，0.7ml/100ml U-V曲线图金 属 及 化 学 研 究 所图6 60º观察角A1—15/50，0.7ml/100ml U-V曲线图金 属 及 化 学 研 究 所•试验数据分析试片显示清晰与消失之间的模糊区域跨度均较大，表明荧光磁粉探伤可容性好；同一试片的人工缺陷清晰显示时，不同浓度的磁悬液所对应的U-V曲线并不重合，说明荧光磁粉探伤时白光强度及紫外线辐照度的选择与磁悬液液浓度有关；无论对于何种规格的试片上的人工缺陷，或者是自然缺陷，U-V曲线一般均为单调递增函数，即磁悬液浓度一定时，欲使缺陷磁痕显示清晰，紫外线辐照度必须随着白光照度的增加而增加。

金 属 及 化 学 研 究 所 由于试验用光源在试片上的强烈反光作用，当试片清晰显示时，观察者与试片平面法线之间存在一个最佳夹角范围，约为45°～60°所有的测试结果显示：当紫外线辐照度为800～1000μw/cm2时，白光照度为400lx，缺陷磁痕即清晰可见这与目前世界公认的紫外线辐照度800～1000μw/cm2时，白光照度应不大于20lx不相符在此推断原有的白光强度20lx以下时要求的紫外线线辐照度应该是考虑了视角、观察距离和个体差别等各种因素后的综合效果，即为了取得良好的荧光磁粉探伤效果，白光强度指标缩小了20倍金 属 及 化 学 研 究 所 将所有试验数据中的磁痕清晰显示点绘制在同一坐标图上后，曲线规律明显，在紫外线辐照度为20000μw/cm2处有一分界点考虑现行标准规定的紫外线辐照度800μw/cm2对应白光照度为20lx这个条件，经过最小二乘法拟合，得出两段拟合直线，如图7所示图7所有磁痕清晰显示点拟合直线图金 属 及 化 学 研 究 所 为了验证试验得出的u—v曲线及公式是否正确，我们邀请了沈阳机车车辆厂、柳州机车车辆厂、齐齐哈尔铁路车辆（集团）公司、西安车辆厂和天瑞集团铸造有限公司5家单位在现场实际探伤工况条件下，对u—v曲线及公式进行了验证，试验数据共362组（天瑞集团125，沈阳厂90，西安厂80，齐厂54，柳州厂13）。

试验方法：在本单位的工况条件下，测试环境及工件表面的白光照度，并通过改变紫外线灯与工件表面的距离来调整工件表面紫外线辐照度，观测在0.2～0.6ml/100ml范围内，不同磁悬液浓度和不同强度的紫外线辐照度下，A1—15/50试片磁痕的显示情况金 属 及 化 学 研 究 所 这里同样因为验证试验的数据量很大，不能全部罗列，下面只列出天瑞集团铸造有限公司的一组试验数据图8 天瑞集团铸造有限公司验证试验数据金 属 及 化 学 研 究 所 分析五个单位362组试验数据，所有的坐标点都位于给定曲线左上侧，说明对于现场任一测定的白光照度来说，公式给出的紫外线辐照度完全满足缺陷清晰显示的要求，验证了公式的科学性，同时也说明对应关系公式具备一定的观察余量 在现场操作中，环境白光照度往往是一个不容易控制的量，所以将白光照度v作为自变量，紫外线辐照度u为因变量，荧光磁粉检测时，工件表面探伤区域紫外线辐照度与白光照度必须符合下列公式：据v ≤20时： u ≥ 800 …………………………………（1） 20< v ≤1670时： u ≥ 11.637v＋567.26 …………………（2）v >1670时： u ≥ 41.935v－50030.4…………………（3）式中 u表示紫外线辐照度，单位为微瓦每平方厘米（μw/cm2）•v表示白光照度，单位为勒克斯（lx）使用条件：采用无暗室荧光探伤工艺时，应无阳光直射到观察区域，建议观察区域白光照度不大于1000lx。

金 属 及 化 学 研 究 所金 属 及 化 学 研 究 所第六章第六章 新工艺新工艺 (2)•2 轮对卸荷槽裂纹的检测•2.1前期研究 2008年8月13日，南昌铁路局永安车辆段对轴号02288轮对进行荧光磁粉探伤时发现在该轮对右卸荷槽存在长度达290mm的横裂纹，从而防止了一起可能因卸荷槽裂纹造成的冷切事故该轮对车轴裂纹引起了铁道部领导的高度重视针对此事， 2008年9月2日，铁道部运输局装备部在贵阳组织召开了“铁路货车轮轴超声波探伤工艺研讨会”，2009年2月6日，在北京组织召开了“铁路货车轮轴超声波探伤技术研讨会”根据两次研讨会会议纪要的要求，由铁科院金化所联合北京铁路局车辆处、北京铁路局丰台车辆段、北京二七车辆有限公司、北京双河理声科技有限公司等单位开展了车轴卸荷槽部位疲劳裂纹超声波B扫描探伤技术的研究金 属 及 化 学 研 究 所探伤试块为车轴实物试块，未压装轴承因为永安车辆段发现的疲劳裂纹距轴端距离是205mm，从严格要求的立场出发，如果比205mm更远的距离处的缺陷都能检测，那么从理论上来说，就解决了轴颈根部的疲劳缺陷的探伤问题了。

因此，除了常规距离200mm的地方外，我们在超声波能到达的极限处，即距轴端212mm的卸荷槽圆弧顶点处也制作了两个人工缺陷这样，车轴实物试块上共分布四个缺陷：距轴端200mm处制作人工缺陷两个，深度为0.5mm和1mm；距轴端212mm（卸荷槽圆弧顶点）处制作人工缺陷两个，深度为0.5mm和1mm试块如图1所示图1 人工缺陷位置图金 属 及 化 学 研 究 所 为了进一步同时验证压装轴承后的探伤效果，我们又制作了一条试验轮对每端共有人工缺陷5个：距轴端200mm处有2个，深度分别为0.5mm和1mm；距轴端212mm（卸荷槽圆弧顶点）处有3个，深度分别为0.3mm、0.5mm和1mm，并在一端压装轴承如图2、图3所示图2线切割人工缺陷后压装轴承图3线切割人工缺陷后未压装轴承金 属 及 化 学 研 究 所•试验结果：试验结果：•1、未压轴承一端的5个缺陷全部清晰显示如图4所示图4 无轴承时超声成像系统检测结果金 属 及 化 学 研 究 所2、压轴承一端的5个缺陷能检出4个如图5所示轴承干扰信号图5 有轴承时超声成像系统检测结果金 属 及 化 学 研 究 所 检测结果表明，超声成像系统能有效检测距轴端212mm（卸荷槽圆弧顶点）处0.5mm深的人工裂纹。

•前期研究结论：： (1)由于超声波绕射，通常认为卸荷槽部位深处不可检测的裂纹实际上是可以检测的； (2)采用超声B扫描成像系统，可以有效消除部分噪声，有利于缺陷的判断金 属 及 化 学 研 究 所 2.2探伤工艺优化 前期试验发现，超声B扫描虽然比常规A扫描在缺陷判断方面前进了一步，但仍然存在大量的杂波，缺陷较小时不能有效区分缺陷波因此，如何进一步降低杂波，关系到卸荷槽裂纹能否成功采用B扫描技术为此，我们发明了特殊探伤工艺（略）2.3试验 2009年4月，在北京铁路局丰台车辆段石家庄南检修车间检测了21条有自然裂纹的轮对，全部检出金 属 及 化 学 研 究 所•3 列车车轮检测•3.1现有探伤设备 在役车轮的自动化探伤，目前国际通常采用的是电磁超声美国、德国和澳大利亚采用电磁超声表面波检测车轮和轮箍原理如图6和图7所示具体方法是在钢轨上镶嵌一线圈，根据电磁感应原理，线圈中的高频电流会在轮箍踏面上激发一高频涡流，高频涡流与磁场相互作用会产生一高频交变应力，该交变应力便在轮箍中激发出一频率为0.4MHz的表面波, 探测深度约10mm。

探头镶嵌在钢轨上，每根钢轨两只，彼此相距600mm，可以互相覆盖对方的盲区当列车轧上探头时，超声波便被激发，并沿踏面朝两个方向传播，以检测轮箍或车轮近表面的径向疲劳缺陷该系统已在德国慕尼黑高速铁路（ICE）上使用了许多年，能够探出踏面中心1mm深、20mm长的人工锯口，此时信噪比约为10dB，当探头与锯口距离增加时，信噪比会降低一些金 属 及 化 学 研 究 所 图6电磁超声表面波的探伤原理 图7电磁超声探头接收的波形金 属 及 化 学 研 究 所 检测结果表明，超声成像系统能有效检测距轴端212mm（卸荷槽圆弧顶点）处0.5mm深的人工裂纹•前期研究结论：前期研究结论： (1)由于超声波绕射，通常认为卸荷槽部位深处不可检测的裂纹实际上是可以检测的； (2)采用超声B扫描成像系统，可以有效消除部分噪声，有利于缺陷的判断金 属 及 化 学 研 究 所 电磁超声的最大优点是不需耦合介质，因而可实现非接触探伤，其主要缺点是⑴只能探测车轮表面层，⑵只能检测径向裂纹目前国内装备的自动化检测设备主要就是此类电磁超声波探伤设备。

•3.2铁科院关于在役轮对车轮自动化检测技术研究 机车车辆车轮自动化检测是世界性的难题，长期以来一直是各国铁路工程技术人员梦寐以求希望解决的技术堡垒中国铁道科学研究院金属及化学研究所从1997年至2007年，经过十年潜心研究，成功研制了铁路车轮全自动超声波检测系统，达到了国际先进水平，并于2007年11月13日在南京东机务段通过了由中国铁道科学研究院与上海铁路局联合组织的技术评审经一年多来的不断优化研究，检测系统的稳定性、可靠性获得了大幅度的提升，能适应各种不同现场环境条件下的运用要求金 属 及 化 学 研 究 所•3.2.1检测原理•根据超声波探伤的原理，当超声波与裂纹面垂直时，超声反射能量最大超声波沿车轮径向入射时正好与周向缺陷相垂直因此，采用超声径向入射检测车轮周向缺陷的效果最好，如图8所示采用超声横波检测径向裂纹，如图9所示 图8周向裂纹的检测 图9内部径向裂纹的检测金 属 及 化 学 研 究 所 铁路车轮超声波检测的难点在于超声波探头的布置铁科院金化所于2005年在国际上首次发明了钢轨外偏置技术装置（图10），在保证机车车辆运行安全的前提下，采用拓宽轨距和增设护轮轨的方式，有效地解决了检测中探头安装与定位的技术难题，满足了车轮超声波自动化检测的需要。

探测车轮周向缺陷用的双晶纵波直探头和探测径向缺陷用的大角度横波探头按一定间距周期性排列，布置长度达到车轮周长，即可完成车轮通过式全周长扫查该项技术具有独立自主的发明专利，专利号ZL200520118146.2图10 探头布置原理图金 属 及 化 学 研 究 所 研究的检测系统采用网络控制模式，具备很强的自检和容错性能，实现了检测系统的远程控制2009年优化后的第二代检测系统已在铁科院东郊环形试验基地完成了优化研究和考核 图11 检测系统外貌 图12检测系统控制台金 属 及 化 学 研 究 所•3.2.2检测系统特点a.在保证机车车辆运行安全的前提下，首次采用了拓宽轨距和增设护轮轨的方式，有效地解决了检测中探头安装与定位的技术难题，满足了铁路车轮超声波自动化检测的需要b.多通道超声波检测系统实现了增益、声程、延时、脉冲宽度等参数的动态设置与调整，探头选通控制系统可灵活控制任意探头的选通接收，实现了多探头分时共用单通道的功能c.系统具备很强的自检和容错性能采用缺陷回波信号的自适应相关处理及识别软件，缺陷自动识别准确率达100%。

d.具有极高的检测效率，每辆机车或每节车辆通过时间仅需13秒e.采用网络控制模式，实现了检测系统的远程控制f.应用范围广，适用于所有轨道交通机车车辆车轮自动化检测 金 属 及 化 学 研 究 所•4货车“空心”车轴 这是一个工艺技术，由日本铁道综合技术研究所试验目的是为了提高车辆车轴探伤效率和准确性，在车轴中心镗孔，直径30mm利用这些装置，充分保证了探伤精度该种类型的车轴已在日本考核试用 图13车轴中心探伤孔图14 中心孔实际货车车轴金 属 及 化 学 研 究 所货车轮轴探伤设备最新动态•1、2009年6月10日，运装管验[2009]343号“关于印发《铁路货车轮轴磁粉探伤设备技术条件（暂行）》和《铁路货车轮轴超声波探伤设备技术条件（暂行）》的通知”•2、2010年3月1～3日，在北京组织了新一代轮轴探伤设备比选，磁粉设备第1名：磁通，第2名江苏赛福；超声设备第1名：磁通（相控阵），第2名：邹展麓城（北京双河理声，B扫描），第3名：江岸紫云（通用技术+B扫描）•3、2010年9月7 ～9日，考察了北京磁通和江苏赛福生产质保体系，进入实质性的技术条件统一阶段。

•4、重载与空心车轴。