第七节　轮对探伤

轮对是车辆的关键部件，对列车运行安全起着重要作用。轮对探伤是及早发现轮对内部缺陷、杜绝冷切轴事故发生、确保车辆运行安全的主要手段之一。目前，轮对的探伤检查主要有两种方法：电磁探伤和超声波探伤。这两种方法均属于材料的无损检测方法，前者主要用于检查轴颈、防尘板座及轴身有无裂纹，后者用于检查已组装好车轮的车轴镶入部有无裂纹、接触不良以及车轴有无透声不良。

一、电磁探伤

（一）电磁探伤的基本原理

1.基本原理

电磁探伤是一种利用电磁原理来发现金属缺陷的检查方法。这种方法是将铁磁材料的零件磁化，零件缺陷处的磁阻就会增大，通过漏磁来发现缺陷。如果由铁磁材料所制成的零件组织均匀，且没有任何的缺陷，则各处的导磁率均相同，磁化后磁力线的分布也将是均匀的。如果零件中存在缺陷（空气、其他气体、真空、非磁性材料等），缺陷的导磁率较低，则磁力线通过这些地方时将会遇到较大的磁阻，磁力线的分布将发生变化。如图2-36所示，在缺陷部分磁力线会穿出零件的表面而外泄，形成漏散磁场。散逸的磁力线向外逸出，而后又重新穿入零件，因此会在缺陷两侧磁力线出入处形成磁极，这些磁极吸引铁磁物质。而没有缺陷的零件，则不会形成漏散磁场。

2.显示方法

漏磁场存在的显示方法，一般是将磁粉均匀地散布于零件表面，如果零件中存在缺陷，则所产生的漏磁通能吸引磁粉，造成磁粉的聚集。由于裂纹的长度与深度各不相同，其磁力线的漏泄也不相同，磁粉聚集时各处的粗细就不一样，因此从聚集的磁粉形状就可以大致判断出裂纹的长度和深度。

用磁粉显示缺陷的方法分为干法和湿法（磁悬液）两种类型。干法是利用手筛、喷雾器或喷枪将干磁粉撒在被磁化的工件表面，然后轻轻振动或微微吹动工件上的磁粉，使多余的磁粉去掉，进而可以发现缺陷；湿法是把磁悬液（由磁粉和油、水、活性剂、防锈剂配制而成）均匀地喷射在被探伤的工件表面或把工件浸入磁悬液中进行探伤检查。干法适用于大型工件的检测，不适用于机械化检测。湿法对于小型或空心工件使用较为方便，因为磁悬液具有良好的流动性，它能同时显示工件整个表面上的缺陷。湿法还可以使用荧光磁粉来显示，在暗室中用长波紫外线灯光照射荧光磁粉，它可以呈现出黄绿色荧光，色泽鲜艳，容易观察，可见度和对比度都较好，能提高检测速度，有效减低漏检率。

3.磁粉

裂纹或缺陷的显示是否清晰与作为媒质的磁粉有很大关系。磁粉的磁性越好，粒度越细，则检测灵敏度就越高，反之灵敏度就下降，显示就不够清晰。因此，对探伤的磁粉要求是：导磁率高，质地纯净，粒度适中，不混合粘土和固定碳等非磁性氧化物质。

常用磁粉的化学成分为可溶铁含量68％～73％，化合碳含量小于0.2％。干法探伤时，用于车轴探伤的磁粉粒度为100～200目（使用标准铜丝筛筛选）。湿法探伤时，用于车轴探伤的磁粉粒度为小于320目。

4.零件磁化

在电磁探伤时，如果磁力线的方向与裂纹或缺陷的方向垂直，此时最容易发现裂纹。如果磁力线的方向与裂纹或缺陷的方向平行，裂纹并没有阻碍磁力线通过，因此磁力线不弯曲也不漏泄，磁粉也不会集中，也就达不到探伤的效果。所以必须根据零件的受力情况，采用纵向的磁场或者是横向的磁场，分别来检验横裂纹和纵裂纹。图2-37为周向磁化图，圆套状零件中心插入铜管后，当铜管上通入强电流，则磁力线沿圆套周向形成回路，圆套被周向磁化。图2-38为纵向磁化图，车轴总是受到由弯曲而引起的拉应力，最危险的裂纹是横裂纹，因此车轴的探伤检查采用纵向磁化的方法。但无论是周向磁化还是纵向磁化，均可采用直流或者交流电源。

根据零件的磁化和探伤是否同时进行，可以把零件的磁化方法分为两类，即外加磁场法和剩余磁场法。外加磁场法是在对零件磁化的同时，把磁粉撒在零件上进行探伤，车轴及其他大型零件多用此法。剩余磁场法是先加外磁场使零件磁化，撤销外磁场后，利用零件的剩磁进行探伤。剩余磁场法适用于矫顽力大的钢材制作的零件，其剩余磁感应强度必须大于0.8T，否则磁粉聚集所形成的磁痕不明显。在用交流电建立磁场时，必须考虑到断电的相位，否则不能保证剩磁的强度。滚动轴承的探伤常用剩磁法。轴承探伤机用交流电对零件充磁时，电路中设有断电相位控制器，使充磁电流最后的波形与充磁过程中电流波形一致，避免剩磁强度不稳定。轴承零件探伤后必须退磁。

5.不足之处

采用电磁探伤不易发现金属内部较深的裂纹与缺陷。虽然磁力线遇到缺陷会弯曲，但由于内部缺陷与外表面的距离较远，磁力线不可能泄漏到外表面，以致工件表面各处的磁力线密度相差不大，磁粉不会集中。但在离表面3～4mm以内的裂纹，也有少许磁力线外泄，因此有较微弱和不太清晰的磁粉集中，需要仔细辨认才能看出。

二、超声波探伤

超声波探伤的基本原理是：用超声波发生器向工件内发射超声波，超声波遇到缺陷时受阻，检测缺陷反射回来的超声波和超声波通过工件后衰减的程度，即可发现缺陷及位置。

1.声波和超声波

从物理学知道，振动的物体形成声源，声源通过弹性介质（如车轴等金属部件）将这种振动以波动的形式由近及远地传播出去，这就是声波。

人的耳朵能够听到的最高频率的声音是16～20000Hz的声波。超过20000Hz的声波叫超声波。

超声波的频率、波长、波速三者之间的关系可用下式代表，即

　　（2-1）

式中　λ——波长（m）；

F——频率（Hz）；

C——波速（m/s）。

2.超声波的特性

（1）超声波的指向性

对于超声波探伤来说，准确的确定声场（充满声波的空间）的形状及其大小有着重要的意义。

传播于介质中声束的指向性如何（尖锐或发散），主要取决于辐射器（声源）的直径与超声波波长λ之比（D/λ），如图2-39所示。由图中看出，当D/λ之值增加时主波束的张开角度（即扩散角）将减小，即称之为指向性好。形成发射区的圆锥体张开角，即扩散角，习惯上都采用其值之半，即半扩散角，用θ表示。对于圆形的辐射器表面，其值大小可由下式求出，即

　　（2-2）

（2）超声波的绕射

声波在传播中遇到障碍物时，它的传播方向和声强都要受到影响而有所改变。如果声波在其传播途径中遇到障碍物，而障碍物和波长相比不甚大时，声波能绕过障碍物向后面继续传播，这叫做声波的绕射。

当障碍物远小于声波的波长时，绕射现象十分显著。如果障碍物尺寸比波长大得多，那么在它的后面将有一块没有声振动的区域叫声影。

超声波由于它的波长甚短，容易受障碍物的阻挡和反射，所以可以利用这个特点对物体进行探伤。但绕射现象的存在对探伤工艺是不利的，为了能发现工件中极小的缺陷，避免超声波在缺陷上产生绕射，就必须选择波长极短的超声波。

（3）超声波的反射、折射、反射率与穿透率

当超声波从一种介质向另一种介质传播时，在两种介质的分界面上，一部分能量入射到第二种介质中，另一部分能量将反射回来。超声波由第一种介质进入到第二种介质时，其方向也发生改变，叫做折射。反射和折射的方向符合光学定律。

反射波的声强度和入射波的声强度之比称为反射系数（反射率），以k表示。透射系数（又叫透过率）以b表示，即

b=1-k　　（2-3）

两种介质的密度和其传播超声波的速度相差越大，透射系数越小。声源和工件之间有空气层时，超声波很难透过，为了使超声波能够更好地向工件内部发射，要在探头和工件之间涂上一层耦合剂，耦合剂可以使用水和各种油类。

（4）超声波的波型

超声波在介质中传播时，根据质点振动方向和声波传播方向的状况可分为纵波、横波等波型。不同波型的传播速度不同，如纵波在钢内的传播速度为5810m/s，横波的波速为3230m/s，在其他介质中横波的速度也约为纵波速度的1/2。只有纵波一种波型的超声波由一种介质向另一种介质传播时，在后一介质中除有纵波超声波外也将产生横波等形式的超声波，这种现象叫做波型的转换。当纵波超声波由有机玻璃向钢内发射时，如果入射角大于28°时，纵波被全反射，只有横波折射到钢中去。所以一般用入射角较大的斜探头探伤时，是用横波探伤，用小角度斜探头和直探头时，是用纵波探伤。

（5）超声波在介质中的衰减

超声波在介质中传播时，会因散射和能量被介质吸收而逐渐衰减，传播距离受到限制。如果介质的弹性好，晶粒细密，超声波就衰减较小，则透声性能良好。若介质弹性差，晶粒粗大，超声波衰减就大，则透声不良。同种介质中，超声波的频率高则衰减大；频率降低时衰减就小，可使探测深度加大。

3.超声波探伤的物理原理

根据上述超声波的性质，可以利用超声波对金属或其他材料进行探伤。由于超声波会被两种介质的界面反射（金属零件内的缺陷，如裂纹、气泡等常存在金属与空气的界面）根据反射波的情况可确定有无缺陷。利用超声波折射的性质可以确定缺陷与探头的方位关系。各种介质传播超声波有特定的波速，可由超声波反射回来所用的时间确定缺陷与探头的距离。根据工件的透声性能和缺陷的尺寸，可以恰当选择超声波的频率，以保证一定的探测深度和灵敏度。