动车组空心车轴人工裂纹型式及其灵敏度试验

黄永巍，高东海，任明照，郭 犇，范振中

（中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081）

铁道动车组空心车轴超声波探伤基本上有两大问题：探伤灵敏度与人工裂纹型式。近年来，空心车轴超声波探伤人工裂纹在原有弦长型模式的基础上，增加了等深型模式。孰优孰劣，不置可否。所谓弦长型裂纹，是用诸如线切割技术，从圆周表面往下切割，弦高达到缺陷要求的深度时即止，如图1（a）所示。等深型裂纹，是用电火花等加工技术，从圆周表面往下电蚀，裂纹深度各处均等，如图1（b）所示。

另外，德国、日本、意大利等厂家的空心车轴在出厂及应用中的超声波探伤灵敏度相差很大，人工裂纹深度从1～3mm不等［1］，给我国高铁空心车轴的探伤带来了很大的困惑。为此，笔者模拟实际的空心车轴，制作了不同深度的弦长型和等深型人工裂纹（裂纹宽度均为0.2mm），采用了不同折射角度的超声波斜探头进行了系列试验。

图1 裂纹型式

1 试块

空心车轴型式较多，各部位外径不同，内孔大多为φ30mm。研究过程中制作了两种人工试块，一种是外径98.5mm，内径30mm；另一种是外径65mm，内径30mm。裂纹深度分别为0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0mm。裂纹型式为弦长型和等深型。由于两种不同外径的试块最终测试结果一致，所以此处仅以外径98.5mm，内径30mm的车轴试块为例。试块尺寸如图2所示。

2 仪器及探头

超声波探伤仪为CTS－23型衰减型仪器。

超声波探头分凸面和凹面，角度分别为38°，45°，50°和70°。频率分2.5和4MHz。

3 试验数据

3.1 1号试块

采用10mm×10mm探头在1号试块上测试，测试对象为外径面裂纹，弦长型缺陷，内径面凸面斜探头探测，不同频率下的测试数据见表1和图3。

3.2 2号试块

2号试块上的测试对象为内径面裂纹，弦长型缺陷，外径面凹面斜探头探测，采用尺寸为10mm×10mm的探头在不同频率下的测试结果见表2和图4。

表1 1号试块试验数据 dB

表2 2号试块试验数据 dB

3.3 3号试块

3号试块上的测试对象为外径面裂纹，等深型缺陷，内径面凸面斜探头探测，采用10mm×10mm探头在不同频率下的测试结果见表3和图5。

表3 3号试块试验数据 dB

3.4 4号试块

4号试块上的测试对象为内径面裂纹，等深型缺陷，外径面凹面斜探头探测，采用10mm×10mm探头在不同频率下的测试结果见表4和图6。

表4 4号试块试验数据 dB

4 数据分析

（1）2.5MHz 38°斜探头探伤灵敏度远远高于2.5MHz其他角度的斜探头。例如对于深度为0.5mm的弦长型裂纹，比45°，50°，70°斜探头分别高了14，23，51dB（见表1和图3（a））。

（2）2.5MHz 38°斜探头的探伤灵敏度高于4MHz 38°斜探头10dB以上（见表1）。

（3）频率4MHz的38°和45°探头的探伤灵敏度基本一致。

（4）38°和45°探头对于不同深度的人工裂纹灵敏度变化平缓，特别是38°探头，深度3mm的裂纹仅比深度0.5mm的裂纹高了5dB。

（5）裂纹深度≥1.5mm时，所有探头反射当量变化平缓。

（6）对于同一深度的弦长型裂纹与等深型裂纹，同一斜探头的反射当量基本一致，详见表1和表3，表2和表4。

5 结论

（1）采用2.5MHz 38°斜探头检测空心车轴裂纹类缺陷效果最佳。

（2）人工裂纹深度定为1mm即可。

（3）等深型裂纹和弦长型裂纹反射当量一致，因此可根据裂纹加工制作的难易程度选择不同型式的裂纹。例如在车轴外表面加工裂纹时，可采用弦长型裂纹；在空心车轴内表面加工裂纹时，可采用等深型裂纹。

［1］中华人民共和国铁道部运装客车［2008］694号，CRH系列动车组空心车轴超声波探伤工艺规程（试行）［Z］.