超声波检测锤杆疲劳裂纹

黄科伟

摘 要：文章对铁路工业部门常用的自由锻锤锤杆疲劳裂纹（疲劳裂纹在锤套下15-30mm之间，无法直接观察）采用超声横波检测，解决了锤杆疲劳裂纹生成，一般发展情况。由于疲劳裂纹角度变化，它对超声波的反射量增加，完全改变了当量变化规律，及疲劳裂纹的深度发展测定问题。

关键词：锤杆；疲劳裂纹；超声波；检测

前言

锻造生产中自由锻锤是应用很普遍的一种锻造设备，目前在铁路工业部门应用十分广泛。常用的有0.5-1.5吨的单拱式自由锻锤，这种锤可以三面接近下砧，操作方便。它所加工的锻件几何形状多样，批量较小，生产中由于加工锻件品种繁多，有时锻造工艺所需，避免不了偏心锻造，有的锻件薄而小易产生冷锻。设备使用一定周期后，由于下砧座产生倾斜，在寒冷季节锤杆工作前，预热温度不够（100-200℃），加上长期使用等因素导致锤杆产生疲劳裂纹。一旦产生疲劳裂纹，如果不能及时发现，使之发展到一定程度，锤杆便会造成折断。由于锤杆上有锤头套，锤头套又与上砧连为一体，重量可达几百到上千公斤，若在生产中锤杆折断时，锻锤三面都有人在操作，这将对人身安全带来很大的威胁。为此如果能在未解体的情况下，及时检测出锤杆裂纹生成及发展情况，并进行预报，预先做好备品及时修补或更换，缩短检修时间，防止人身伤害。为了解决这个问题，通过长期试验和观察，采用超声波检测方法是一条可行的途径。

1 疲劳裂纹位置及特点

常用的单拱式0.5-1.5吨汽锤结构通常为锤杆与锤套以2°-4°锥度在中间夹1.5-2mm铜皮成紧配合，由于在使用中不可避免遇到前言中所述的不利因素，使锤杆与锤头套紧配合处产生应力集中，成为疲劳裂纹源，一般锤杆产生疲劳裂纹部位大致在锤头套下15-30mm处。

由于疲劳裂纹在锤头套下15-30mm处，无法直接观察。以往检修都是在停产后，将锤头套加热到一定温度，使锤杆和锤头套分离，再采用表面探伤手段来检测，这样就费工费时，如果不检修就不能及时发现裂纹，在使用过程中将发生人身和设备事故。而通过较长时间的试验，用超声波（横波）在不解体的情况下进行检测，从而发现疲劳裂纹以及测定裂纹发展状况下可行的。

2 斜探头横波探测方法

针对上述情况在解体的锤杆易产生裂纹的部位处加以人工1×1mm锯口，用超声波横波来检测。斜探头选用2.5PK1 9×9mm探头，根据公式tg？茁=■计算出探头入射点至人工锯口的水平距离e，移动探头找出1×1mm人工锯口的最高反射波为荧光屏垂直刻度满幅80%高时，衰减器读数为零dB，用这个灵敏度再到表面探伤已发现有裂纹的锤杆上进行检测（裂纹长度已量出）在测出裂纹最高反射波为荧光屏垂直刻度满幅80%高时，同时横向移动探头，量出探头移动距离值，同时记录下这时的dB值，然后用人工处理量出裂纹深度，观察它的发展角度，从中发现同样长度的裂纹。由于在锤上发展角度不同，它的反射量不同，不同样的长度，条数不同，它的反射量也不同。

为了在现场工作方便，可以把1×1mm人工锯口灵敏度用方形试块代替。在同样的情况下Φ2mm横孔的反射波在荧光屏垂直刻度满幅80%高时为-6dB。用这个灵敏度进行检测，并绘制相应的裂纹深度曲线。通过曲线可以看出，当反射波为垂直刻度满幅80%，裂纹深度为14mm。当增益7dB反射波为垂直刻度满幅80%，裂纹深度为8mm。当增益17dB反射波为垂直刻度满幅80%，裂纹深度为2.5mm。当增益21dB反射波为垂直刻度满幅80%，裂纹深度为2mm。

在2012年的实际检测中有一根锤杆，直径为Φ175mm，探头入射点距发现裂纹Φ130mm处（距锤套下20mm），裂纹反射波为荧光屏垂直垂直刻度满幅80%时，为零dB（标准灵敏度为零dB）用半波横向单侧移动探头用来判断裂纹的发展情况，单侧移动距离变化和dB值的变化见表1所示。

断口上裂纹是典型的疲劳裂纹，发展为贝壳形状，测量裂纹发展的各阶段长度和深度可以绘制出对应的弧长--深度曲线。从断口分析可以清晰看出裂纹发展过程中能产生一定角度变化，由于裂纹角度变化，它对超声波的反射量增加完全改变了当量变化的规律。裂纹深度发展的时间先慢后快，3-30mm深度为一过程，发展较为缓慢，深度大于30mm发展过程较快，最终将产生脆断。

为了能在裂纹深度大于14mm时，在超声波反射量不明显增加情况下确定裂纹发展的情况，可以用半波高度法（横向移动探头）量出探头横向移动的弧长，再在弧长——深度曲线上查出相应的深度，决定是否更换锤杆。

3 结束语

通过一年多时间对种直径自由锻锤杆探测：如1/4吨锤，锤杆直径Φ110mm，裂纹反射波为荧光屏垂直刻度满幅80%高时，增益13dB，单侧移动距离7mm，拆检后裂纹深度为6mm。1/2吨锤，锤杆直径Φ175mm裂纹反射波为荧光屏垂直刻度满幅80%高时，增益21dB，单侧移动距离3mm，拆检后裂纹深度为2mm，按要求进行修补使用。在去年7月生产过程中，3吨锤发现锤声异常，经检测后未发现裂纹，继续使用至今，锤杆未发现异常情况。

综上所述，利用超声波检测自由锻锤锤杆疲劳裂纹方法行之有效，操作简便，效果显著。

参考文献

[1]李家伟，陈积懋.无损检测手册[M].北京：机械工业出版社，2001.

[2]超声波检测/中国机械工程学会无损检测学会编-2版[M].北京：机械工业出版社，2004.