火车车轮超声波探伤

朱庆

摘 要：本文介绍了火车车轮超声波A扫描和C扫描探伤，并对C扫描探伤的原理、方法和过程进行了详细的介绍。对于C扫描探伤的直接接触法与水浸法两种方法进行了比较，水浸法探伤在探测不同取向缺陷、较薄试件、灵敏度、分辨率、探头寿命和可靠性方面具有较大优势。对于超声波A扫描和C扫描探伤的优缺点进行了比较。

关键词：火车车轮 超声波探伤 C扫描

中图分类号：U26 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）05（c）-0062-02

常规车轮检测主要是以A扫描为主，A扫描探伤是基本的探伤方式，其采用脉冲反射幅度法检测缺陷。A扫描只能反应基本信息且与技术人员的经验有极大关系。常规超声波检验主要分为在线检测和离线检测两种。

自动车轮探伤工序如图1所示。设备采用耦合接触法超声波探伤，车轮内侧面和踏面分别布置一组组合式耦合接触式双晶探头，声束覆盖各扫查面宽度。工件经过抛丸处理后由辊道进入检测托辊，稳定后工件转动，实现探头对工件轴向和径向的扫查，检测人员观察屏幕及各通道指示灯，发现有缺陷红灯指示时切换屏幕显示，转动工件仔细确认缺陷，并填写检验结果，检查完毕，车轮经辊道进入下一检测工序。

1 车轮超声C扫描探伤

C扫描实现了材料检测的自动化，使检测结果呈直观的图像显示；超声C扫描具有良好的穿透性，对缺陷具有较高的灵敏度和可靠性；C扫描可以获得材质内部缺陷、损伤的大量信息，甚至可以对工件的整体品质做一定的质量评估[1～2]。1956年在美国的加里福尼亚的派拉蒙研究出世界上第一台超声波C扫描检测仪器，C扫描技术很快推广应用到材料内部缺陷的检测上。

超声波C扫描提取垂直于声束指定截面（即横向截面像）的回波信息合成二维图像，可获取不同截面的信息，因此被广泛应用[3～4]，超声C扫描过程如图2所示。在水浸式C扫描成像中，超声探头得移动是二维扫描即要沿x方向扫描，又要沿z方向扫描。为获得某一与声束轴线垂直的断面在y=y0的图像，扫描声束应聚焦与该平面，并从换能器接收到的散射信号中选取对应于y=y0处的信号幅度，调制图像中与物体坐标（x，z）相应像素的亮度，以获得y=y0截面的图像。改变扫描声束聚焦的平面，即可获得物体不同深度的C扫描截面图像[5]。

超声C扫描技术是将超声检测与电脑控制系统相连接，利用电脑进行数据采集、存贮、处理、图像显示集合在一起的技术。超声波C扫描系统使用电脑控制探头在工件上扫查，把工件内部C扫描的反射波强度作为辉度变化并连续显示出来，可绘制工件内部缺陷的横截面图形。超声波C扫描系统由机械传动机构、C扫描控制器、超声波C扫描检测仪以及PC微机系统四部分组成。检测时数据的获取、处理、存贮与评价都是在每一次扫描的同时，由电脑在线实时进行。共有两个信号输入计算机处理：一个是探头所处位置的信号，一个是来自超声波检测仪描述超声波振幅的模拟信号。这两个信号经过A/D转换，模拟信号转化为数字信号后输入电脑，然后由扫描模式产生一个确定其尺寸的数据阵列，图形显示这个区域范围内数据阵列里每个点在显示器上显示为一个像素。图形可以有多种颜色分级显示，代表不同的dB数，在每次扫描结束时，计算机可通过软件自动完成对每一种颜色和显示的面积的像素数的统计。对显示的扫描图像作相应的解释，对缺陷进行评定[6～7]。

超声波C扫描是记录来自“A扫描”的数据和信息的二维平面图。在C扫描上所示的所有信息首先在示波器上显示，而后由C扫描显示器上显示出来。在示波器上有控制输出信号的闸门电路，检测人员确定采集所需信号，可转化成为衡量材料质量的信息，并将其显示在C扫描记录上[8]。

超声波C扫描检测系统，其系统配置主要包括以下四个模块：（1）机械扫查结构；（2）运动控制硬件和软件；（3）数据采集分析硬件和软件；（4）其他相关仪器。

超声波C扫描检测系统主要由传感器、检测仪、机械扫描机构、信号采集单元、控制系统以及成像显示单元组成，如图3所示。

其工作原理是：当被检物体内部的均匀性发生变化时（例如车轮内部存在夹杂等缺陷），声波将会改变其原有的传播规律，这种变化被换能器接收，其信号以回波形式通过A/D转换成为数字信号。通过提取其中与缺陷有关的特征参量，建立缺陷识别模式，将被检测部分的检测结果以不同颜色显示出来。超声波自动C扫描成像检测通过设计专门的扫描机构，在控制系统的作用下，自动地完成对被检测材料或绩构上每二点的覆盖扫描、同时以波形和图像实时显示被检测结构的内部质量[9]。

超声波C扫描探伤技术，由于其具有自动化程度高，检测结果直观可靠，检测结果便于永久保存，这都为缺陷的定量、定性、定位的最终判定提供了有利的判定依据。利用高频超声波具有波长短、方向性好及分辨率高等特点对车轮进行C扫描实验，可对微小缺陷（例如非金属夹杂物）进行检测。利用A扫描中缺陷波的深度位置及C扫描中缺陷距试样边界距离进行定位，同时，C扫描图像可再现单个大颗粒夹杂物或小夹杂物团重叠的形貌。此外，利用超声波C扫描功能可获得车轮试样的超声层析成像，进而获得缺陷的具体形状和精确尺寸，这就为车轮的安全评定，寿命评估和有限元应力计算等提供了准确的预测依据。

对于车轮探伤，在扫描方式上选择水浸式，这样与超声波C扫描技术有利的结合起来。超声波探伤有很多方法，按耦合方式分类可分为：直接接触法与水浸法两种。其中直接接触法是最为常见的探伤方法，其具有方便灵活、耦合层薄、声能损失少等优点。然而，实际探伤时由于探头上所施加压力大小、耦合层厚度、接触面积大小、工件表面情况均难以控制，因此，它们的综合影响难以估量；再则，直接接触法使探头容易磨损，检测速度慢，因此对于诸如车轮，宜采用水浸法探伤。其有如下几点优势：

（1）探头和试件不接触，超声波的发射和接收都比较稳定。试块表面粗糙度的影响在水浸法中也存在，但粗糙表面引起的声能损失比接触法小的多。endprint

（2）通过调节探头角度，可方便地改变探头发射的超声束的方向，从而很容易地实现斜射声束检测，以及沿曲面或不规则表面进行的扫查，对于获得不同取向缺陷的最大回波高度也是有利的。

（3）由于表面回波宽度比发射脉冲宽度窄，可缩小检测盲区，从而可检测较薄的试件。

（4）由于探头不直接接触试件，探头损坏的可能性较小，探头寿命较长。

（5）便于实现聚焦声束检测，满足高灵敏度、高分辨率检测的需要。

（6）探头可以在机械系统驱动下运行，便于实现自动检测，减少影响检测可靠性的人为因素。

2 车轮探伤方法的比较

就当前国内的常规车轮超声波探伤技术应用情况来看，常规超声波无损检测技术虽然己经被广泛地应用于车轮检测，对质量控制和在线实时检测都具有重要的作用和影响；但是常规波形检测结果对检测人员的依赖性都还很强，并且都还存在着一些难以克服的困难和缺陷，例如：

（1）通常要有熟练的技术技能，对结果做出说明及解释。因此，在相互关系未经证明的情况下，可能存在不同人员对结果看法不统一。

（2）外界环境的温度、湿度、粉尘、振动、噪音以及磁、电场和仪器本身内部的各种干扰都会对检测结果产生影响。

（3）超声无损检测还大部分是采用常规的A型脉冲反射法技术，存在不直观、判伤难、无记录、人为因素影响大等缺点，严重影响着超声检测结果的可靠性。

通过上面对不同车轮超声探伤方法的介绍，不难看出超声波C扫描检测技术巨大技术优势，较之常规超声探伤技术，高频超声波C扫描检测技术的优点可总结如下：

（1）采用水浸式探伤方式，大大提到了自动化检测的程度，其检测的精度、检测的效率也大幅提高。

（2）利用高频超声波波长短、方向性好及分辨率高等特点，可更好的再现缺陷的形貌以及缺陷在车轮中的分布情况。

（3）调节探头入射角度，可实现对车轮关键部位的检测，避免了常规超声波探伤中的漏检。

3 车轮探伤技术存在问题

在以往火车车轮探伤过程中，技术人员想要了解车轮中的缺陷（如夹杂物）的情况，通常采取金相等有损检测办法，但是金相检验的办法是无法对车轮整体的缺陷情况进行检测判断，它的取样面积小，并且是在二维平面上进行检查，所以检查效率很低。采用超声波探伤技术来研究车轮缺陷是目前出现的较新的无损评价（NDE）技术，通过采用高频率聚焦超声C扫描，结合对车轮样品制备技术，在对车轮质量的无损评价方法相关的灵敏度校准和建立理想检测条件的试验基础上，对车轮质量检测的超声结果和金相解剖结果进行了分析和对比，来进行车轮质量的评估，具有极大意义。但同时超声检测技术也存在问题，具体问题如下：

（1）盲区的影响。不管是C扫描、S扫描，还是电磁超声都存在着波形盲区的影响

（2）试样表面质量的影响。试样表面质量及倾斜度都会影响超声波在介质中的传播，引起能量的衰减。超声C、S扫描需要耦合介质，试样的表面粗糙度和倾斜度对灵敏度的影响较大。电磁超声需要铁磁性介质，试样表面洁净度会产生一定影响。

（3）试样加工问题。超声无损探伤是一种对比探伤，是在一定标准试块的基础上探伤的。所谓的当量法就是要求所探缺陷与标准试块上的人工标准缺陷回波高度相同或者换算当量大小相同。车轮中的自然缺陷是不可知的，所以人工制造的缺陷也不能完全反应自然缺陷。

4 结论

（1）C扫描探伤的水浸法相对于直接接触法在探测不同取向缺陷、较薄试件、灵敏度、分辨率、探头寿命和可靠性方面具有较大优势。

（2）C扫描检测技术相对于A扫描探伤，其检测的精度、检测的效率和自动化检测的程度具有优势。

（3）车轮探伤在盲区的影响、试样表面质量和试样加工等方面存在较多问题。

参考文献

[1] 蒋危平.超声检测学[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1991：37-81.

[2] 同济大学声学研究室编.超声工业测量技术[M].上海：上海人民出版社，1977：56-58.

[3] 魏勤，尤建飞.超声C扫描系统在超声检测实验中的应用[J].实验室研究与探索，2003（10）：96-97.

[4] 马宏伟，张广明，刘彦民，等.微机超声图像处理系统研究[J].无损检侧，1998（12）.

[5] 谢道平.超声C扫描图像处理技术的研究[D].西安：西安科技大学，2007.

[6] 魏勤，尤建飞.超声C扫描成像系统在铝基复合材料无损检测中的应用[J].华东工业学院学报，2000，14（12）：31-34.

[7] 牛春匀.飞机复合材料结构设计与制造[M].西飞公司，译.西北工业大学，1995：402-408.

[8] 邓延.先进复合材料超声C扫描检测技术研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[9] 彭应秋.超声波检测工艺[M].北京：航空工业出版社，1990.endprint

（2）通过调节探头角度，可方便地改变探头发射的超声束的方向，从而很容易地实现斜射声束检测，以及沿曲面或不规则表面进行的扫查，对于获得不同取向缺陷的最大回波高度也是有利的。

（3）由于表面回波宽度比发射脉冲宽度窄，可缩小检测盲区，从而可检测较薄的试件。

（4）由于探头不直接接触试件，探头损坏的可能性较小，探头寿命较长。

（5）便于实现聚焦声束检测，满足高灵敏度、高分辨率检测的需要。

（6）探头可以在机械系统驱动下运行，便于实现自动检测，减少影响检测可靠性的人为因素。

2 车轮探伤方法的比较

就当前国内的常规车轮超声波探伤技术应用情况来看，常规超声波无损检测技术虽然己经被广泛地应用于车轮检测，对质量控制和在线实时检测都具有重要的作用和影响；但是常规波形检测结果对检测人员的依赖性都还很强，并且都还存在着一些难以克服的困难和缺陷，例如：

（1）通常要有熟练的技术技能，对结果做出说明及解释。因此，在相互关系未经证明的情况下，可能存在不同人员对结果看法不统一。

（2）外界环境的温度、湿度、粉尘、振动、噪音以及磁、电场和仪器本身内部的各种干扰都会对检测结果产生影响。

（3）超声无损检测还大部分是采用常规的A型脉冲反射法技术，存在不直观、判伤难、无记录、人为因素影响大等缺点，严重影响着超声检测结果的可靠性。

通过上面对不同车轮超声探伤方法的介绍，不难看出超声波C扫描检测技术巨大技术优势，较之常规超声探伤技术，高频超声波C扫描检测技术的优点可总结如下：

（1）采用水浸式探伤方式，大大提到了自动化检测的程度，其检测的精度、检测的效率也大幅提高。

（2）利用高频超声波波长短、方向性好及分辨率高等特点，可更好的再现缺陷的形貌以及缺陷在车轮中的分布情况。

（3）调节探头入射角度，可实现对车轮关键部位的检测，避免了常规超声波探伤中的漏检。

3 车轮探伤技术存在问题

在以往火车车轮探伤过程中，技术人员想要了解车轮中的缺陷（如夹杂物）的情况，通常采取金相等有损检测办法，但是金相检验的办法是无法对车轮整体的缺陷情况进行检测判断，它的取样面积小，并且是在二维平面上进行检查，所以检查效率很低。采用超声波探伤技术来研究车轮缺陷是目前出现的较新的无损评价（NDE）技术，通过采用高频率聚焦超声C扫描，结合对车轮样品制备技术，在对车轮质量的无损评价方法相关的灵敏度校准和建立理想检测条件的试验基础上，对车轮质量检测的超声结果和金相解剖结果进行了分析和对比，来进行车轮质量的评估，具有极大意义。但同时超声检测技术也存在问题，具体问题如下：

（1）盲区的影响。不管是C扫描、S扫描，还是电磁超声都存在着波形盲区的影响

（2）试样表面质量的影响。试样表面质量及倾斜度都会影响超声波在介质中的传播，引起能量的衰减。超声C、S扫描需要耦合介质，试样的表面粗糙度和倾斜度对灵敏度的影响较大。电磁超声需要铁磁性介质，试样表面洁净度会产生一定影响。

（3）试样加工问题。超声无损探伤是一种对比探伤，是在一定标准试块的基础上探伤的。所谓的当量法就是要求所探缺陷与标准试块上的人工标准缺陷回波高度相同或者换算当量大小相同。车轮中的自然缺陷是不可知的，所以人工制造的缺陷也不能完全反应自然缺陷。

4 结论

（1）C扫描探伤的水浸法相对于直接接触法在探测不同取向缺陷、较薄试件、灵敏度、分辨率、探头寿命和可靠性方面具有较大优势。

（2）C扫描检测技术相对于A扫描探伤，其检测的精度、检测的效率和自动化检测的程度具有优势。

（3）车轮探伤在盲区的影响、试样表面质量和试样加工等方面存在较多问题。

参考文献

[1] 蒋危平.超声检测学[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1991：37-81.

[2] 同济大学声学研究室编.超声工业测量技术[M].上海：上海人民出版社，1977：56-58.

[3] 魏勤，尤建飞.超声C扫描系统在超声检测实验中的应用[J].实验室研究与探索，2003（10）：96-97.

[4] 马宏伟，张广明，刘彦民，等.微机超声图像处理系统研究[J].无损检侧，1998（12）.

[5] 谢道平.超声C扫描图像处理技术的研究[D].西安：西安科技大学，2007.

[6] 魏勤，尤建飞.超声C扫描成像系统在铝基复合材料无损检测中的应用[J].华东工业学院学报，2000，14（12）：31-34.

[7] 牛春匀.飞机复合材料结构设计与制造[M].西飞公司，译.西北工业大学，1995：402-408.

[8] 邓延.先进复合材料超声C扫描检测技术研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[9] 彭应秋.超声波检测工艺[M].北京：航空工业出版社，1990.endprint

（2）通过调节探头角度，可方便地改变探头发射的超声束的方向，从而很容易地实现斜射声束检测，以及沿曲面或不规则表面进行的扫查，对于获得不同取向缺陷的最大回波高度也是有利的。

（3）由于表面回波宽度比发射脉冲宽度窄，可缩小检测盲区，从而可检测较薄的试件。

（4）由于探头不直接接触试件，探头损坏的可能性较小，探头寿命较长。

（5）便于实现聚焦声束检测，满足高灵敏度、高分辨率检测的需要。

（6）探头可以在机械系统驱动下运行，便于实现自动检测，减少影响检测可靠性的人为因素。

2 车轮探伤方法的比较

就当前国内的常规车轮超声波探伤技术应用情况来看，常规超声波无损检测技术虽然己经被广泛地应用于车轮检测，对质量控制和在线实时检测都具有重要的作用和影响；但是常规波形检测结果对检测人员的依赖性都还很强，并且都还存在着一些难以克服的困难和缺陷，例如：

（1）通常要有熟练的技术技能，对结果做出说明及解释。因此，在相互关系未经证明的情况下，可能存在不同人员对结果看法不统一。

（2）外界环境的温度、湿度、粉尘、振动、噪音以及磁、电场和仪器本身内部的各种干扰都会对检测结果产生影响。

（3）超声无损检测还大部分是采用常规的A型脉冲反射法技术，存在不直观、判伤难、无记录、人为因素影响大等缺点，严重影响着超声检测结果的可靠性。

通过上面对不同车轮超声探伤方法的介绍，不难看出超声波C扫描检测技术巨大技术优势，较之常规超声探伤技术，高频超声波C扫描检测技术的优点可总结如下：

（1）采用水浸式探伤方式，大大提到了自动化检测的程度，其检测的精度、检测的效率也大幅提高。

（2）利用高频超声波波长短、方向性好及分辨率高等特点，可更好的再现缺陷的形貌以及缺陷在车轮中的分布情况。

（3）调节探头入射角度，可实现对车轮关键部位的检测，避免了常规超声波探伤中的漏检。

3 车轮探伤技术存在问题

在以往火车车轮探伤过程中，技术人员想要了解车轮中的缺陷（如夹杂物）的情况，通常采取金相等有损检测办法，但是金相检验的办法是无法对车轮整体的缺陷情况进行检测判断，它的取样面积小，并且是在二维平面上进行检查，所以检查效率很低。采用超声波探伤技术来研究车轮缺陷是目前出现的较新的无损评价（NDE）技术，通过采用高频率聚焦超声C扫描，结合对车轮样品制备技术，在对车轮质量的无损评价方法相关的灵敏度校准和建立理想检测条件的试验基础上，对车轮质量检测的超声结果和金相解剖结果进行了分析和对比，来进行车轮质量的评估，具有极大意义。但同时超声检测技术也存在问题，具体问题如下：

（1）盲区的影响。不管是C扫描、S扫描，还是电磁超声都存在着波形盲区的影响

（2）试样表面质量的影响。试样表面质量及倾斜度都会影响超声波在介质中的传播，引起能量的衰减。超声C、S扫描需要耦合介质，试样的表面粗糙度和倾斜度对灵敏度的影响较大。电磁超声需要铁磁性介质，试样表面洁净度会产生一定影响。

（3）试样加工问题。超声无损探伤是一种对比探伤，是在一定标准试块的基础上探伤的。所谓的当量法就是要求所探缺陷与标准试块上的人工标准缺陷回波高度相同或者换算当量大小相同。车轮中的自然缺陷是不可知的，所以人工制造的缺陷也不能完全反应自然缺陷。

4 结论

（1）C扫描探伤的水浸法相对于直接接触法在探测不同取向缺陷、较薄试件、灵敏度、分辨率、探头寿命和可靠性方面具有较大优势。

（2）C扫描检测技术相对于A扫描探伤，其检测的精度、检测的效率和自动化检测的程度具有优势。

（3）车轮探伤在盲区的影响、试样表面质量和试样加工等方面存在较多问题。

参考文献

[1] 蒋危平.超声检测学[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，1991：37-81.

[2] 同济大学声学研究室编.超声工业测量技术[M].上海：上海人民出版社，1977：56-58.

[3] 魏勤，尤建飞.超声C扫描系统在超声检测实验中的应用[J].实验室研究与探索，2003（10）：96-97.

[4] 马宏伟，张广明，刘彦民，等.微机超声图像处理系统研究[J].无损检侧，1998（12）.

[5] 谢道平.超声C扫描图像处理技术的研究[D].西安：西安科技大学，2007.

[6] 魏勤，尤建飞.超声C扫描成像系统在铝基复合材料无损检测中的应用[J].华东工业学院学报，2000，14（12）：31-34.

[7] 牛春匀.飞机复合材料结构设计与制造[M].西飞公司，译.西北工业大学，1995：402-408.

[8] 邓延.先进复合材料超声C扫描检测技术研究[D].西安：西北工业大学，2007.

[9] 彭应秋.超声波检测工艺[M].北京：航空工业出版社，1990.endprint