车轴径向超声波探伤缺陷的基本讨论分析

许庆涛

【摘 要】轨道交通装备行走部件之一的车轴是其动力承载的部件，目前常用的车轴内部探伤以超声波探伤为主。本文就车轴径向探伤遇到的各种夹渣、裂纹等缺陷结合车轴生产工艺过程对其进行分析探讨，方便超声波探伤人员进行判断，为车轴径向探伤提供参考。

【关键词】超声波探伤；径向；车轴

中图分类号： U270.7 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）12-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.12.009

0 前言

車轴作为轨道交通装备重要的行走部件之一，其质量直接决定运行安全。目前，相关行业的标准要求进行超声波探伤，从而提前发现大量的超标缺陷，避免异常车轴非预期使用。通过多年的在段车辆机破数据统计，发现车轴断裂造成机破事件为0，即说明该检测手段基本能保证车轴探伤质量。为了更好的分辨车轴径向探伤时的缺陷，本文着重以SS4B轴作为分析对象结合常见的缺陷进行分类总结，以供实际生产使用。

1 车轴生产过程

1.1 钢坯的锻造

车轴经常使用的材料有EA1N、35CrMoA等，由钢铁厂通过冶炼得到钢锭，再经过锻打得到钢坯。一般此过程通常会将钢锭锻造为棒材供生产厂家使用。

此过程中，经过一次锻造（拉拔），钢材经过塑性变形，其内部的晶粒拉长、压扁，晶界变得模糊不清，使得钢材强度、硬度增加，为了得到组织均匀、晶粒相对细致的坯料，一般采用热拉拔得到棒料[2]。

1.2 车轴毛胚锻造

轨道交通装备使用的车轴如通常分为轴颈、轮座和轴身三个部分，因轮座部位安装齿轮、是车轴转动的直接受力位置，所以直径最大。

1.3 车轴的热处理

毛坯在锻造形成后，一般需要进行调质处理，主要目的是细化晶粒，得到组织更加均匀、使其强度硬度大幅提高以满足生产使用。

2 典型缺陷

车轴在生产过程中通常含有气孔、夹渣等缺陷，锻造过程中这些缺陷将会对最终产品的使用造成严重的安全隐患；如果车轴在锻造过程中产生裂纹、折叠等缺陷，将严重影响车轴的质量。

3 车轴径向超声波探伤缺陷影响及分析

根据《TB/T1618—2001机车车辆车轴超声波检验》标准要求，车轴需对内部缺陷及透声性进行检验，而径向探伤主要从内部缺陷和缺陷对底波影响两方面对车轴质量进行控制。实际生产中，以发现夹渣、裂纹，气孔以及晶粒粗大导致的透声性能差等原材料缺陷为主。

下面就这几种缺陷实际探伤缺陷波形及特征进行分析，为快捷的判断各种类型缺陷提供参考。

3.1 夹渣缺陷

3.1.1 夹渣的形成与分析

钢锭浇铸的过程中，由于钢水中混杂的各种杂质异物未能全部排除，导致冷却过程中残留在钢锭中，在后续锻造过程中残留形成危害性较大的缺陷。

这类缺陷一般都会在晶粒延伸方向有一定长度，主体取向沿着轴向，极易被径向方向的扫查发现。通常，小范围的夹渣经过锻造过程后会沿着晶粒拉伸方向被压扁、拉长形成一定长度的夹渣缺陷，在缺陷位置解剖会发现其表面会有明显的氧化变黑的痕迹。

3.1.2 夹渣扫查的波形及分析

车轴径向扫查时单个独立夹渣缺陷典型波形如图1所示，其回波高度可以超出屏幕，适当降低灵敏度会发现，其波谷位置伴随大量低矮杂波出现，这种单个独立的夹渣对车轴的透声性能影响不大；另外如果是分散性夹渣，在探伤过程中一般在相近的位置成簇的出现回波，且回波较高，呈典型的“林状回波”，如图2所示。

此类缺陷探伤时轻微移动探头波高下降不明显，同时其林状回波变化起伏较大，沿着缺陷长度方向移动探头回波变化不明显，通常伴随着回波位置的前后轻微变化。

3.2 裂纹缺陷

3.2.1 裂纹的产生

裂纹是在车轴锻造过程中产生，锻造时进给量不适当有较大的可能产生，特别是在镦粗的过程中，由于外力作用在晶粒的垂直方向上，极易产生横向裂纹。进给量过大，导致内部受力不均匀，在锻件的塑性变形交界的位置产生裂纹。后续调质过程中，裂纹还会随着缓慢延伸扩大，此类裂纹危害性极大，是车轴内部必须要避免的缺陷。

3.2.2 裂纹缺陷的波形及判别

裂纹超声波探伤时波形比较容易分辨，波高很高且尖锐。一般裂纹取向有两个方向：垂直于晶粒延伸方向和沿着晶粒延伸方向。

a）当裂纹垂直于晶粒延伸方向时，探头在极有可能扫查不到裂纹，且底波基本没有变化；而探头转过90°时，缺陷回波会明显增高，底波迅速下降，缺陷波高明显高于底波，随着探头的转动，缺陷波高降低的同时底波迅速升高。

b）当裂纹沿着晶粒延伸方向时（横向），缺陷波高一般会低于底波，随着探头沿着车轴径向位置的移动，裂纹的的回波高度变化不大，缺陷回波在屏幕上的位置会出现一定的变化，缺陷位置变化较大，同时由于探头的近场区长度的原因，两处的波高会有一定的变化，且波高不能直接进行比较。

3.3 底波明显降低

3.3.1 底波明显降低的影响因素

a）调质处理不当导致晶粒粗大

根据材料学和超声波传输的知识可知，透声性能的好坏与晶粒的大小有关。当车轴调质处理效果不理想时，车轴内部晶粒有较大的可能形成不均匀的分布，从而使组织的晶粒粗大导致透声性能变差。

b）中心缩松、夹渣等缺陷影响底波波高

中心疏松（缩松）主要是由于钢锭在最初浇铸过程中，钢锭中心位置最后冷却导致其补缩量不够从而引起此部位的缩松，这类中心位置的缩松如果只是局部对车轴整体强度的影响不大，但是如果是较长的范围内存在则需要严格控制。

3.3.2 底波降低情况判别及分析

a）晶粒粗大的波形判别及分析

当车轴内部晶粒粗大时，会明显发现探伤时噪声水平增加，甚至出现“草状回波”，底波波高相对于晶粒细小的车轴有明显的降低甚至消失，当换用低频的探头时“草状回波”明显减少甚至消失。当车轴底波比较低，且其宽度明显变宽，换用低频探头后底波重新出现。

b）中心缩松、夹渣波形的分析

当出现缩松缺陷时，底波降低幅度不大，缺陷回波一般成簇出现在始波与底波的中间位置，左右移动探头时，缺陷波依次跳动但高度变化不大；如果是夹渣缺陷，可明显看出底波降低，且其对底波影响较大。如下图3所示。

图3 中心夹渣缺陷扫查波形示意图

4 总结

（1）通过分析可以看出，车轴生产制造工艺基本决定了车轴内部经常出现的缺陷。车轴径向探伤时内部经常出现的缺陷为夹渣、缩松、裂纹以及晶粒粗大。

（2）使用超声波探伤能有效的发现上述的各种缺陷，根据相应的分析，能粗略的判定车轴径向探伤时的各种缺陷的性质，进而对车轴进行合理处置，保证车轴的质量。

【参考文献】

[1]TB/T1618—2001机车车辆车轴超声波检验.

[2]大型铸锻件行业协会.大型铸锻件缺陷分析图谱[M].北京：机械工业出版社，1990.

[3]马庆贤，曹起骧，谢冰，等.大型饼类锻件变形规律及夹杂性裂纹产生过程研究[J].塑性工程学报.

[4]牛俊民.冶金工业出版社，钢中缺陷的超声波定性探伤.