EN 车轴产品超声波径向检测校准试块制作及应用

丁守立 石胜平 高文卫 何氢玲 李平

（中车长江铜陵车辆有限公司，安徽铜陵 244142）

1 问题的提出

EN13261 标准是指导EN 标准体系车轴（以下简称EN车轴）生产及检测的主要标准，该标准要求采用超声波轴向检测的方法从车轴端面部位检测车轴透声性能，采用径向检测的方法从车轴外圆表面部位检测车轴内部缺陷和组织的均匀性，具体检测见图1 所示。该标准在轴向检测时对车轴直径方向的尺寸及长度方向的尺寸没有作出具体的限制，而在径向检测时对车轴直径方向的尺寸作出了限制。经过统计，目前EN 车轴产品轴型复杂，品种繁多，主要表现为直径方向上的尺寸不尽相同。因此，需要制作不同直径的EN 车轴产品超声波径向检测校准试块，然后依据不同直径的校准试块上人工缺陷当量的准确传递来进行不同直径车轴产品的检测和判定。

图1 车轴超声波轴向检测、径向检测示意图

2 组合式车轴超声波径向检测校准试块制作方案的提出

2.1 主要设计思路。根据EN 车轴各轴型以及同型号车轴各尺寸档的尺寸差异分析，我们提出了组合式车轴超声波径向检测校准试块制作方案。通过制作一组（一个由15 种不同直径的超声波径向检测校准试块组成的集合体）不同直径的车轴超声波径向检测校准试块来实现不同直径车轴超声波径向检测时量值的准确传递，从而有效解决了不同直径车轴的超声波检测和判定问题。

2.2 组合式校准试块结构的设计。组合型校准试块结构如图2 所示，它是一个由15 种不同直径的超声波径向检测校准试块组成的集合体。其中除试块8 上带有不同深度的3个Φ3mm 的平底孔和1 个深度为10mm，直径为Φ7mm，角度为120°的锥孔之外，其余的14 个试块上仅带有不同深度的3 个Φ3mm 的平底孔。

图2 组合式校准试块结构示意图

2.3 组合式校准试块技术参数的确定

2.3.1 各型校准试块直径尺寸的确定

经过调研EN 车轴产品轴型复杂，主要表现为直径方向上的尺寸不尽相同。其中轴颈部位直径尺寸主要有Φ120mm、Φ125mm、Φ130mm、Φ135mm、Φ160mm、Φ165mm、Φ170mm、Φ175mm、Φ180mm 共计9 种；防尘板座部位直径尺寸主要有 Φ160mm、Φ165mm、Φ170mm、Φ175mm、Φ180mm、Φ185mm 共计6 种；轮座部位直径尺寸主要有Φ200mm、Φ205mm、Φ210mm、Φ215mm、Φ220mm 共计5种；轴身部位直径尺寸主要有Φ170mm、Φ175mm、Φ180mm、Φ185mm 共计4 种。因此，确定制作Φ120mm、Φ125mm、Φ130mm、Φ135mm、Φ160mm、Φ165mm、Φ170mm、Φ175mm、Φ180mm、Φ185mm、Φ200mm、Φ205mm、Φ210mm、Φ215mm、Φ220mm 共计15 种直径尺寸的校准试块。各型校准试块直径尺寸见表1。

2.3.2 各型校准试块平底孔和锥孔的深度尺寸、直径尺寸的确定

根据EN13261 标准规定，确定了每个型号校准试块上平底孔的数量、深度和直径。每个型号的校准试块上制作3个深度依次为D/5、D/2、4D/5（D 为各型校准试块的直径），直径均为Φ3mm 的平底孔。其中试块8 上制作3 个深度分别为D/5、D/2、4D/5 且直径为Φ3mm 的平底孔和1 个深度为10mm，直径为Φ7mm，角度为120°的锥孔。各型校准试块上平底孔的具体深度尺寸见表1。

表1 各型试块制作尺寸表

2.3.3 各型校准试块上平底孔和锥孔轴向位置的确定

2.3.3.1 EN 车轴超声波径向检测探头选用2.5MHzΦ14直探头，试块1 反射面最大声程为220mm，根据公式：

式中：DC——晶片直径；

λ——波长（2.5MHz 纵波在钢中的波长，约为2.36mm）；

s——声程；

DF——声束直径（沿着声程，垂直于中心声束的声压减小6dB）

2.3.3.2 由上式计算，试块1 反射面处声束直径DF=（2.36×220）/14=37mm。同理可得，试块2 反射面最大声程为215mm，试块2 反射面处声束直径DF为：36.3mm；试块3 反射面最大声程为210mm，试块3 反射面处声束直径DF为：35.4mm；试块4 反射面最大声程为205mm，试块4 反射面处声束直径DF为：34.6mm；试块5 反射面最大声程为200mm，试块5 反射面处声束直径DF为：33.7mm；试块6 反射面最大声程为185mm，试块6 反射面处声束直径DF为：31.2mm；试块7 反射面最大声程为180mm，试块7 反射面处声束直径DF为：30.3mm；试块8 反射面最大声程为175mm，试块8 反射面处声束直径DF为：29.5mm；试块9 反射面最大声程为170mm，试块9 反射面处声束直径DF为：28.7mm；试块10 反射面最大声程为165mm，试块10 反射面处声束直径DF为：27.8mm；试块11 反射面最大声程为160mm，试块11 反射面处声束直径DF为：27.0mm；试块12 反射面最大声程为135mm，试块12 反射面处声束直径DF为：22.8mm；试块13反射面最大声程为130mm，试块13 反射面处声束直径DF为：21.9mm；试块14 反射面最大声程为125mm，试块14 反射面处声束直径DF为：21.1mm；试块15 反射面最大声程为120mm，试块15 反射面处声束直径DF为：20.2mm。

2.3.3.3 经实验验证测试，试块1、试块2 上1 号孔的中心距离试块左端头距离为50mm，各孔间的中心距为50mm，3 号孔的中心距离试块右端头距离为50mm，试块端面及各孔在检测测试时互不影响。试块3、试块4、试块5 上1 号孔的中心距离试块左端头距离为45mm，各孔间的中心距为45mm，3 号孔的中心距离试块右端头距离为45mm，试块端面及各孔在检测测试时互不影响。试块6、试块7、试块8、试块9、试块10、试块11、试块12、试块13、试块14、试块15 上1 号孔的中心距离试块左端头距离为40mm，各孔间的中心距为40mm，3 号孔的中心距离试块右端头距离为40mm，试块端面及各孔在检测测试时互不影响。

2.3.3.4 根据上述测试结果，确定了各型校准试块上平底孔和锥孔的轴向位置，具体为：试块1、试块2 上1 号孔的中心距离试块左端头距离为50mm，各孔间的中心距为50mm，3 号孔的中心距离试块右端头距离为50mm。试块3、试块4、试块5 上1 号孔的中心距离试块左端头距离为45mm，各孔间的中心距为45mm，3 号孔的中心距离试块右端头距离为45mm。试块6、试块7、试块8、试块9、试块10、试块11、试块12、试块13、试块14、试块15 上1 号的中心距离左端头距离为40mm，各孔间的中心距为40mm，3 号孔的中心距离试块右端头距离为40mm。其中，试块8 上1 号孔的中心距离试块左端头距离为40mm，4 号孔的中心距离试块右端头距离为40mm，各孔间的中心距为40mm。各型校准试块上平底孔和锥孔的轴向位置示意图（以试块8 为例）见图3。

图3 平底孔、锥孔轴向位置图

2.3.4 校准试块材料要求

2.3.4.1 试块材质、热处理过程、晶粒度、金相组织、化学成分、机械性能等参数应与所检测车轴技术要求一致。

2.3.4.2 试块应取自于已经进行过超声波探伤的车轴，以保证没有缺陷，探伤灵敏度：Φ2 平底孔回波高度80%，以此灵敏度探测试块时，一次底面回波前无缺陷回波反射。

2.3.5 校准试块其它制作要求

2.3.5.1 试块检测面表面粗糙度小于等于Ra6.3mm。

2.3.5.2 试块锥孔应使所在部位底波降低4dB。

2.3.5.3 平底孔、锥孔底部封堵防腐蚀。

3 组合式车轴超声波径向检测校准试块的应用

EN13261 标准规定实施车轴超声波径向检测时需要将径向缺陷检测和径向底波衰减法检测相结合。所以根据标准规定，仪器校准的方法分为超声波径向探伤（径向缺陷检测）灵敏度和径向底波衰减法检测灵敏度设定。具体方法为：

3.1 超声波径向探伤距离波幅曲线制作及探伤灵敏度的确定

根据被检测车轴的直径，选择相同直径的校准试块进行距离波幅曲线的制作。举例说明距离波幅曲线制作方法（以试块8 为例）：在试块8 的检测面上均匀涂抹耦合剂，将超声波探头放置在试块8 的检测面上，移动探头找到试块8 上的1 号孔（孔径φ3mm）的最大反射回波，调整到满屏的80%高度，作标记点1，如图4、图5 所示；再分别对试块8 上的2 号孔（孔径φ3mm）和3 号孔（孔径φ3mm）进行探测，找到2号孔（孔径φ3mm）、3 号孔（孔径φ3mm）的最大反射回波并调整到满屏的80%高度，作相应的标记点2 和标记点3；圆滑连接1、2、3 点，并延长到整个探测范围，即完成了以孔径为φ3mm 为基准的径向探伤距离波幅曲线的制作，距离波幅曲线示意图见图6。在此基础上，补偿试块与实物车轴之间的耦合差即为超声波径向探伤灵敏度。

图4 径向探伤灵敏度校准时灵敏度标定示意图

图5 径向探伤灵敏度校准时平底孔回波示意图

图6 距离波幅曲线示意图

3.2 底面回波衰减法检测灵敏度的确定

在试块8 的检测面上均匀涂抹耦合剂，将超声波探头放置在试块8 的检测面上，移动探头找到试块8 上的4 号孔（120°的锥孔，孔径φ7mm）位置处试块底面回波的最大反射回波并调整到满屏的50%高度，见图7 所示，在此基础上，补偿试块与实物车轴之间的耦合差即为底面回波衰减法检测灵敏度。

图7 底面回波衰减法检测灵敏度校准时灵敏度标定示意图

3.3 检测及判定

3.3.1 缺陷检测及判定

制作好距离波幅曲线后，检测时，在车轴外圆柱平直部位的探伤扫查面上涂刷耦合剂，耦合剂与校准仪器时为相同的耦合剂。探头在被检工件上移动速度不应大于150mm/s，相邻两次扫查应相互重叠约为探头晶片尺寸的15%。探伤要扫查到所有规定的探伤部位。当检测发现缺陷时，找到缺陷最高反射波位置，此时观察并记录缺陷最高反射波的波幅高度和缺陷的具体位置。当缺陷反射波高大于等于同距离处φ3mm 直径的平底孔反射波高时即判定车轴不合格。具体检测应用见图8-9 所示。

图8 车轴轴身部位超声波径向缺陷检测应用

图9 车轴三径部位超声波径向缺陷检测应用

3.3.2 径向底面回波衰减法检测及判定

确定径向底面回波衰减法检测灵敏度后，检测时，在车轴外圆柱平直部位的探伤扫查面上涂刷耦合剂，耦合剂与校准仪器时为相同的耦合剂。探头在被检工件上移动速度不应大于150mm/s，相邻两次扫查应相互重叠约为探头晶片尺寸的15%。探伤要扫查到所有规定的探伤部位。当同一根车轴缺陷或材质不均匀性导致的底波衰减大于4dB 时即判定车轴不合格。

3.4 检测效果

经过数千根车轴的检测实践，找出了车轴内部典型的缩管状缺陷，具体缺陷见图片10、图片11、图片12 所示。

图10 轴颈部位缩管状缺陷示意图

图11 轮座部位缩管状缺陷示意图

图12 轴身部位缩管状缺陷示意图

4 结论

综上所述，采用一种（组）EN 车轴产品超声波径向检测校准试块完全满足了不同直径EN 车轴产品超声波径向检测的需要。同时，试块设计结构精巧、紧凑，将多个试块集于一体，既能减少试块制作数量，又能方便操作者操作，简单、实用。