齊英豪

（鋼鐵研究總院　北京　100081）

基于電磁超聲換能器的火車輪探傷研究

齊英豪?

（鋼鐵研究總院北京100081）

利用電磁超聲探傷方法對檢測火車輪表面及近表面缺陷進行實驗探究，從而保證車輪質量，避免事故發(fā)生。文章介紹了火車車輪電磁超聲探傷的原理和方法。根據電磁超聲表面波輻射擴散角的分布情況，得出利用電磁超聲表面波進行車輪踏面探傷的可行性。將制作的小巧換能器探頭與便攜式電磁超聲探傷儀配合，能夠實現對車輪的快速探傷檢測。通過大量的車輪探傷實驗，檢出了典型車輪踏面缺陷。根據檢測波形特點并結合生產工藝情況，分析得出產生缺陷的原因。研究表明：電磁超聲無損檢測方法能夠快速、有效檢出車輪踏面缺陷。

電磁超聲換能器，表面波，火車輪，踏面

1　引言

火車輪是機車和車輛的重要運動和承載部件，其質量優(yōu)劣對保證火車的安全運行起著至關重要的作用。隨著火車的速度越來越快，給生產制造具有強韌性和耐磨性、抗疲勞和抗剝離車輪的各個工藝環(huán)節(jié)提出更高要求。與此同時，對于車輪的無損檢測這一最后生產工序，也需要補充和尋找更靈敏、高效的車輪檢查方法和手段，以發(fā)現車輪中缺陷，將列車事故隱患消滅在萌芽狀態(tài)。

目前，在車輪生產過程中的質量檢測一般采用超聲波探傷和磁粉探傷。傳統(tǒng)的車輪超聲波探傷是壓電超聲縱波法，它主要用于檢測車輪輪輞中的內部缺陷。壓電超聲波探傷需要使用耦合劑，且自動化探傷設備構成比較復雜；此外，采用縱波法進行探傷時，需要對車輪進行逐點掃查，耗時耗力；而更重要的是，對于常規(guī)超聲縱波法，車輪踏面及踏面以下10 mm內區(qū)域屬于檢測盲區(qū)，即使使用雙晶探頭，其檢測盲區(qū)也在3 mm以上。磁粉探傷是一種適于探測表面缺陷的無損檢測方法，但只能探測表面極淺的范圍，且判傷要靠人工進行。電磁超聲探傷不僅不需要使用耦合劑，而且很容易激發(fā)出純的表面波，檢測速度快，這對于車輪表面和近表面的檢測可以起到重要作用［1］。

2　車輪EMAT探傷原理和方法

電磁超聲的換能原理主要有兩種，即利用洛侖茲（Lorentz）力和磁致伸縮（Magnetostriction）力與被檢金屬表面的相互作用激發(fā)出超聲波［2-4］。

圖1揭示了洛侖茲力的工作機理。當高頻電流i加到靠近金屬表面的EMAT線圈上時，在金屬表面的趨膚層內將會感應出相應頻率的渦流j來。若同時在金屬表面上加一個穩(wěn)恒磁場B0，那么渦流在外磁場作用下就會產生一個與渦流頻率相同的電動力，即洛侖茲力FL。而被測金屬介質在該洛倫茲力作用下產生應力波，它在金屬內傳播就形成了聲波。

圖1　洛倫茲力Fig.1 Lorentz force

圖2揭示了磁致伸縮的工作機理。鐵磁性材料是由許多自發(fā)磁化的磁疇組成，在無外磁化作用時，這些磁疇無序排列，各磁疇磁性相互抵消，因而宏觀上表現為磁中性。但當受到穩(wěn)恒磁場B0作用后，磁疇沿外磁場方向整齊排列起來。若同時在金屬表面施加一個由高頻EMAT線圈產生的交變磁場Br，則磁疇在交變磁場力FM的作用下產生壁移和旋轉，在這磁疇運動中，會伴隨著宏觀形變并表現出磁致伸縮效應，此效應在工件內傳播就形成了聲波。

圖2　磁致伸縮力Fig.2 Magnetostrictive force

由于火車輪由鐵磁性金屬制造，所以在進行EMAT檢測時，其表面同時受到洛侖茲力和磁致伸縮力的作用：

車輪表面質點振動位移幅值ξ是由洛侖茲力產生的質點振動位移幅值和磁致伸縮力產生的質點振動位移幅值之和的模：

式（2）中K1B0i表示由洛侖茲力產生的分子振動位移幅值，其中K1是與材料密度、頻率、與工件距離以及滲透深度等有關的系數［5］；K2σ（B0）Br表示由磁致伸縮力產生的振動位移幅值，其中K2是與楊氏模量等有關的系數，σ（B0）稱為磁致伸縮應力常數，是一個與被檢材料和激磁場B0有關的函數［6］。由于車輪材料具有較強的鐵磁特性，所以在磁感應強度B0較小時，磁致伸縮力起主要作用，此時

當EMAT回折線圈平行放置在車輪表面，并在其中通入高頻電脈沖電流，同時，外磁場B0平行或垂直施加于車輪表面，通過選擇適當的回折線圈的間距和高頻脈沖頻率，就可以在車輪表面激發(fā)出純的表面波。EMAT線圈激發(fā)的表面波是沿車輪表面的雙向傳播的，但通過特殊設計的線圈也可產生單向輻射波。

由于洛侖茲力效應和磁致伸縮力效應都具有可逆性，因而可利用EMAT線圈接收超聲回波信號，并加以分析判定，從而檢測出缺陷的大小、位置等。

一般來說，表面波的有效探測深度以2倍波長計。由于我們在火車輪探傷中使用的表面波的波長為6 mm，所以其有效探測深度大約為10 mm左右［7］。此外，表面波在鋼中傳播速度大約為2900 m/s，火車車輪周長大約為3 m，表面波沿車輪傳播一周的時間大約為1 ms，因此，當在車輪踏面上任意點激發(fā)表面波后，聲波沿著車輪表面周向自行傳播數圈，瞬間即可完成對整個車輪踏面的探傷檢測，而無須進行逐點掃查，如圖3所示。

圖3　電磁超聲表面波在車輪踏面上的傳播Fig.3 Transmission of Rayleigh wave on the tread

另外，電磁超聲激發(fā)實驗告訴我們，表面波在車輪踏面上傳播時聲場強度輻射的半張角在5°左右，如圖4所示，在此范圍內的檢測靈敏度可以滿足探傷需求［8］。這一實驗結果提示我們，在車輪踏面激發(fā)的表面波，不僅可以用于檢測車輪踏面缺陷，同時也可兼顧用來檢測踏面與輪緣過渡區(qū)（稱R角）缺陷，甚至輪緣缺陷。在利用表面波檢測R角和輪緣缺陷時應注意，因為波束的輻射張角較小，所以當缺陷與換能器距離較近時，R角和輪緣可能屬于檢測盲區(qū)。應使用聲波輻射的遠場區(qū)探測R角和輪緣缺陷，故需要特別注意對一次波之后的回波信號的甄別與判斷。

圖4　電磁超聲表面波輻射擴散角分布（f=400 kHz）Fig.4 The radiation diffusion angle distribution of Rayleigh wave（f=400 kHz）

3　車輪EMAT探傷實驗

我們對某公司生產的一批331件火車車輪進行踏面超聲探傷檢測實驗。該批車輪的輪徑為840 mm，輞徑為769 mm，軸徑為185 mm。該車輪的生產工藝為：鋼錠切割→加熱→水壓機鐓鍛成型→軋機軋制→水壓機壓彎、沖孔、打印→等溫→淬火→回火→性能檢查→拋丸除鱗→半成品尺寸檢查→機加工→冷打字→無損探傷。過去，采用的無損探傷手段是，利用雙晶直探頭分別從踏面和輪緣內側面入射超聲波，探測輪輞內部缺陷；利用磁粉法檢測輻板表面缺陷。其中，超聲波探傷無論從輪輞的哪個面入射，踏面、R角和輪緣均為檢測盲區(qū)。

在本實驗中，我們采用EMAT在車輪踏面激發(fā)沿周向傳播的表面波，對車輪踏面的表面和近表面缺陷進行探測。在實驗中我們使用鋼研納克研制的EMA-2A型便攜式電磁超聲探傷儀以及與之配套的換能器，如圖5所示。電磁超聲探傷儀的主要技術參數如下：

圖5　EMA-2A型電磁超聲探傷儀和換能器Fig.5 EMA-2A electromagnetic acoustic detector and transducer

（1）檢測頻率：0.3 kHz～1.5 MHz連續(xù)可調；

（2）增益：0～69 dB，步長1 dB；

（3）脈沖個數：每串發(fā)射脈沖中可包含1～15個脈沖，數量連續(xù)可調；

（4）掃速：線性時基顯示的掃速分6檔可調；

（5）報警方式：傷波幅度報警和穿透波失波報警兩種方式；

（6）閘門設置：傷波幅度報警閘門和穿透波失波報警閘門的前沿、后沿均可連續(xù)調整；報警門限設置為0～100%，步長10%。

電磁超聲換能器采用脈沖激磁方式。為了確保足夠強的磁化場強度以及盡量減小換能器尺寸，在保證激磁場安匝數的情況下，激磁線圈采取了多匝、多股并聯的高能繞制方式，以降低線圈阻抗，提高激磁電流，使換能器的體積縮小至能夠單手操作，真正實現便攜式檢測。

4　實驗結果及分析

在對現場兩罐共331件加工狀態(tài)車輪的電磁超聲檢測實驗中，共發(fā)現5件輪輞區(qū)表面有明顯缺陷的車輪。探傷中，以10 mm×0.5 mm（長×深）踏面人工刻槽的回波高度為儀器滿刻度的80%為靈敏度基準。現將檢出的三種典型缺陷情況介紹分析如下：

（1）踏面缺陷：如圖6所示為在踏面中部檢測出的折疊缺陷。這種缺陷呈曲線單一狀，其產生原因可能是軋輥老化在壓痕時產生飛邊，也可能是輥系調整不當造成主輥道輥環(huán)參與軋制。如圖7所示為該踏面折疊缺陷的電磁超聲檢測波形。由于缺陷出現在踏面中部，處于換能器主聲束軸線上，所以無論在距離換能器何種距離位置上均能被很容易檢出，且回波信號的幅度也較高。由于信號幅值超過80%，故所檢出折疊缺陷當量超過人工傷，實際通過磨削折疊長度大約15 mm，深度略大于0.5 mm。

圖6　踏面折疊缺陷Fig.6 Tread folding

圖7　踏面缺陷檢測波形Fig.7 Waveform of tread folding

（2）R角缺陷：如圖8所示為檢測出的R角（踏面與輪緣過渡區(qū)）的裂紋缺陷。這類裂紋一般不長，在5～10 mm范圍，但其周圍往往伴隨有不規(guī)則坑狀的凹陷。凹陷可能由于輪輞成型時氧化鐵皮或異物被壓入造成的。如圖9所示為該R角裂紋缺陷的電磁超聲檢測波形。由于缺陷出現在R角部位，偏離踏面上的換能器的主聲束軸線，所以當換能器距離缺陷較近時此部位可能是檢測盲區(qū)。只有當換能器距離缺陷足夠遠時聲束方能投射到R角區(qū)域，所以我們在顯示中觀察到的缺陷波距離始波較遠，處于靠近透過波的位置。根據靈敏度基準，該裂紋回波幅值為80%左右，缺陷當量和人工刻槽傷接近，裂紋實際長度約10 mm，深度0.5～0.8 mm。

圖8　R角裂紋缺陷Fig.8　R angle crack

圖9　R角缺陷檢測波形Fig.9 Waveform of R angle crack

（3）輪緣缺陷：如圖10所示為在輪緣頂部檢測出的線型折疊缺陷。輪緣處的折疊缺陷可能由于成型坯輞面有臺階等原因產生。這類折疊端部往往略帶黑皮，通常是由于內板偏心、壓彎輞高偏高導致車輪形位關系不對、外板偏薄或者內側輞板距離偏大等造成的。如圖11所示為該輪緣折疊缺陷的電磁超聲檢測波形。由于缺陷出現在輪緣頂端部位，偏離換能器軸線的角度較大，所以只有當換能器距離缺陷很遠時聲束方能投射這個部位，故此我們觀察到缺陷波出現在透過波之后；此外由于缺陷距離換能器位置較遠，所以缺陷回波信號的幅度較小，幅值低于80%，其缺陷當量低于人工刻槽傷，該線型折疊缺陷長度約20 mm，深度為0.6 mm。

圖10　輪緣折疊缺陷Fig.10 Rim folding

圖11　輪緣缺陷檢測波形Fig.11 Waveform of rim folding

5　結論

通過EMAT理論研究與檢測實驗表明，電磁超聲表面波不僅可以檢測車輪踏面缺陷，而且還能檢測R角和輪緣缺陷，是對車輪常規(guī)壓電超聲波檢測的一種積極、有效的補充探傷手段。這種方法通過一點探測即可實現對整個踏面圓周的覆蓋掃查，占用時間少，檢測效率高，具有很強的實際操作性和推廣價值。EMAT表面波法不但適用于車輪踏面檢測，也可適用于其他金屬材料的探傷檢驗，應用前景十分廣闊。

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Inspection of train wheels with electromagnetic acoustic transducer

QI Yinghao
（Central Iron&Steel Research Institute，Beijing 100081，China）

An experimental investigation on train wheels surface and near surface defects is made by the electromagnetic acoustic flaw detection methods.Thus it ensures the quality of the wheels and avoids the accident.The theory and method of electromagnetic acoustic transducer（EMAT）for inspection of train wheel treads are introduced in this paper.On the basis of the radiation diffusion angle distribution of Rayleigh wave in treads，the inspection is feasible.The rapid wheel inspection can be realized with our mini EMAT and portable electromagnetic acoustic detector.Several typical tread defects are detected through a lot of experiments.The causes of defects are analyzed according to waveform characteristics and production process. It is concluded that the tread defects can be quickly and effectively detected with EMAT technique.

EMAT，Rayleigh wave，Train wheel，Treads

TP216

A

1000-310X（2015）02-0102-05

10.11684/j.issn.1000-310X.2015.02.002

2014-07-14收稿；2014-11-05定稿

齊英豪（1989-），男，河南駐馬店人，碩士研究生，研究方向：無損檢測。

E-mail：qyi_hao@163.com