文予卓

（貴州煤礦礦用安全產(chǎn)品檢驗(yàn)中心，貴州 貴陽 550022）

礦山是我國最為廣泛的能源之一，開采工作尤為重要，為確保礦山正常開采，避免機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)問題，對(duì)大型設(shè)備軸類零件應(yīng)確保其安全性與穩(wěn)定性，保障礦山機(jī)械設(shè)備安全運(yùn)行[1]。超聲波探傷技術(shù)是目前常用的無損檢測(cè)技術(shù)，是控制工件質(zhì)量、設(shè)備維護(hù)、提高檢測(cè)效率的重要手段，已在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛運(yùn)用。在礦山機(jī)械設(shè)備的檢測(cè)工作中，超聲波探傷能大大提升檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，因此，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該技術(shù)的開發(fā)與利用。

1 超聲波探傷技術(shù)簡(jiǎn)介

超聲波探傷是利用超聲波能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來檢查零件缺陷的一種方法，當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。

圖1 超聲波脈沖反射法示意圖

超聲波探傷技術(shù)的種類較多，其主要包括穿透法、共振法、脈沖反射法等。其中脈沖反射法廣泛應(yīng)用于鋼鍛件的超聲波探傷。

脈沖反射法是通過探頭發(fā)出的脈沖波在工件中遇到缺陷或界面時(shí)發(fā)生反射，反射的信號(hào)被探頭吸收后在探傷儀的顯示屏上形成入射界面反射波T、底面界面反射波B和缺陷波F，從而可根據(jù)缺陷波的位置和高低判斷缺陷的位置和大小。（如圖1所示）其優(yōu)點(diǎn)：①靈敏度高；②便于缺陷定位；③適用縱波、橫波的探傷方法；④便于現(xiàn)場(chǎng)手工操作。

2 礦山機(jī)械設(shè)備軸類零件缺陷分析及超聲波探傷技術(shù)參數(shù)的選擇

2.1 礦山機(jī)械設(shè)備軸類零件缺陷分析

礦山機(jī)械設(shè)備軸類零件包括提升機(jī)主軸、天輪軸、皮帶機(jī)滾筒軸等，主要是鋼鍛件為主，這類零件的缺陷就其成因而言一般有兩大類，一類是主軸出廠時(shí)固有的，比如原材料中的冶金性缺陷（如非金屬夾雜物，白點(diǎn)等）或者是加工工藝不當(dāng)導(dǎo)致的工藝性缺陷（如淬火裂紋，磨削裂紋等）。另一類則是主軸在運(yùn)行中產(chǎn)生的，比如主軸在載荷的長期作用下形成的疲勞裂紋[2]。隨著生產(chǎn)條件的改進(jìn)，很多生產(chǎn)廠家已經(jīng)配備專業(yè)的超聲波探傷儀，第一類缺陷可以在出廠時(shí)就加以檢測(cè)控制，但第二類缺陷由于軸類零件已經(jīng)組裝完成，使用過程中拆卸不便，加上大多礦山企業(yè)沒有配備專業(yè)的探傷設(shè)備和人員，現(xiàn)行的礦山安全檢測(cè)檢驗(yàn)也沒有針對(duì)軸類零件的強(qiáng)制檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，所以礦產(chǎn)在用軸類零件長時(shí)間以來都是處于脫檢狀態(tài)，存在一定安全隱患。尤其是提升機(jī)主軸和皮帶機(jī)滾筒軸等長期重載運(yùn)行，在交變應(yīng)力的作用下，容易導(dǎo)致主軸在應(yīng)力集中部位產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋不斷擴(kuò)展，失穩(wěn)后大軸瞬間斷裂。為避免大軸斷裂的惡性事故發(fā)生，有必要采取超聲波探傷的方法定期或不定期對(duì)大軸進(jìn)行預(yù)防性的檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)存在的缺陷，告知設(shè)備使用方，做好更換預(yù)案。

2.2 超聲波探傷技術(shù)參數(shù)的選擇

（1）軸類零件的探傷選擇縱波直探頭為主，橫波斜探頭為輔的方法。

（2）選擇頻率（f）和晶片直徑（D）。由于提高探傷頻率f后，有利于發(fā)現(xiàn)更小的缺陷，波束指向性好，靈敏度提高，但同時(shí)會(huì)導(dǎo)致超聲波的衰減和近場(chǎng)區(qū)增加，對(duì)探傷不利。因此，頻率上限應(yīng)以草狀回波信號(hào)的大小和底波出現(xiàn)的狀況即信號(hào)衰減情況來決定；而下限則由檢測(cè)靈敏度、脈沖寬度及指向性決定。因此，在實(shí)際工作中，一般在初探時(shí)選用1.25MHz，精探時(shí)選用2.5 MHz。晶片直徑大時(shí)聲束擴(kuò)散角小，波束能量集中，對(duì)探傷有利；但直徑大時(shí)，近場(chǎng)區(qū)長度N增加，對(duì)探傷不利，綜合考慮，在主軸探傷中，宜采用晶片直徑為20毫米的探頭為佳。

3 礦山機(jī)械設(shè)備軸類零件現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方法

3.1 探傷前準(zhǔn)備工作

由于是現(xiàn)場(chǎng)在用設(shè)備的檢測(cè)，部分大型軸類零件拆卸不便，只能做部分掃描，因此需要找出軸類零件圖紙，對(duì)照?qǐng)D紙查出其幾何形狀、分析受力狀態(tài)、應(yīng)力集中點(diǎn)、材質(zhì)、熱處理情況、可能產(chǎn)生缺陷的重點(diǎn)部位等。以此為依據(jù)，選擇入射方向時(shí)應(yīng)使探頭聲束中心線與預(yù)計(jì)的缺陷面盡可能地垂直。在選擇入射方向時(shí)，應(yīng)注意到軸類零件的各種類型的臺(tái)階、溝槽及孔等可能產(chǎn)生反射信號(hào)的影響。因此，選擇入射方向時(shí)注意盡量躲開可能產(chǎn)生雜亂信號(hào)的方向，以避免給判斷缺陷造成困難。

3.2 缺陷定量方法

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇計(jì)算法確定缺陷當(dāng)量：

（1）設(shè)置儀器，調(diào)節(jié)零點(diǎn)（聲速，測(cè)試范圍，儀器校準(zhǔn)等）。

（2）調(diào)靈敏度。

式中：△dB—調(diào)整靈敏度；X0—靈敏度范圍；XB—試件厚度；φ0—靈敏度探測(cè)尺寸；λ—超聲波波長。dB0=dB+│△dB│

式中：dB0—實(shí)際探測(cè)靈敏度；△dB—調(diào)整靈敏度；dB—試件底波回波為基準(zhǔn)80%對(duì)應(yīng)的回波聲壓。

（3）計(jì)算缺陷當(dāng)量。△f=dB0-dBf

式中：△f—缺陷實(shí)際回波聲壓；dB0—實(shí)際探測(cè)靈敏度；dBf—缺陷回波為基準(zhǔn)80%對(duì)應(yīng)的回波聲壓。

式中： φf—缺陷當(dāng)量大??；△f—缺陷實(shí)際回波聲壓；Xf—缺陷位置。

計(jì)算缺陷當(dāng)量時(shí)，當(dāng)材質(zhì)衰減系數(shù)超過4dB/m時(shí)應(yīng)考慮修正，衰減系數(shù)α(dB/m)的計(jì)算公式為：

式中：T—鍛件厚度或直徑，m B1、B2—第一次和第二次底波幅度。

3.3 缺陷的定性分析

超聲波探傷技術(shù)的定性問題一直是個(gè)難點(diǎn)，這主要是由于缺陷對(duì)聲波的反射取決于缺陷的形狀、取向、相對(duì)聲波傳播方向的長度、表面粗糙度、及缺陷的種類和性質(zhì)等等。同時(shí)還與檢測(cè)設(shè)備的特性和顯示方式有關(guān)，所以在超聲波探傷時(shí)所獲取的聲波信號(hào)是一種綜合響應(yīng)，在目前常用的超聲檢測(cè)技術(shù)上還很難將上述各因素從反射聲波信號(hào)中分離識(shí)別出來，這就給定性帶來了很大的困難。但是經(jīng)過不斷努力，還是總結(jié)出了許多有價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)，且做了大量的解剖試驗(yàn)來驗(yàn)證，方法就是通過缺陷波形和回波特征來判斷缺陷性質(zhì)[3]。比如鋼鍛件中的粗晶與疏松缺陷，多以雜波、叢狀波形式等形式出現(xiàn)；而裂紋缺陷由于內(nèi)含物多有氣體存在，與基體材料聲阻抗差異較大，所以超聲波反射率高，回波起波速度快，前沿陡峭，波峰尖銳，當(dāng)探頭越過裂紋延伸方向移動(dòng)時(shí)，起波迅速，消失也迅速等等。

超聲波探傷定性方法很大程度上依賴檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)水平和對(duì)特定產(chǎn)品、材料及制造工藝的充分了解，其局限性是很大的，目前難以推廣成為通用的評(píng)定方法。在對(duì)零部件有更高要求時(shí)往往輔以X射線，磁粉探傷，滲透探傷等方法加以判斷。

4 結(jié)語

礦山在用大型機(jī)械設(shè)備軸類零件服役大都超過十年以上，由于拆卸不便且主軸的探傷沒有強(qiáng)制檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，故存在一定安全隱患。超聲波探傷技術(shù)屬于無損檢測(cè)技術(shù)中較為方便快捷的檢測(cè)技術(shù)，因此，將其推廣應(yīng)用到礦山機(jī)械軸類零件的檢測(cè)中，能夠保障設(shè)備安全運(yùn)行，確保礦山生產(chǎn)。