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106电磁超声表面波的激发及其应用于高速列车车轮的探伤方法研究项目完成人：童凯张为代范弘岳东平王锡琴项目完成单位：国家钢铁材料分析测试中心一．研制开发的目的及意义近年来，为满足我国国民经济高速发展的需求，火车的行车速度正在不断提升。火车车轮是铁路机车及车辆的重要运动部件，其质量的可靠性对保证火车的安全运行、减少火车运输的风险有着极其重要的意义。对车轮进行全面检测是保证其质量的一个重要手段，它可及时发现隐患，防止和避免恶性事故的发生。火车车轮是一种形状较为复杂的部件，采用现有的常规无损检测方法只能对其中某些部分进行检测。例如：采用压电超声的方法检查轮辋部；用磁粉检查轮体部。然而很久以来对于车轮踏面的表面和近表面区域中的缺陷尚未有一种比较理想的检测方法可以使用。火车车轮踏面部分是车轮直接与钢轨接触的部分，在火车启动、行走（特别是弯道行驶）和刹车等的过程中，这些部分的受力和冷热交替变化极为剧烈，任何原有的微小瑕疵和缺陷都可能延展和扩大，导致车轮的局部或整体损坏，甚至酿成悲剧性的事故。由此可见，车轮踏面是火车车轮十分重要的部位，对其质量的把关尤其至关重要。利用电磁超声检测火车车轮踏面的表面及近表面缺陷，其目的就是要研制出一种行之有效的方法检测火车车轮中表面、近表面存在的缺陷，用以填补现行检测手段在车轮踏面部位的不足，从而保证运行车轮的质量。这个课题适应我国高速铁路的发展要求，具有重要的现实意义。二、方案的确定无损检测方法很多，但是要实现对车轮踏面的表面和近表面的有效检测，又兼顾全107面性、可靠性和成熟性特点的无损检测方法当属电磁超声检测法。1、所谓电磁超声法的核心是电磁超声换能器技术。其主要组成部分是：高频线圈、外磁场、试样本身。图1是一种用Lorentz力激发横波的EMAT换能器示意图。2、图中置于磁铁N及S极之下的高频线圈两部分绕线方向相反，所以在试样中感应出的涡流也相反，那么，用右手矢量法则可以判断出产生罗仑兹力F的方向都平行于试样的水平面。所以使表面趋肤层内质点产生切向位移，向试样内传播而形成横波。如将高频线圈不是置于两个磁极之下，而是置于两个磁极之间，那么很容易判断出会使表面趋肤层内质点产生与传播方向平行的振动而形成纵波。如将高频线圈制成如图2（a）所示的蛇形线圈，使相邻两部分绕组的电流方向相反，并使其间距等于λ∕2（半波长），那么，在表面上就会产生如图2（b）所示的表面波，如改变激励电流频率，那么，表面波束就会向试样内偏斜，用此可以激发出SV波。如果使高频电流方向平行于外磁场来摆放线圈，在铁磁性材料中会借助于磁致伸缩效应产生出SH波。3、由此可见，用EMAT技术可以很方便地激发出各种波型来，这是压电换能器无法比拟的。钢研院早在70年代即开始EMAT技术的研究，并已相继成功地将EMAT技术应用于多种钢铁产品的探伤，其研究成果接近国际先进水平。通过理论研究及实践探索，我们在此项目中采用了EMAT技术，即利用EMAT直接在车轮的踏面表面上激发出相向传播的两束超声表面波。所激发出的声波束将沿着车轮表面及近表面（10mm深度）内周向自行传播，从而形成对被检表面及近表面的全覆盖检测。由于电磁超声检测方法不需声图1.横波EMA换能器λ2108图2.表面波EMAT换能器耦合介质，且能容易地激发出很强的超声表面波，因此可以高灵敏度、快速地检出车轮的宏观缺陷。1、外磁场的选择：可供选择的方式一般有三种，即直流磁化、交流磁化、永久磁铁磁化。其中直流磁化的方法由于磁化装置的体积庞大、重量较重，不适于手工探伤操作，而对于车轮的自动探伤，也会由于车轮的形状等原因，造成直流磁化的困难。永久磁铁的磁化装置可以做得很小，且由于永久磁铁为无源器件，不会产生电磁噪声和机械振荡，因此可获得较高的探伤灵敏度和信噪比；但永久磁铁断磁困难，特别是手工操作中会给探头的移动造成不便、磁铁表面吸附物的清理也很麻烦。交流磁化装置的体积远远小于直流磁化装置，适于便携操作；由于交流磁化的频率是50Hz，宏观上磁吸力变得很小，这使得手工操作中且移动探头变得十分的方便。交流磁化方式可在趋肤层内产生很强的磁场，因此在表面波探伤时，可得到较高的检测灵敏度。经过一系列的摸索实验、相互比较，结合车轮探伤的实际需要，我们采用了交流磁化方法。即利用交变磁场在车轮表面激发与检测超声波。2、高频线圈的选择：根据表面波的激发原理，采用如图2（a）所示的蛇形线圈，并使其波长满足检测深度的要求。3、将交变磁场、高频线圈有机的结合起来，辅之跟踪系统、间隙定位系统等即可构成完整的电磁超声探头检测装置。109三、探伤仪的设计1、电磁超声的设计原则：a、为适应高速、自动探伤的要求，本探伤仪可满足自动化探伤所需的多种功能。b、为满足现场使用要求，探伤仪的设计力求操作简单方便，显示清晰全面，工作安全可靠。c、为同时完成对车轮踏面的全面检测，探伤仪可设计成单/多通道仪器。为避免其相互干扰，在多通道时，采用分时触发技术。2、仪器的特点：电磁超声探伤仪除具备一般压电超声探伤仪的性能外，还有如下特点：a、无需耦合剂：探头与工件为非接触形式，不依靠耦合液体传导声波，操作简单方便。b、更快的探伤速度：换能器与车轮的接触时间在毫秒级范围内即可完成对踏面和轮缘的检查；c、较少的仪器通道：最多只需两组探头，即两个检测通道，使仪器和设备在使用中的调整大大简化；d、更简单的配套机械装置：在车轮作直线前进运动的过程中，探头与车轮一、两点的接触即可完成对于踏面的全面检测。e、强大的检测能力：对车轮中的自然缺陷（如裂纹、剥落、掉块等）具有更高的检测灵敏度，大大提高了探伤的可靠性；f、相关分析方法的使用：根据多次回波的结果判定缺陷的存在，以排除偶然因素（如干扰）对探伤的影响，提高了探伤的可靠性；g、检测参数的设置只有四个软键完成，智能化程度高，操作极为简单；h、仪器能自动检测探头故障，有效地避免了因探头损坏而造成的漏检。3、仪器的主要技术指标：a、检测频率：0.3～1.5MHz，连续可调；b、增益：0～69dB，以1dB步长调整；c、报警方式：具有伤波幅度报警和透过波失波报警两种报警方式；d、闸门设置：伤波幅度报警闸门和透过波失波报警闸门的前沿、后沿均可调，报警门限0～100%，以10%步长调整；110e、脉冲个数：每串脉冲中可包含1～15个脉冲，脉冲数量以1个步长连续可调；f、相关分析次数：1～5次，以1次步长可调；g、扫描时间：线性时基显示的扫描时间分6档可调。四、车轮检测的指标及效果根据实验室的现有条件，我们制作了样轮。即：在火车车轮的踏面部位机械加工了人工伤（刻槽），人工伤大小为0.8mm深，20mm长,0.5mm宽。现场实验时，利用我们研制的电磁超声探伤仪及其电磁声换能器对样轮进行检测，样轮上的人工伤能清晰显示，当灵敏度余量达17～20dB时，噪声信号≤5%满幅高；据此，在样轮的4处不同位置进行检测，人工伤均能达到80%波高的报警灵敏度，且多次探测重复性好。对Φ1056报废轮箍4个（踏面附近有缺陷）进行检测，其中2个轮箍上各发现1处缺陷，1个轮箍上发现3处缺陷。对后者用磁粉探伤和砂轮打磨的方法进行解剖观察，三处检出的缺陷分别为：约12mm长0.2mm深；3mm长0.1mm深和5mm长很浅的裂纹缺陷。这几个缺陷打磨前经磁粉探测未检出。电磁超声探测时信噪比高，所探出的裂纹缺陷是原压电超声未检出的缺陷。通过大量的现场检验可见，电磁超声检测技术能可靠地检测出火车车轮踏面的表面及近表面裂纹、剥落、掉块等典型缺陷。五、国内外同类技术的对比分析早在20世纪70年代初，国际上就开始了自动检测火车车轮缺陷的超声方法的研究。在这一阶段主要的研究尚处于实验室内，采用的方法是压电超声法。20世纪80年代中期，德国佛朗霍菲协会无损检测研究所（fraunhofer–InstitutefuerzersforungsfreiePruefung简称FhG—IzfP）经多年努力，研制成功一套称为AUROPA的车轮踏面裂纹EMAT探伤装置。该装置是一个全自动的探伤与数据处理系统，它包括EMAT、探伤仪、控制系统、数据采集与分析处理的计算机系统。在火车库区内的两侧钢轨上各嵌入两个相距600mm的EMAT，以补偿每个EMAT的探伤盲区。AUROPA使用的声脉冲频率为0.4MHz，声表面波可沿轮踏面传播两周，能探出踏面上1mm深、20mm长的人工裂纹，信噪比为10dB。据称该装置已在德国汉堡和西班牙马德里的火车修理厂使用多年，但未见到其使用效果的介绍。111随着我国火车的逐年不断提速，国内各单位正在开发车轮自动超声探伤装置，简介如下：钢铁研究总院正在开展的项目研究类似于德国的AUROPA装置的EMAT探伤装置的研究，该探伤装置包括：EMAT、智能化探伤仪、控制系统，可用于动态火车车轮的探伤。其动态探测踏面裂纹（1mm深、20mm长）的信噪比要比德、美的高得多（见实验报告）。此项研究成果对车轮踏面及近表面的裂纹等缺陷检出率较高。目前已应用于生产实际检验中。此外，国内还有数家单位利用压电检测技术对火车车轮一些部位进行检测。综上所述，我国的车轮自动超声探伤研制工作已经起步，电磁声探伤技术现已应用于火车车轮的生产实际检验之中，其检测指标远远高于国外同类产品，基本达到国际同类技术的先进水平。