CN112379001B - 一种铁路轴承套圈超声波探伤减小检测盲区的工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明介绍了一种铁路轴承套圈超声波探伤减小检测盲区的工艺方法，包括如下步骤：S1、设置超声波试块的结构；在超声波试块内径面上依次设置七个直径为φ1mm的平底孔；S2、设置超声波探头的晶片入射角度α设置为10°、晶片尺寸为5X6=30mm2或6X6=36mm2、超声波探头的频率f为7.55MHz、频带宽度固定在±5%以内；S3、设置超声波探伤的线速度3s/圈、探头步长1mm；该工艺方法显著扩大了有效检测范围，提高了探伤的灵敏性和检出率，使超声波探测DAC曲线更加精确，缩小了现有检测过程中的检测盲区，更好的保证了轴承的检测质量。
Description
技术领域
本发明属于轴承套圈探伤技术领域，具体涉及一种铁路轴承套圈减小超声波探伤盲区、增加检测范围的工艺方法。
背景技术
随着近年来我国铁路运输安全的提高，对铁路货车轴承的质量也提高了技术要求，轴承质量直接影响运输的安全。在运输过程中货车轴承需要承受近百吨的径向承受力，这就需要对每件轴承套圈有极高的质量标准，而无损检测是目前轴承制造过程中最重要的检测手段之一。目前我公司采用的无损检测方法是磁粉表面探伤和超声波内部探伤相结合的形式进行检测，从而杜绝缺陷产品下移；所加工产品外圈表面和近表面的缺陷通过磁粉探伤来完成检测，内部的缺陷则需要通过超声检测来完成，超声检测是通过水浸式双晶超声波探伤方式实现检测，这也是目前中国铁路轴承行业通用的检测标准。
现有的超声检测方式检测深度为4mm深度以下，磁粉探伤只能检测表面以下深度2mm左右的缺陷，上表面以下有4mm-2mm左右的盲区没有得到有效检测，同时位于下表面能检测到13.5mm左右的缺陷，被检测轴承套圈的最大厚度为18mm，位于下表面13.5mm到18mm之间有18-2-13.5=2.5mm左右的盲区没有得到有效检测，两处盲区给铁路轴承的后期使用带来了很大的安全隐患，因此需要一种新的方法来减小现有铁路轴承套圈超声波探伤中的检测盲区问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种铁路轴承套圈超声波探伤减小检测盲区的工艺方法，该工艺方法通过调整超声波探头的入射角度、改变探头晶片的尺寸、探头的频率及改进超声波试块的结构，解决现有铁路轴承圈超声波探伤过程检测方法的局限性，缩小检测盲区。
本发明的目的可采用如下技术方案来实现：一种铁路轴承套圈超声波探伤减小检测盲区的工艺方法，包括如下步骤：
S1、设置超声波试块：
所述的超声波试块为轴承外圈实物试块，在超声波试块内径面上依次设置有1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号共七个直径为φ1mm的平底孔，所述的平底孔从轴承外圈的外径面到平底孔底面深度从1号至7号依次设置为3.5mm、5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、14.5mm，每个孔的间距均设置为7.5mm；
S2、设置超声波探头参数：
a、所述的换能器探头为双晶纵波探头，根据双晶纵波探头的特点，将逆压电晶片的入射角度，即发射超声波晶片的入射角度α设置为10°，根据超声波入射折射定律Sin8°/2730=Sinβ/5920推算出折射角β为22.5°；
b、将超声波探头的晶片尺寸设置为5X6=30mm2或6X6=36mm2，提高近表面以下最深处13mm的缺陷检出率；
c、将超声波探头的频率f设置为7.55MHz，根据波长λ=V/f，V为声速5.9km/s，f为超声波探头频率，实际检测灵敏度为λ/2，计算得出波长λ为0.78mm，实际检测的灵敏度为0.39mm，使得灵敏度提高；
d、将超声波探头的实际频带宽度固定在±5%以内，使得带宽探头保持稳定；
S3、设置工艺操作参数：
将超声波探伤的线速度、探头步长设置为：线速度3s/圈、探头步长1mm，使主声束变窄，增加覆盖面。
通过本发明的实施，该工艺方法的有益的效果是：有效的解决了现有铁路轴承套圈超声波探伤检测方法的局限性，缩小了现有检测过程中的检测盲区，使得检测范围显著扩大，更好的保证了轴承的检测质量。
附图说明
图1为本发明的超声波试块结构示意图；
图2为现有的超声波试块结构示意图；
图3为本发明的超声波探测DAC曲线图；
图4为现有的超声波探测DAC曲线图；
图5为本发明的超声波探测结果图；
图6为现有的超声波探测结果图；
图7为双晶探头超声波探伤声波入射折射原理图；
图中标记图中：1、超声波探头，2、探头晶片，3、隔声层，4、盲区，5、有效探伤区域。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述，为了便于理解本发明的具体方案，首先对现有技术进行简要说明：
铁路货车轴承外圈超声波探伤现执行的标准为中国铁路总公司印发的《铁路货车轮轴组装检修及管理规则》，该行业标准中对轴承外圈超声波探伤中的探头作了规定，其中6.6.2.2条款中规定探头规格为5N5X5FG10，其原理是将探头置于轴承外圈实物试块的外径面上，依次将轴承外圈实物试块上的1号、2号、3号、4号、5号五个直径为φ1mm的平底孔扫查探伤，五个孔的深度从外径面以下至平底孔底面依次为5mm、7mm、9mm、11mm、13mm，如图2所示，在超声波检测时，给予探伤设备一定量的检测灵敏度（dB），将轴承外圈实物试块上的五个平底孔全部检测出来，并依次将各标点用圆滑曲线连接成整个超声波探伤范围得到的完整曲线，即DAC曲线，如图4所示，此条DAC曲线即是判定是否有缺陷超标的标线，而轴承外圈实物试块上的五个孔的有效探伤范围为13-5=8mm，即产品中内部深度8mm为有效的探伤范围。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，一种铁路轴承套圈超声波探伤减小检测盲区的工艺方法，具体包括如下步骤：
S1、设置超声波试块：
所述的超声波试块为轴承外圈实物试块，在轴承外圈实物试块内径面上依次设置有1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号共七个直径为φ1mm的平底孔，所述的平底孔从轴承外圈的外径面到平底孔底面深度从1号至7号依次设置为3.5mm、5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、14.5mm，每个孔的间距均设置为7.5mm；将轴承外圈实物试块放置到本实施例中使用的BLC-ZC2超声波自动探伤机测量位置，超声波探头1置于轴承外圈实物试块的外径面上，依次对轴承套圈实物试块上的七个平底孔扫查探伤，在超声波检测时，给予探伤设备一定量的检测灵敏度dB，将轴承套圈实物试块上的七个平底孔全部检测出来，依次将各标点用圆滑曲线连接成整个超声波探伤范围得到的完整DAC曲线，如图3所示，试块上的七个孔的有效探伤范围为14.5-3.5=11mm，相比较本工艺方法的超声波试块有效探伤范围比现有工艺方法的超声波试块上五个孔的有效探伤范围8mm显著增大，DAC曲线更加精确。
S2、设置超声波探头1的参数：
a、所述的超声波探头1为双晶纵波探头，根据双晶纵波探头的特点，将逆压电晶片的入射角度，即发射超声波晶片的入射角度α设置为10°，同时也要调整正压电晶片的接收角度，原超声波探头晶片的入射角度α为8°左右，根据超声波入射折射定律Sin8°/2730=Sinβ/5920可推算出折射角β为17.5°左右，由此得出入射角度α设置为10°时折射角β为22.5°，折射角的增大，钢材中声束汇聚区即有效探伤区域5随即向近表面移动，最浅近表面有效探测区域也更广；如图7所示，当检测时，位于棱形a、b、c、d形成的有效探伤区域5内的有效正方体部分内的检测灵敏度较高，通过改变入射角α的角度，调整折射角，棱形区域随即向上表面移动，近表面缺陷的检出率大大提高，但是入射角的调整只能微调，不能无限制的调整，因为当入射角≥12.5°时，即进入第一临界角发射，根据超声波检测理论，试件中纵波会发生畸变，折射纵波消失，分量出横波，检测不准确；
b、将超声波探头1的晶片尺寸设置为5X6=30mm2或6X6=36mm2，原探头晶片2的尺寸为5X5=30mm2，当超声波探头1入射角微调后，棱形方体区域向表面移动，有效检测区域在垂直方向变小、变扁，即声束会聚区变小，增大探头晶片2的尺寸，能够保证近表面以下最深处13mm左右的缺陷检出率，但探头晶片2的尺寸不宜过大，因为探头晶片2尺寸过大会出现以下问题：⑴、会导致近场区长度N=D2/4λ也将增大，盲区4也相应增加，定量和定位相对不够准确，对检测不利；⑵、探头晶片2的尺寸过大，相应的半扩散角将变小，根据θ=arcsin1.22λ/D， D为晶片尺寸直径，λ为波长，θ为半扩散角，波束能量集中，声束变窄，灵敏度高，缺点是扫查覆盖率要多，否则存在漏测的可能，效率相应较低；
c、将超声波探头1的频率设置为7.55MHz，频率的大小直接影响超声波探伤灵敏度，频率越高，分辨力也越高，检测出缺陷的能力就越强；原使用的超声波探头的频率为5MHz，实际检测灵敏度为λ/2，λ为波长，根据λ=V（m/s）/f（MHz），V为声速，f为超声波探头频率，材料的声速为5.9km/s，原波长λ=5.9/5=1.2mm，，因探头材料、耦合等方面的影响，波长λ/2约为0.7mm左右，现将探头频率提高至7.55MHz后，能有效降低波长λ，提高检测灵敏度，但是提高频率过高对检测不利，因为：⑴、频率越高，导致波长越短，半扩散角θ=arcsin1.22λ/D也就越小，波束就窄，检测区域相对变窄减小；⑵、频率越高，根据N=D2/4λ推算出近场区越大，盲区4也相应增加，同时对缺陷的定量、定位带来影响，影响检出效果；⑶、超声波在钢材中传播时，频率越高，介质衰减，扩散衰减，也会导致超声波穿透力减弱，信噪比下降，影响检测效果；
d、将超声波探头1的实际频带宽度固定在±5%以内，使得带宽探头保持稳定，超声波探头发射的频率实际上都不是单一恒定的，而是有一定频率范围的，原《轮规》没有这方面的规定，实际探头频带宽度控制在±10%左右，现改善超声波探头1的频率，将探头频带宽度固定在±5%以内，能够获得稳定的频率，稳定的分辨力，对检测非常有利。
S3、设置工艺操作参数：
原有的超声波探伤作业指导书规定：线速度2s/圈，探头步长即覆盖面为2mm，现设置为：线速度3s/圈，探头步长1mm，通过以上超声波探头1的改变，主声束变窄，增加覆盖面，有利于检测。
该发明在本公司实施后，验证结果对比如下：
原操作指导书中DAC曲线制作，确认卡具处于夹紧状态后，在操作页面的【多通道检测】界面里点击“开始自动探”，通过自动扫查五个平底孔的反射回波的波幅点自动记录，每个反射回波分别在声程5mm、7mm、9mm、11mm、13mm处显示，现在调整为七个孔后，每个反射回波分别在声程3.5mm、5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、14.5mm处显示；若存在偏移现象，则调整相应的偏移量，直至准确为止，在显示屏上将每个反射回波的波幅点顺次连接并延伸至整个探伤范围，DAC曲线制作完毕后，将数据载至软件，以备探伤作业时使用。
如图5所示为本工艺方法的超声波探测结果图，经过测试分析，当超声探伤验证试块时，显示屏幕上显示在接近牙口底波前沿3.5mm处出现一处缺陷波，底波在6mm左右出现，当探伤到中径最厚处，底波出现在15.5mm左右，在前沿14.5mm处出现一处缺陷，而图6为原工艺方法所显示的探测结果，由此可见，本发明的有效检测范围显著扩大，减小了检测过程中的检测盲区4，达到了预期效果，使轴承的检测质量得到进一步提高。
本发明未详述部分为现有技术。
Claims (1)
1.一种铁路轴承套圈超声波探伤减小检测盲区的工艺方法，其特征是：包括如下步骤：
S1、设置超声波试块：
所述的超声波试块为轴承外圈实物试块，在轴承外圈实物试块的内径面上依次设置有1号、2号、3号、4号、5号、6号、7号共七个直径为φ1mm的平底孔，所述的平底孔从轴承外圈的外径面到平底孔底面深度从1号至7号依次设置为3.5mm、5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、14.5mm，每个孔的间距均设置为7.5mm；
S2、设置超声波探头参数：
a、所述的超声波探头为双晶纵波探头，根据双晶纵波探头的特点，将逆压电晶片的入射角度，即发射超声波晶片的入射角度α设置为10°，由超声波入射折射定律Sin8°/2730=Sinβ/5920推算出折射角β为22.5°；
b、将超声波探头的晶片尺寸设置为5X6=30mm2或6X6=36mm2，提高近表面以下最深处13mm的缺陷检出率；
c、将超声波探头的频率设置为7.55MHz，根据波长λ=V/f，V为声速5.9km/s，f为超声波探头频率，实际检测灵敏度为λ/2，计算得出波长λ为0.78mm，实际检测的灵敏度为0.39mm，使得灵敏度提高；
d、将超声波探头的实际频带宽度固定在±5%以内，使得频带宽度保持稳定；
S3、设置工艺操作参数：
所述的工艺操作参数包括线速度、探头步长，将超声波探伤的线速度、探头步长设置为：线速度3s/圈，探头步长1mm，使主声束变窄，增加覆盖面，使其检测范围扩大，从而缩小了检测过程中的检测盲区。
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