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1、铁路无损检测技术讲座,一.无损探伤简介,1.无损检测技术1.1 无损检测与无损探伤无损检测：在不破坏被检测对象物理化学性能和几何完整性的情况下，对其表面和内部参数或性能等进行测量，称为无损检测。如果检测的目的是发现伤损，则称为无损探伤。在大多数情况下，如无特殊说明，无损检测实际上指的是无损探伤。,缺陷与伤,缺陷：用来说明材料性能的一个总的概念。介质中的非一致性、非均匀性、非连续性都可称为缺陷，严格讲晶体中的一个位错即为一个缺陷。伤：指金属材料几何上的连续性遭到破坏，实际上指的是宏观缺陷。“缺陷”的概念远比“伤”大，缺陷包括了伤，或伤是缺陷的一部分。,1.2 无损检测的基本特点,无损探伤的显著特
2、点是不具破坏性，因而可实现检测对象的100%检验，即可实现对100%的检测对象及每个检测对象的100%部位进行探伤。无损探伤或无损检测，其检测结果往往不够“精细”，在大多数情况下，只能给出缺陷的有无，而无法准确给出缺陷的大小或性质。,1.3 无损检测与产品质量,无损检测可用于产品生产过程中的各个阶段，从原材料的选取、生产工艺的监控，直到最后产品质量的验收，也可用于在使用过程中安全性能的监督和检查,是现代工业不可缺少的质量保证手段。现代工业需要：高参数设计、大规模集成、高速度运行、长寿命使用，每道工序、每个部件或部位都必须安全可靠，都需要监督或监控，只有无损检测才能做到这一点。日本曾有人说：现代
3、工业是建立在无损检测技术基础之上的。,1.4 无损检测与安全,安全（生产）是当今社会一个热门话题。直接关系到社会稳定的大局，关系到可持续发展战略的实施。安南曾指出，仅因工伤及职业病所造成的损失就相当于全球GDP的4%左右。我国是事故和灾害大国，2003年因生产事故造成损失2500亿，各种自然灾害损失1500亿，交通事故损失2000亿，卫生和传染病的损失500亿。合计6500亿人民币,约相当于损失GDP的6.5%。,随着社会经济和科学技术的发展，安全问题不仅不会自行消失，反而会更加突出。因而国内有些人提议：“安全”应提升为我国的一项基本国策，与人口、资源、环境一样受到广泛重视。要抓好安全，除其它
4、因素之外，还必须有手段和措施，无损检测就是其中一种重要的监控手段或技术，因而越来越受到重视。从1997年4月1日到2007年4月18日，铁路进行了6次大提速，最高运行速度达250km/h，铁路产品的的安全使用性能成了决定性的因素。从原材料开始直至产品运用报废，探伤技术的应用渗透到铁路生产和运用的各个环节。,2.常用无损检测方法,五大常规方法(1).超声探伤法-UT(2).磁粉探伤法-MT(3).射线探伤法-RT(4).涡流探伤法-ET(5).渗透探伤法-PT 另为还有诸多非常规方法，如声发射、红外、热成像、激光超声、电磁超声等。,2.1 超声波探伤法,基本原理：利用声波在介质中的传播特性、衰减
5、特性和在界面上的反射特性、折射特性等。超声法适用于锻件、轧制件等晶粒较细的工件或材料的探伤。主要用于内部缺陷的探测，也可用于表面缺陷的探测。缺陷显示不够直观。,2.2 磁粉探伤法,基本原理：利用磁力或磁场与铁磁体的相互作用进行探伤。有缺陷时，一部分磁力线外露形成漏磁场，漏磁场吸附磁粉形成磁痕，给出缺陷的存在。只适于铁磁材料中非铁磁性缺陷的检测。由于趋肤效应，磁探法只能探测表面或近表面缺陷。缺陷显示直观。,漏磁场宽度要比缺陷宽度大数倍至数十倍，磁痕将缺陷放大，很容易观察。磁粉除受磁力之外，还受有重力、悬浮力、摩擦力、微粒间的静电力等，在这些外力的共同作用下，被吸引到缺陷处。,2.3 射线探伤法,
6、基本原理：利用射线的穿透性、衰减性和胶片的光化学作用进行探伤。射线探伤适用于各种不同材质的探伤，但主要用于铸件和焊缝检测。射线探伤主要用于内部缺陷的探测。探伤结果显示直观，且可长期保存。需要严格防护，一般不能连续作业。目前已有了射线工业电视。,2.4 涡流探伤法,基本原理：利用电磁感应原理。主要包括：奥斯特1820年发现：导体通有电流时，会产生环绕导体的磁场。法拉第现象：在任一闭合导电的回路里，当磁通量发生变化时，该回路就产生电流。法拉第电磁感应定律：感应电动势正比于磁通量对时间变化率的负值。麦克斯韦方程组：电感生磁，磁感生电；或电动生磁，磁动生电。,线圈的阻抗单个线圈等效电路 线圈耦合电路,
7、视在阻抗:ZS=RS+XS 引入视在阻抗的概念后，就可以认为一次电路中电流或电压的变化是由于视在阻抗的变化引起的，根据视在阻抗的变化就可知道二次线圈对一次线圈的效应，从而推知二次线圈阻抗的变化。亦即：缺陷可引起二次线圈（工件）阻抗变化，阻抗变化又可引起一次线圈视在阻抗变化，从而引起电流或电压的变化，测出这些变化即可检出缺陷。,线圈在工件表面感应出一涡流，有缺陷时，涡流的幅度、相位和分布等要发生变化，相应地涡流辐射的电磁场也要发生变化，这一变化被接收线圈接收即可给出缺陷。涡流检测的主要应用及特点：只适用于导体材料中非导体缺陷的检测。只能探测表面或近表面缺陷。可用于探伤及材料分选。不够直观，易受工
8、件表面状况和形状影响。非接触式，易于连续扫查。,应注意：Z是复数，或阻抗是矢量，有幅度和相位。缺陷既可引起阻抗（或涡流信号）幅度的变化，也可以起相位的变化。在某种意义上说，涡流检测是二维的，有更多的信息量，检测不仅仅靠信号幅度。,2.5 渗透探伤（着色探伤）,基本原理：主要利用毛细现象。液体表面张力：来自内部分子的相互吸引力，即内聚力。接触角：,毛细作用,渗透探伤基本步骤：清洗渗透清洗 干燥显象检验基本特点：1.渗透探伤只适用于内部组织十分致密而表面又比较光滑的材料探伤，一般不能用于铸件或表面粗糙工件的探伤。2.只能检查表面开口和内部有一定空腔的缺陷。3.渗透探伤十分直观，不需专门设备，需要的
9、只是几种材料。4.污染厉害，对人体有害。,渗透探伤图片,该图片为着色探伤,无损检测技术的共同点伤与非伤一定存在差异 1.找出伤与非伤之间的差异；2.用物理方法取出差异信号；3.把差异信号显示出来。存在许多干扰。,二.无损检测质量控制,1.质量、质量管理和质量控制,质量：一组固有特性满足要求的程度 特性：实体所特有的性质，反映其满足 需要的能力。要求：指明示的，通常隐含的或必须履 行的需要和期望。质量管理：在质量方面指挥和控制组织的 协调的活动。,组织：是指“职责、权限和相互关系得 到安排的一组人员及设备”。质量控制：质量管理的一部分，致力于满 足质量要求。2.无损检测在全过程质量控制中的作用
10、设计阶段：要考虑无损检测的能力，须经 无损检测技术要求审查。研制、生产阶段：鉴定工艺，剔出不合格 品，验收。使用阶段：安全性、可靠性监督。,3.法典、标准、规范和规程4.无损检测规程和无所检测工艺卡 规程：详细叙述某一无损检测方法对某一产 品如何进行无损检测的程序性文件。工艺卡：叙述某一无损检测方法的一种技术 对一个具体零件或一组类似零件实施检 测所应遵循的准确步骤的作业文件。5.无损检测作业的质量控制 检测人员：等级管理，持证上岗。,GB/T9445-2005,等效于ISO9712 技术等级：级、级、级检测仪器设备：测试、标定、检定、鉴定 和验收等。检验用品（材料）：质量、有效期、标准 器具
11、校准等。检验标准及文件检验程序检验环境,三.车轴超声波探伤,车轴探伤分新制和在役车轴探伤两种情况。新制车轴探伤主要探测材质缺陷和制造缺陷。早期车轴探伤标准多等效于美国AAR标准，近些年基本等效于EN或ISO标准。在役车轴探伤主要探测疲劳裂纹。传统车轴探伤技术本已相当成熟，只是近些年由于许多新型高速车轴(动车组空心轴)的出现，不得不研制新方法、新技术和采用新设备。,空心车轴探伤欧洲铁路普遍采用德国弗郎霍夫探伤研究室及意大利基拉多尼公司生产的全自动空心车轴(新制修理)超声波探伤装备。德国弗郎霍夫无损探伤研究室生产的HW移动式空心车轴探伤系统已被铁道部引进,将被用于和谐号200km/h动车组。,意大
12、利基拉多尼公司生产的移动式空心车轴超声波探伤系统已被长客引进，将被应用在300km/h动车组的新制车轴压装工序中的轴表面损伤。长客引进的移动式空心车轴超声波探伤系统（图片）,1、在役车轴的超声波探伤1.1 车轴探伤方法我国车轴超声波探伤最早开始于1951年，逐步形成了如下三种方法：一是0探头纵波探伤法：主要对车轴的透声性能和内部大缺陷进行检测；二是小角度纵波探伤法：从轴端对轴颈和轮座镶入部进行检测,三是横波探伤法：主要从轴身对轮座镶入部及其他镶入部进行检测。上述三种探伤方法各有所长，使用中相互配合，完成对车轴各不同部位的全面扫查。,1.2纵波探伤法纵波探伤法：使用纵波直探头从车轴端面进行扫查，
13、能够对车轴全长进行检测。特点：探测范围广、扫查速度快、探伤灵敏度高。车轴纵波探伤的目的：一是对车轴进行纵向透声检验二是检测疲劳大裂纹，一般只能探测出深度45mm以上的裂纹。,1.3 小角度纵波探伤法使用的是超声纵波，而又是斜入射，因而在某种意义上具有纵波探伤和横波探伤的双重特点。优点：探伤速度快，效率高。缺点：干扰信号较多，探测轮座镶入部外侧时会存在一定的盲区。,1.4横波探伤法在不退轴承（或轴承内圈）的情况下，横波探伤是从轴身上对镶入部内外侧进行扫查。在退轴承情况下，也可从轴颈上对轮座镶入部进行扫查。优点：探伤灵敏度高，干扰信号少，检测部位没有盲区，是目前车轴探伤可靠性最高的一种探伤方法。缺
14、点：探测面为曲面，耦合条件不如平面。,车轴扫查方式,1.5 相控阵技术 是利用若干阵元（晶片）组成阵列式换能器，并通过控制各阵元的发射、接收时序实现声束扫查的技术。该技术不需移动探头，就能实现声波的扇形扫查，同时能很方便地控制声束聚焦，可以很好地解决结构复杂车轴的探伤问题。,四.车轮超声波探伤,1.情况简介,在早期车辆部件探伤中，重点是车轴。近些年随着高速和载重，车轮问题增多，探伤重点和难点有往车轮转移的趋势。车轮探伤分新造和在役两种情况。新造：探测材质和制造缺陷；在役：则主要探测疲劳裂纹。我国早期的车轮标准多等效采用AAR标准，近些年基本等效采用EN或ISO标准。,新制车轮探伤探伤要求：车轮
15、：表面磁探，内部目前只探轮辋。2004版EN标准增加了辐板和轮榖探伤。探伤方法：纵波法单晶和双晶探头。轴向扫查：用直探头从内侧面扫查。径向扫查：用双晶探头从踏面扫查；,在役车轮探伤主要探测疲劳裂纹除剥离掉块外，疲劳缺陷多出现在踏面下1030mm的范围内 疲劳裂纹按取向可以分为三类：周向裂纹：有时也称为水平裂纹。径向裂纹：沿轮辋径向发展，最危险。斜向裂纹：与轮辋半径方向呈一定角度。,轮辋裂纹,轮辋325mm横孔波形图,五.铁路探伤存在的若干问题的讨论,1.无损检测与检测 无损检测：尤其是无损探伤，是对未知 量的检测，即要检测的“伤”不一 定存在，因而有很大的随机性、偶然 性和不可知性。检测：往往
16、是对一个“已知量”的检测，或对一个已存在量的检测，该量有 一定的已知性，或可知性。,2.超声波探伤和磁粉探伤 是铁路上最重要、应用最广泛的两种探伤方法，但二者有较大差别：超探：是一种比较测量，主要检测内部缺 陷。需对设备进行校准，缺陷显示不够 直观，也无法给出缺陷的实际大小。磁探：主要检测表面或近表面缺陷。缺陷显 示直观，决定探伤灵敏度的是磁化规范，即磁化电流，但不能像超声那样在已知缺陷校准探伤灵敏度。,3.探伤工作中经常出现的问题“宁左勿右”：不一定全错，为了确保安全，强化探伤工作或从严掌握质量标准有时 是必要的，但不能太过份。以新代旧：没有在役探伤标准或规范时，用 相应部件新制产品的标准来
17、顶代，二者 往往差距很大，不能互相代替。“有增无减”：与探伤有关的标准、规范、要 求等往往只有增加，没有减少（废除）。,4.国内外的差距和差异不仅存在差距，还存在差异。差距：主要在探伤设备和器材上，探伤方法 和工艺有很大的相似性。差异：灵敏度要求不一样。国外：“新高旧低”新产品质量高，使用 条 件也较好，探伤灵敏度要求低，回旋余地大。国内：“新低旧高”新产品质量低，探伤要 求高，探伤工作的活动空间很小。,5.无损检测技术的专用性 无损检测的对象是工件，不是试样。工件不同，缺陷就不同，探伤要求也不同，相应地探伤方法和探伤工艺都不相同。某种意义上讲，探伤技术、方法、工艺和设备，都有一定的专用性和特
18、殊性。即使同种产品的不同阶段，探伤也不一样，例如：新制产品：主要探测材质缺陷和加工缺陷。在役产品：主要探测疲劳裂纹。两种缺陷的性质、形状、产生部位等往往都不一样，相应的探伤方法、工艺、设备等也不一样。,6超声探伤的耦合问题 耦合问题十分重要，尤其在自动探伤中更为重要，往往决定着探伤的成败。对工件表面应有严格要求，为保证探伤效果，一般探测面的Ra应在25以下。对于钢工件和2.5MHz的声波，当空气间隙达到10-9m时，声压反射率已超过2.3%，可得到明显的反射波，当间隙达到10-6m时，即可有99.9%以上的反射。工件在生产、加工过程中产生的误差，往往给探伤工作带来致命的影响。,7.数字探伤仪和
19、模拟探伤仪 数字探伤仪：探伤信号、数据已数字 化，可进行各种处理，技术先进，能 够设计多种功能，如波形存贮、回 放、比较等，代表着发展方向。模拟探伤仪：得到的是模拟信号，不能 直接进行处理，但真实。但二者的探伤能力几乎是一样的，数字 探伤仪并不占优势，多的只是功能。,8.缺陷的判定 定位：可给出一定的误差范围，如1203mm,或定位误差不大于1%等。定性：需要根据波的形状、幅度、游动规律 并结合生产工艺和使用情况等综合判定。定量：目前还无法精确给出缺陷的实际大小,一般只能给出当量大小。缺陷定量要依据波高，波高与多种因素有关，缺陷大小只是其中之一，无法根据一个条件（波高）定出多个未知数中的某个量
20、。,9.自动探伤和手工作业 自动探伤速度快、效率高、重复性好、技术先进，能有效避免人为因素影响，代表着无损检测技术发展的方向。人工探伤机动、灵活，可靠性高。自动探伤一般误判率较高，有时会犯“大错误”，探伤结果需人工复查。一般设备，是被“人”用来干某项活，而自动探伤设备，则是“设备”自己去探伤，因而自动探伤必须首先有一套先进、科学、可靠的探伤方法或工艺，然后才是设备的研制。只有人首先会探伤，然后才有设备会探伤。,10.有关探伤灵敏度探伤灵敏度：探伤系统在规定条件下发现缺陷的能力，是探伤系统根据探伤要求调整到的一种状态，在该状态下，探伤系统能够探测出需要探测出的缺陷。探伤灵敏度经常用某一声程上可探出的最小缺陷来表示，如2100mm和2平低孔等。探伤灵敏度一般应由设计部门或使用部门提出。目前则多是根据使用要求、探伤水平、生产水平等几方面的因素综合确定的。,11.探伤工艺和探伤设备探伤工艺：根据工件形状、结构、表面 状况和探伤要求等综合制定。探伤设备：首先应能确保探伤工艺的实 施，并不是越贵、越先进越好，买 设备不同于买技术，要看实用性。探伤工艺要走在探伤设备的前面，尤其是自动探伤设备，若没有先进、可靠的探伤工艺和方法，设备是很难发挥作用的。,谢 谢,
