徐海洋超声波检测技术学习笔记(四十四)轴类锻件超声检测的探头与试块选择

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南京毅检无损检测科技有限公司：专业从事奥氏体不锈钢材质、复合层（奥氏体+碳钢）材质、碳钢材质，镍基合金、铝合金、对接焊缝、管座角焊缝超声波（UT）、相控阵（PAUT）检测业务。并出售超声波探头、相控阵、TOFD楔块、扫查器、编码器。磁粉探伤仪、射线机。并举办 EN ISO 9712 无损检测培训班。

轴类锻件超声检测的探头与试块选择

• 轴类锻件超声检测需根据裂纹类型（横向、纵向、疲劳）精准选择探头参数，其中晶片尺寸与形状对检测灵敏度有决定性影响。

💡 核心结论：

• 试块选择应遵循等效原则，针对不同轴径与材质，可采用标准系列试块、专用试块或双孔法自制试块，以高效完成系统校准与灵敏度确定。

横波斜探头选择

探头晶片尺寸选择

• 横波斜探头晶片最大尺寸为  24×24

• 盲目增大尺寸不能提高  灵敏度

• 外圆周向探头晶片尺寸由公式  A²=√(1.64R)  计算

• 该公式适用于轴径  44mm至965mm  的轴类锻件

小角度探头优势

• 圆形晶片声场为  椭圆形

• 椭圆形声场与变径R圆弧反射面更  匹配

• 方形晶片声场为长方形，覆盖效果差

• 圆形晶片更利于发现  变径R处疲劳裂纹

试块选择与应用

纵波径向检测

• 直径<45mm：用CS-3与CS-4试块

• 直径45~500mm：用三块CS-2与CS-4试块

• 建议使用曲面阶梯平底孔专用试块替代

透声性能检测

• 铁路系统使用ES-1型正方体试块

• 试块长度取被检轴长度的  1/10

• 设计为正方形以避免侧壁干涉

• 南京毅检生产成型产品

横波外圆检测

• 轴径<600mm：使用GS系列试块

• 合金轴等特殊材质：采用双孔法自制试块

• 双孔法可校准基线、测试前沿与K值

疲劳裂纹灵敏度试块

• 铁路专用  EJS-20试块  用于小角度纵波探头

• 试块刻有不同角度与距离的线切割裂纹

• 根据被检轴型号与轴头长度选择对应刻度

• 可直接确定变径R处疲劳裂纹的  检测灵敏度

等效试块原则

• 超声波探伤允许使用  专用对比试块

• 试块材质声学性能需与被检件相同

• 试块人工缺陷尺寸需符合验收标准

• 等效试块可大幅减少试块使用数量

围绕轴类锻件探伤的探头与试块选择展开，详细讲解了不同探伤场景下探头的技术参数选择依据，以及各类试块的适用范围和制作方法，为轴类锻件探伤提供了全面的理论指导和实践方案。内容如下：​

轴类锻件横波斜探头选择

探头 K 值与频率：轴类锻件横向裂纹与表面形成近似端角反射，探头 K 值选 K1；因频率高、波长短、能量集中、指向性好利于发现微小缺陷，频率选 5 兆。​

探头轴向曲率半径：轴直径小于等于 600 毫米时，探头轴向曲率半径与被检轴曲率半径误差范围不超 0.9 - 1.1，虽23版标准对曲面工件探伤给出 0.7 - 1.1 范围，但考虑耦合剂作为薄层介质，需关注 0.7 范围的合理性。

压电晶片尺寸：横波斜探头压电晶片最大常见尺寸为 24×24，极限尺寸 28×28，盲目增大尺寸不能提高灵敏度，因仪器触发频率和探头压电晶片电容特性决定了充电放电时间。还给出依据轴直径选择探头压电晶片尺寸的表，用于检测轴类锻件横向裂纹。​

外圆周向曲率斜探头选择：考虑耦合因素，探头外圆轴向曲率半径误差不超 0.9 - 1.1 倍，频率选 5 兆。为获最大基准灵敏度，前沿长度为普通斜探头 2 - 3 倍，使入射点在第一象限进入工件，减少轴表面对超声能量反射。外壁纵向裂纹选用折射角度 45 度横波斜探头。​

外圆纵向曲率横波斜探头压电晶片尺寸选择：兼顾埋藏与表面纵向裂纹检测灵敏度，碳钢轴类锻件横波声速 3240 米/秒，频率 5 兆，横波一倍波长 0.6。通过计算三角函数比值和横波近场长度公式，得出被检轴内探头近场长度计算方法，进而确定压电晶片边长。该方法适用于轴径大于 44 小于 965 毫米的轴类锻件。​

小角度纵波斜探头选择​

适用场景与频率：用于检测变径轴 R 处疲劳裂纹，铁路系统在轴端头用其检测外 R 处裂纹，轴身表面用 K1 斜探头检测内膛缺陷。因频率高利于发现微小缺陷，选择 5 兆高频。​

移动范围与折射角度：探头在轴端侧绕 360 度移动，每次移动范围 20 毫米，入射点距顶针孔边缘 10 毫米时，折射角度按公式计算，轴头长度可查或测量。​

压电晶片形状：一般为圆形，其形成的椭圆形声场与轴表面反射面近似，更利于发现变径 R 部位疲劳裂纹；方形晶片形成的长方形声场对变径 R 位置有效覆盖不如圆形。​

近场长度计算：可借用横波近场长度公式计算小角度纵波斜探头近场长度，将横波折射角换为纵波折射角，A×B 换为 πR²。通过已知轴头长度、直径、顶针孔直径、纵波波长、折射角度等参数，可计算出压电晶片半径。​

试块选择要求

纵波径向检测试块：直径小于 45 毫米的轴，用 CS - 3 系列试块不同深度平底孔制作纵波双晶直探头距离波曲线，用 CS - 4 型试块进行曲面修正；直径大于 45 小于 500 毫米的轴，用 CS - 2 系列试块制作单晶子弹头曲线，再用 CS - 4 型试块曲面修正。还可考虑使用曲面阶梯平底试块，材质声学性能与轴类锻件相同即可，能简化试块制作和探伤流程。

铁路轴探伤试块：铁路系统用 ES 钢一试块检测轴类锻件透声性能，试块长度一般取被测轴长度的 1/10 左右，可根据轴长度调整。试块为正方形，避免干涉，第十次底波可模拟轴的声程。该试块已成型，可直接采购。​

横波外圆轴向检测试块：材质相同、直径小于 600 毫米的轴，用 GM4 系列试块；直径大于 600 毫米的轴，探头可选平面。材质不同时，可参考双孔法制作轴向曲率试块，用于扫描基线校准、探头 K 值前沿测试等。还可制作外圆双孔法试块，用于合金轴探伤，上半圆校准，下半圆确定检测灵敏度。对于小角度纵波斜探头，可用双孔法校准扫描基线和测试探头配置，用 EJS - 20 试块确定检测灵敏度，该试块涵盖常规轴和特殊轴的相关参数。