热镀锌机组辊轴头裂纹检测方法的对比研究

热镀锌机组辊轴头裂纹检测方法的对比研究

沉没轴是该带的重要设备，用于连续热塑银行生产系统。近两年来,某厂热镀锌机组锌锅沉没辊在使用过程中曾经发生了几起轴头断裂事故,断口分别位于轴头两R角附近。失效分析表明,沉没辊在钢带张紧力作用下,轴头承受较大的弯矩,由于轴头R角存在修复堆焊及加工刀痕表面较粗糙,滑动摩擦引起附加的扭矩载荷,使R角的表面缺陷逐渐发展为疲劳裂纹,锌液迅速渗入表面裂纹,并沿钢的晶界浸润发展,引起了轴头材料的脆化和轴头晶界强度弱化,最后在一定载荷作用下,经过短暂的疲劳过程造成断裂失效。在从沉没辊材质、结构及工艺等方面分析断裂原因的同时,笔者提出了采用无损检测的方法,及时发现轴头R角部位尚未严重扩展的裂纹性缺陷,并进行更换修理,从而避免断裂停机事故的发生。1表面缺陷检测难沉没辊轴头材质为316L(锻),经过固溶处理,结构尺寸示意图见图1。轴头断裂易发生在应力集中的R角过渡区部位,裂纹源从R角表面产生并在应力作用下扩展,因此,检测的关键是发现R角附近尚未严重扩展的裂纹缺陷。对于截面A的圆周表面裂纹,采用渗透检测法即可有效检出,而对于B截面圆周表面,因轴头装配后完全处于封闭状态,无法采用渗透等表面检测方法,只能采用超声波检测法。内侧R角附近的裂纹缺陷超声波检测存在以下几个难点:①奥氏体不锈钢材料晶粒粗大,散射衰减严重,超声波检测工艺难度较大。②轴头几何形状较复杂,结构回波及其它非缺陷回波干扰缺陷回波的辨识,超声波检测影响因素较多。③轴头与本体装配后,对处于封闭状态的部位进行检测的判定难度很大。④为了有效地防止断裂事故,必须在裂纹尚未严重扩展时即发现识别,故对检测灵敏度要求很高。2试验计划2.1检测技术方法(1)采用纵波直探头从端面检测。(2)采用横波斜探头在轴头ϕ95mm轴颈圆周面进行检测。2.2轴头内的缺陷加工以完好的实物轴头备件制作系列对比试件。采用电火花刻槽方式在轴头内侧R8倒角边缘加工模拟裂纹缺陷,缺陷沿轴头径向且与轴线垂直,缺陷深度为1～6mm,长度在5～35mm之间,缺陷位置见图1所示。3试验结果3.1纵波检测(1)接头二次底波以1,2和4MHz直探头分别进行轴头材质衰减系数及信噪比测定。在4MHz的检测频率下轴头二次底波不可见,信噪比极低,因此该频率不可选用。采用SCAN数字式超声波探伤仪,选用1和2MHz四种型号的探头进行对比试验。将探头放在轴头外侧端面边缘部位,灵敏度调节以轴头截面B相邻完好中间端面反射回波80%满屏为基准进行轴向100%扫查,分别记录缺陷反射波形。(2)前后波峰幅值变化观察动态波形特征,有无双峰及其前后波峰幅值变化。如图2所示的特征回波为较严重缺陷回波,基准反射面回波幅值的降低量与缺陷尺寸成正比。(3)缺陷检测结果截面B和其相邻的中间端面距离只有8mm,因此以纵波直探头检测截面B位置的裂纹性缺陷时,纵向分辨力和缺陷回波高度是两个最为重要的参量。纵向分辨力有助于区分反射回波产生的位置,回波高度体现缺陷的严重程度,决定缺陷的可识别性。80%满屏幅度时,对于深2mm,长20mm的裂纹缺陷,四种规格直探头的检测结果见表1。可以看出,对2mm深的模拟缺陷,在相同的检测灵敏度下,B2S探头检测效果最好。G2N检测效果与B2S相近,但B2S的软保护膜使探头与工件的耦合效果更好,声能损失最小,从而使缺陷的检出率更高。进一步试验发现,采用SCAN与B2S检测系统对于轴头R角部位系列尺寸的裂纹缺陷检测情况如图3所示。裂纹的检出和判定主要是基于缺陷反射回波的波形特征,图4即为三种主要检测结果的典型回波特征。3.2横波检测(1)入射角度调整根据材质特点及检测灵敏度要求,选择2或2.5MHz探头频率比较适宜。裂纹缺陷延伸面与轴头表面形成类似端角结构。超声横波入射时,端角反射率随入射角度的变化而有所不同,当横波入射角(即横波探头的折射角)等于35°～55°时,端角反射率最高,如图5所示,所以选择探头折射角为45°。综合考虑检测灵敏度影响参数,选择武进、汕头和英国Sonatest、日本KK的四种型号的横波探头进行对比试验。检测灵敏度采用轴头人工缺陷对比试件调节。将探头置于轴头外侧轴颈圆周面上,将轴头内侧R8圆弧面反射回波调节至50%满屏作为基准灵敏度进行扫查。(2)构回波形转换回波探头移动过程中会在90,110和115mm等位置产生结构回波及波形转换回波显示,但此类波规律出现,通过对比可以区分。采用Sonatest2MHzϕ10mm的45°探头检测深度为2和6mm的模拟裂纹,缺陷波形如图6所示。(3)模拟裂纹缺陷检测试验以横波斜探头检测位于轴头内侧R角附近的裂纹类缺陷时,无法从声程上区分缺陷波与R弧面回波,两回波叠加,显示在示波屏同一位置。如表2所示,通过四种型号规格的横波探头对模拟裂纹缺陷的检测试验可以看出,Sonatest2MHzϕ10mm的45°探头检测效果最好,对缺陷的检测能力最强。在规定灵敏度下进行检测,对于2mm深的裂纹,反射波高变化幅度不大,但对于6mm深的缺陷,反射波幅变化明显。因此对于轴头尚未明显扩展的小裂纹,横波检测并不是一种适用的方法,可将其作为辅助手段判断缺陷的严重程度,或在轴头端面无法接触时采用此种检测方法。3.3b周边回波检测现场检测时,推荐采用数字式超声波探伤仪,首选B2S探头。探头接触面为沉没辊轴头外端面,以完好轴头内侧R角邻近的中间端面作为基准反射面,以其反射波高80%满屏为检测灵敏度进行扫查。当发现基准反射面回波降低,其后8mm左右位置出现明显反射回波时,即可判断截面B附近存在缺陷,如果缺陷回波高于基准反射面回波,则可断定缺陷比较严重。缺陷当量大小可参考对比试验结果估算。4轴头裂纹检测(1)对于在役沉没辊轴头内侧R角部位的裂纹性缺陷,可以采用超声方法进行检测。裂纹的深度和长度是决定裂纹能否被准确检出的主要参数,但常规超声检测技术对于轴头起始裂纹无法准确检测判定。(2)对于轴头裂纹的检测,超声纵波检测优于横波检测,纵波检测比横波检测具有更高的缺陷检出率,且纵波扫查更为方便,检测判定更为容易。(3)B2S(E