各位请先看这段原著文章：

1983年，我公司在用USK6－A型超声波探伤仪和直探头(f20mm 2.5MHz)检测香港货柜码头的一重型吊机轮轴时，发现在580mm的纵波声程处有一强反射回波信号，于是怀疑轮轴在该处有裂纹，但轮轴外观却无法发现；

针对这个可能存在裂纹的位置，我们用其它多种检验方法进行复核，最终也没有发现。

为了解释这个问题，我按比例在纸上画出整个轮轴的剖面图(见图1)，然后用作图法作出缺陷所在的大致位置，根据这种轮轴的两端面面积小的特点，又选用了频率为4MHz，折射角为38°和45°的Φ10mm小探头。

经过检测，发现在轴承颈位的圆周都有很强的反射信号。

按理说，此处裂纹用直探头理应是很容易探出的，但实际上用直探头探测时，在580mm处却有一很强的反射信号；

再用手蘸上机油，触摸轮轴各处，发现在键销槽端角的位置，反射信号随着手的确摸而跳动，这说明580mm的反射信号来自键销槽端角。

从作图法很容易画出声程所走过的路程；从图可以看出，有反射信号的声程应为：

L1+S2=138+261=399mm，而不是580mm。

很明显，此处发生了波型转换。

根据波型转换定律：Sina/Sinb= CL/Cs，式中：

a＝纵波入射角

b＝横波反射角

CL＝纵波声速

Cs＝横波声速

即纵波入射到倾角为20°的裂纹平面上产生横波反射S2，而萤光屏的声程是按纵波调定的，所以将横波通过的距离(S2＝261mm)折合成纵波声程：

S2=261x5900/3200=481mm

由此得到L1+S2=619mm，它与580mm比较接近。 

以上经验，是超声波型转换的实例，可供同行们参考借鉴。

（图 1）

1983年某日，香港货柜码头公司工程部总经理和工程师人员以及来自日本厂家人员，两部车来了共7至8个人，当时同车又运来了一条重型吊机的轮轴到我们公司。

他们把轮轴抬到实验室的地面上放下，然后手持我公司出的一份超声波检测报告向我老板投诉说：「你们报告上说在轴的580mm位置有裂纹，但是现在拆卸后却无法看见，请问是什么回事？ 」

我老板是一名外国人，他很有信心地说：「肉眼不一定看得到，就让我们再检测一次给您们看看吧！」

于是他叫我们再次进行检测。

我们在客户面前用超声波和磁粉探伤方法针对580mm位置，反复地检测，可是却无法找到任何裂纹显示；

客户看到这种情况当然是非常不满，因为日本公司翻查纪录发现这条轮轴才使用2年，他们说用10年以上都应该是没有问题的，故他们不满地说要我们公司赔偿他们的名誉损失，码头公司工程部的总经理更加不高兴地说不单要赔偿，而且以后所有的检验工作都不给我们做。

这个时候我老板可吓傻了，不知如何是好……待客户离开之后，他召集我们几个高级人员商讨如何处理这件事情。

我问他打算如何处理，他说：「炒掉这个伙计，向对方解释说他失职！」

我说：「我不同意！这样的解释客户是不可能接受的！」

而其他两名兄弟却说：「炒掉他最好，他有神经病，他们要打官司告我们也不用怕，反正我们船厂和货柜码头都是同一个大板李嘉诚的。」

我当然不同意他们的看法，若是这样做哪有诚信可言！

我叫老板先拖延对方，并给一星期的时间让我研究下，老板说好。

然而，这位同事的确是有神经方面的疾病，因为他的脑袋里长了一个良性的肿瘤，每当天气变化时，他经常是有时清醒有时不清醒！

多年前我发现他有这个毛病时，已着他用做笔记的方法纪录自己每天做过的一些重要事情。

正巧当天他放大假不在公司，我就打开他的书柜去找他的笔记簿，查看他的原始纪录。

上面写得很清楚，1983年x月x日在xxx货柜码头检测xx机组吊机轮轴时，发现其中有一个轮轴在离左边端面580mm处有一强的反射信号，他当时使用的仪器是USK6 A型超声波探伤仪和用直探头(f20mm 2.5MHz)，用IIW V1标准试块调校量程为1000mm；

由于轴长为1080mm超出所调定的声程范围，所以他将底波用延迟向左移到1000mm位置，然后根据日本厂家提供的要求检测灵敏度–底波80% FSH加10dB进行检测。

发现有可疑信号后，他按我们公司设定的程序，重新再调校仪器，并重新再测试及与同一机组上其它轮轴重新比较，反复几次检测只有这条轮轴有反射信号；

同时货柜公司的工程总监也在现场可以作证看到这情况，所以他认为这条轮轴有可疑裂纹，建议拆开来看看。

很明显这些资料充分地说明当时他工作时是清醒的，也是合情合理和有根据的。

哪为什么拆卸出来后在580mm处却看不到任何裂纹呢？

我马上根据他提供的资料用他使用的仪器和探头进行检测。

由于在轮轴的右侧拆卸时是用气割切断的，因而无法得到底波来比较，当时没有找到这个580mm处的反射信号。

时间一天一天的过去了，我反复在想这类轮轴的机械零件，最容易出现疲劳裂纹位置的应该是在轴承台阶的退刀槽位置(樽径位)，而不可能在轴身最粗壮的位置出现裂纹；

就像我们的人体结构脚腕和大腿比较，一定是脚腕容易受伤而不可能在大腿断裂，可是轴承是用烘套方法紧配合组装的，没有办法用拉拔方法拆卸，轴承台阶的退刀槽位置则被轴承挡住而无法用肉眼看到。

起始裂纹变成向右倾斜角度

到了星期四的晚上，我在睡梦中想到这件事，从轮轴结构上分析在这台阶的角位容易形成的应力集中，过大的应力集中就会造成疲劳裂纹，而轮轴锻造的钢材其韧性是非常好的，它可抗拒裂纹将应力成流线型，将起始裂纹变成向右倾斜角度，当超过其临界尺寸时才垂直扩展断裂 (见图 3、4、5)；

如果有这一个倾斜角的裂纹在这个位置时，直探头的纵波入射到这个倾斜的平面时就有可能产生横波反射的波型转换。

（图 3 台阶应力裂纹起始是有）

（图 4 ）

（图 5 ）

图4、5 轴类零件起如疲劳断裂都是有「倾斜角度」的

在同一材料中能产生波型转换吗？

我当时不敢肯定，因为我们在上超声波培训课或看书时，老师都是用斜探头来讲解波型转换，而且是通过两种不同的介质材料，例如：纵波以某一角度通过介质1有机玻璃入射到介质2钢材产生折射角的横波，而且要控制在第一临介角和第二临介角之间，防止在被检材料中同时有纵波和横波出现的干扰现象。

水浸式探伤时也是通过水传到被检材料的两种介质，控制纵波入射角就能在被检材料中得到想要的横波折射角。

我们都习惯了波型转换一定要通过两种介质，哪么在同一介质(同一材料)中是否也能产生波型转换呢？

折射定律公式通过推算演示

我在梦中推算折射定律公式通过推算演示，发现公式成立：

Sinα/Sinθ=Rs/Rl (见图2)。

（图 2）

用折射定律公式演示横波反射

公式告示我同一介质中 (同一材料) 也能产生波型转换，只不过是反射不而是折射，也就是说在同一材料中纵波倾斜入射时可以产生横波反射角的波型转换，同一介质中我们只知道入射等于反射角，这是指同一波型，却没有想到同时可以产生不同波型的反射角。

太好了，有了理论的依据我就放心了。

于是，我在半夜三点钟梦中醒来，马上起床写下梦中的公式和数据，再按比例把图画好后，非常兴奋地立即开车回公司。

在按图检测后，果然发现了580mm的回波信号，用手蘸上机油，触摸轮轴各处，发现在键销槽端角的位置，反射信号的确随着手指的触摸而跳动，这说明580mm的反射信号是来自键销槽端角，而且正巧在探头对面的键销槽端角位置，用作图法很容易画出声程所走过的路程，(见图6) 为反射声程：

L1+S2=138mm+261mm=399mm，而不是580mm，很明显，此处发生了波型转换。

即纵波入射到台阶位置有一倾斜角约为20°的裂纹平面上产生了横波反射S2，而荧光屏的声程是按纵波调定的，所以将横波通过的距离：S2(261mm)折合成纵波声:

S2=261x5900/3200=481mm

由此，得到全声程：

L=L1+S2=138mm+481mm=619mm

由于同事调校1000mm量程后向前位移了水平距离，所以应该是纵波声程619mm。

（图 6 轮轴的全貌图解）

S2横波路线 (虚线箭头)   L1纵波路线（实线箭头）

然后我再用38°和45°横波斜探头在轮轴左侧的端面检测，发现在台阶的退刀槽位整圈都有强的反射信号，但是也有些可疑，因为轴承与轮轴是用「烘套」的过盈配合方法装配的，这种紧配合的结构会有一个界面回波，或者说声波能穿过轴承套在其端角产生反射回波，只能靠波型分析方法。

我根据经验慢慢地移动探头看波脚的宽度和波峰是否有开叉，发现波脚窄波峰开叉，应该是典型的裂纹波形。(“过盈配合的轴类检测方法”我另有专辑报导)

为了更准确检测，我又在主轴的外径上用45°和60°横波斜探头向台阶位扫查，同样发现整圈都有反射信，从这个方能有反射信号基本上可以说是肯定有裂纹了。

就像盲人摸象，我从不同的位置和方向来“摸象”都能摸到裂纹，这样就更加证明此处有裂纹。

我立刻打电话告诉对方的工程总监说找到裂纹，跟他说裂纹不在580mm处，而是在轴承的樽径位，只不过现在被轴承挡住没办法肉眼看到，除非用碳棒气刨切割轴承来解剖，只有这种方法最不影响轮轴的材质。

我问他：「这个轴承多少钱一个？」 

他说：「大约1500元一个。」

「好，我现在就去切割，如果没有裂纹，我私人赔1500元；但如果有裂纹呢？」我说。

「那就不追究任何责任」他说。

「OK！我现在就去焊接车间切割解剖，等一会有结果时我再打电话给你吧。」我说。(注：1500元当时对我这个打工仔来说也是个不小的数字啊！)

此时，我叫其他同事帮我用手推车将轮轴推到焊接车间。

焊接车间的主任和焊工平时与我的关系很好，一听说要打官司的案子，车间主任和工人都不需我先交加工单，就马上帮我用碳棒气刨切割将轴承，三两下功夫就快速地切开了，我把轴承台阶樽径位的油污用布擦干净后，清楚地看见一条细小的裂纹沿台阶的退刀位整整一圈，焊接车间的工人和我的同事可高兴啦，都在嚷着：「阿黄，好厉害啊！果然是有裂纹！」

连同事们都感到高兴，我就更不用说了，这种成功感让我感到无比的满足和自豪！

我们再用手推车推回公司实验室，然后打电话给总监告示他已看到裂纹了。

他说：「哪好!我们待会和日本厂家一起来。」

当他们来到我们公司在实验室时，他们看到了裂纹，都没话可说了。

这时我的老板挠着双手，自信十足、志高气扬地对着客户们说：「We are Professional！(我们是专家)……」

日本人则不断地鞠躬点头说 : 「Yes！Yes！(是的！是的！)」

我告诉日本人说这条轴的退刀槽加工时做得不好，太尖锐了，以后改进一下应该是没有问题的。

然后我问他可不可把这个有裂纹的轮轴送给我，他说不行，因为要取回日本研究。

说罢就用双手捧起这条沉重的轮轴离开，漂亮的西装就这样被油污弄脏了…。

刚刚送走客户，那位放完大假回来的同事走过来与我们打招呼：「Good Morning Sir！」

突然看到他的出现，老板和我们都哈哈大笑起来。

老板告诉他说：「你要好好地请黄先生吃饭了！」使他听得一头雾水，(差点被开除的他当然不会明白)……。

以上这个案例如果换在今天的我，可以不用五分钟就能验证是否有裂纹，拆卸后只要很简单从主轴外径表面用45°或其它横波斜探头扫查这个轴承台阶位，就可肯定是否有裂纹的结果，用不着半夜里靠发梦来解决「波型转换」了。

所以各位读者当您看完这个案例后请也您走走我这条「捷径」吧！

最后，我想告诉大家波型转换在超声波探伤中是常见的，特别是电厂的主蒸汽管因为管内壁机加工后形成倾斜面的台阶，当超声波以某一角度入射到这个斜面时会产生波型转换，而且多数是由横波转换成纵波造成误判，欲知焊缝探伤中的波型转换如何请留意我另外的焊缝检测专辑。

总之，当声波入射到一个倾斜的或有曲率的反射面时，您就要小心考虑有波型转换的可能性，最好是采用避开和用我的「四换方法」(换方向、换角度、换位置和换方法)解决它。

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