激光誘導擊穿光譜和激光超聲技術在鋼軌檢測中的應用?

賈中青， 張振振， 姬光榮

(1．中國海洋大學計算機系， 山東 青島 266100； 2．齊魯工業大學(山東省科學院)， 山東省科學院激光研究所， 山東 濟南 250103)

鐵路運輸是最有效的陸上交通形式，具有運輸能力大、運輸成本低、能耗少等優點，日益受到各國重視。隨著我國經濟的快速發展和高鐵時代的來臨，使得鐵路運輸市場需求越來越大。而鋼軌是鐵路實現高速、重載運輸的基礎，其每年的使用量不斷增多。

鋼軌質量的優劣直接關系到鐵路運行的安全與效率。因此，在工藝中，要做到鋼軌生產的“精煉”、“精軋”、“精整”、“在線檢測”等[1]，就是要達到化學成分、有害元素含量、夾雜物等反映內部質量的指標。其在國家鋼軌標準中進行了明確而嚴格的要求。因為不同元素的摻雜及其濃度會對鋼軌性能產生重要的影響，決定著鋼軌的實用性能及壽命；夾雜物、缺陷等直接決定著鐵路的安全運行。因此，對鋼軌成分、結構健康檢測就變得尤為重要。

激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術是一種基于原子發射光譜的物質成分分析技術，具有無需樣品預處理、快速、多元素同時測量等特點，是對物質成分快速分析的理想手段和方法[2-5]；而激光超聲技術(LU)是對物質夾雜物、裂紋、缺陷分析的熱門技術，其具有遠距離非接觸、不存在檢測盲區、不受材料表面及幾何形狀的限制等優點[6-10]。

一般來說，每一種探測方法或設備會有其特有的技術優勢，但也不可避免的存在很多限制。一種單一的探測技術已不能滿足測試試樣復雜缺陷的要求。因此，結合多種技術方法更全面的獲得探測目標的信息成為一種有效的方法和趨勢。

本文將激光誘導擊穿光譜技術與激光超聲技術相結合，探測鋼軌的化學成分及殘留元素，并且利用激勵出的超聲信號探測缺陷位置信息。

1 實驗裝置

本實驗系統采用 Nd：YAG 激光器作為激發和激勵光源，激光器的輸出波長為 1 064 nm，工作頻率為 1 Hz，脈寬為6 ns，激光單脈沖能量為100 mJ。脈沖激光經過焦距為100 mm 的聚焦透鏡垂直聚焦在固定于位移平臺的鋼軌表面進而產生等離子體，等離子體發射光譜信號經過光纖探頭收集并傳輸至光柵光譜儀 (AVS-DESKTOP-USB2 光譜儀，Avantes，光譜探測范圍為200～500 nm，分辨率為0.08～0.12 nm) 進行分光探測；激光激勵鋼軌表面形成等離子體的同時會激勵出超聲波，超聲信號可用電磁超聲換能器(EMAT)進行接收，傳輸到計算機進行信號分析。如圖1所示為搭建的集激光誘導擊穿光譜技術和激光超聲技術于一體的實驗系統。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment set-up

激光器發射脈沖激光，經過匯聚透鏡將高功率密度的脈沖激光聚焦在鋼軌表面，鋼軌表面將有一薄層被瞬間加熱發生電離，產生等離子體，其發射譜線經過輸入到光譜儀不同通道進行分光探測，并經光纖耦合電荷藕合器件圖像傳感器(CCD)傳輸到計算機進行鋼軌的化學成分及含量分析；激光激勵鋼軌表面產生等離子體的同時，會產生垂直方向的反作用力脈沖，進而激發出超聲波,超聲波會在鋼軌表面和內部傳播，當遇到聲阻抗不同的介質時會發生波形轉換，產生縱波和橫波，因此我們用橫波線圈接收的EMAT就能接收到缺陷信號，進而輸入到計算機中進行鋼軌的內部和表面缺陷信息的分析。

2 實驗樣品

鋼軌的性能不僅取決于鋼材的化學成分，而且取決于鋼材的組織。按鋼軌成分來分可分為三大類，即碳素鋼、合金鋼和熱處理鋼；按其金相組織又可分為珠光體鋼、貝氏體鋼和馬氏體鋼三類。我國的鋼軌普遍還是采用普通碳素鋼，珠光體鋼。

鋼軌在服役前要進行硬度、拉伸性能、斷裂韌性等一系列測試，這些性能取決于其添加的成分及殘留元素，因此在化學成分尤其是殘留元素的要求上更加嚴格, 對鋼軌的殘留元素應進行嚴格控制。

表1和2分別給出了U75V鋼軌的化學成分以及殘留元素上限。實驗所用的為60 kg/m的普通鋼軌。

表1 化學成分質量分數Table 1 Chemical composition /%

表2 殘留元素上限質量分數Table 2 Upper limit of the residual element /%

實驗樣品為23 mm厚的鋼軌橫截軌面，其表面有一人工缺陷。

3 結果與討論

3.1 LIBS技術分析鋼軌中元素成分

鋼軌中Fe是主要組成元素，含量最多且含量未知。鋼軌中Fe的譜線異常豐富，而且Fe元素物理特性與激發條件不同會導致等離子體特性變化，造成其他元素的光譜強度發生變化，進而對相應元素的分析測定產生影響，使得鋼軌的定量分析異常困難。本文利用激光誘導擊穿光譜技術來定性測量鋼軌中化學成分及殘留元素，進而分析鋼軌性能。

鋼軌需要承受機車的壓力、摩擦和沖擊載荷，這就要求鋼軌有足夠的強度、硬度及韌性，而這些性能一般是由摻雜元素決定的。例如，利用碳、錳兩元素來提高強度、改善韌性；通過添加適量合金元素如釩、鈦、鉻、鉬等，也能提高鋼軌的強度和韌性；Cr 加入后可以顯著改善耐腐蝕性。另外，在冶煉過程中還進行脫磷、脫硫以及殘留元素，來提高鋼軌的純度。

如圖2所示為利用LIBS技術測得的Fe元素以及C、Si的發射譜線，圖3為Fe，Mn，Al，V元素 LIBS光譜圖，圖4 Fe及殘留元素LIBS光譜圖。

從3幅圖中可以看出：(1)Fe元素譜系眾多，在各個波長段都有譜線，且譜線強度很大；(2)碳素鋼軌中C、Si譜線較Al、Mn等元素譜線強；(3)鋼軌中殘留元素的譜線強度較正常添加的元素較低。Fe元素強度雖高，不能說明其含量高，有可能是鐵電離能較低，更容易激發造成的；元素之間的比較不能用強度比來說明含量比；殘留(痕量)元素譜線強度低可能是因為搭建的LIBS探測系統靈敏度還不夠。表1和表2中的元素是鋼軌中摻雜的上限,有的元素可能摻雜的很少或者不摻雜,所以沒有完全測出表1和2所給的全部元素。實驗樣品是從正常服役鋼軌中切割出來的，鋼軌試樣是合格的。搭建的系統對鋼軌進行了LIBS元素分析，基本上測量出了表1和2給出的全部元素，表明了激光誘導擊穿光譜技術對鋼軌元素分析是有效的。

圖2 Fe，C，Si元素 LIBS光譜圖Fig.2 LIBS emission spectra of Fe, C and Si elements

圖3 Fe，Mn，Al，V元素 LIBS光譜圖Fig.3 LIBS emission spectra of Fe and added elements normally

圖4 Fe及殘留元素LIBS光譜圖Fig.4 LIBS emission spectra of Fe and residual elements

3.2 激光超聲技術分析鋼軌中的缺陷信息

鋼軌的性能一是取決于化學元素成分，二則是取決于鋼材的組織。鋼軌的組織結構受以下幾方面的影響：(1)鋼軌在冶煉過程中也會產生氣孔、紋理和夾雜物等組織變化，發現不及時會影響鋼軌的使用壽命；(2)鋼軌在鋪設過程中會采用焊接方式，焊接缺陷的出現也會對鋼軌產生重大影響；(3)并且鋼軌在服役過程中，會受到列車的重力擠壓，滾動摩擦，以及各種自然惡劣環境的影響，會造成鋼軌的內部組織發生嚴重變化。長時間影響下，會產生金屬疲勞損傷，造成裂紋萌生與初始擴展。這會大大縮短鋼軌服役使用壽命，嚴重的會給人們的安全產生重大隱患，因此建立激光超聲無損檢測方法檢測鋼軌中缺陷信息變得尤為重要。

本文利用EMAT探頭來接收激光激勵產生的超聲信息。EMAT由提供外磁場的電磁鐵或永磁鐵、接收超聲信號的高頻線圈、被檢工件三部分組成。高頻線圈置于外加磁場內，當被檢工件表面的質點當有超聲波時發生震蕩，會在外加磁場力的作用下載線圈中感應出電壓，通過測量該感應電壓而獲得材料的超聲波信號。

當瑞利波信號遇到缺陷時，會發生波型轉換，伴隨著縱波和橫波的產生，其關系滿足Snell傳播定律：

(1)

式中：αR是瑞利波的入射角；αL是縱波的反射角；αS是橫波的發射角；cR，cL，cS分別是瑞利波、縱波和橫波在鋼軌中的傳播速度。

實驗樣品中距離鋼軌激勵點77.0 mm處有一人工缺陷。如圖5所示為激光超聲技術利用橫波EMAT探頭接收到的激光激勵的超聲信號。橫波探頭不能接收瑞利波信號，只有當瑞利波信號遇到缺陷發生波形轉換才能被橫波探頭接收。圖6給出了激光超聲信號的時頻圖,其中缺陷信號的主頻為2.06 MHz。時頻圖更能直觀的觀察到缺陷的位置和頻率等信息。

圖5 EMAT接收到的激光超聲信號Fig.5 LU signal in the defect

圖6 激光超聲信號時頻圖Fig.6 Time-frequency diagram of LU signal

圖6中明顯可以看到缺陷產生的信號。缺陷位置時間信息為2.52×10-5s，表面波的傳播速度為3 000 m/s。根據時間度越檢測法，缺陷的位置應距激光源：

d=c×t=3 000 000×2.52×10-5mm=75.6 mm。

(2)

計算值與實際值77.0 mm之間的絕對誤差為2.4 mm，相對誤差3.1%。

本文成功地將激光誘導擊穿光譜技術與激光超聲技術相結合，利用激光激發的光譜分析了鋼軌的成分信息，并對LIBS光譜圖進行了分析；同時利用激光激勵的超聲信號對鋼軌的缺陷信息進行了檢測，不但可以接收到缺陷信息還可以對缺陷位置進行定位。兩種技術的結合實現了鋼軌微觀和宏觀信息的檢測，對鋼軌健康監測提供了檢測方法和手段。

LIBS和LU技術的共同特點是非接觸、快速探測。實驗系統中，接收超聲信號的EMAT也是非接觸的，這就對高溫、表面復雜或有毒的檢測試樣有技術優勢。系統裝置還可以實現工程裝備的提前預知早期缺陷和預警。

4 結語

本文將激光誘導擊穿光譜技術與激光超聲技術相結合，利用激光激發的光譜分析了鋼軌的成分及殘留元素信息；同時還利用激光激勵的超聲信號對鋼軌的缺陷信息進行了檢測，不但可以接收到缺陷信號還可以對缺陷位置進行定位。兩種技術的有效結合實現了鋼軌微觀和宏觀信息的非接觸檢測，為鋼軌微觀與宏觀的健康監測提供了理想的檢測方法。但論文還只是定性分析了鋼軌成分及殘留元素，測出的是簡單表面缺陷的信息。因此后續工作的將重點朝向鋼軌化學元素定量分析以及復雜缺陷信息的檢測方向進行。