鋼軌的相控陣串列式掃查檢測

尹段泉，莫 若,李岡宇，謝 立

(1.國能朔黃鐵路發展有限責任公司肅寧分公司，肅寧 062350；2.汕頭市超聲儀器研究所股份有限公司， 汕頭 515041)

鋼軌焊縫的缺陷情況比較復雜,若采用超聲單晶斜探頭對垂直于踏面的面積型缺陷(如未熔合、裂紋)進行檢測，反射面與入射聲束的傾角大，缺陷回波無法反射回探頭，導致難以發現缺陷而漏檢[1]。該類型缺陷危害極大，使用雙探頭串列式掃查法可有效將其檢出。常規超聲串列式掃查法只能檢測一個垂直線上的缺陷，因為其只能發射一個角度的聲波，所以檢測時需要將探頭布置在焊縫的左、中、右位置進行3次線覆蓋檢測，即使如此，還是有一定的漏檢風險。另外，對于不同深度的反射體，串列式掃查得到的聲程是一致的，即常規超聲串列式掃查得到反射體的深度始終為板厚，無法在儀器上直接讀取缺陷的實際深度位置信息，只能通過串列式掃查架上的刻度標識來粗略判定。

相控陣串列式掃查可同時激發多角度入射聲波，可對整個焊縫進行體積性覆蓋，一次掃查即可完成檢測。通過相控陣仿真模擬，系統可以將缺陷的真實深度位置信息顯示在鋼軌焊縫的模擬示意圖中，并提供缺陷的深度和水平位置信息。

1 超聲串列式掃查

超聲串列式掃查是將兩個探頭一前一后放置在焊縫一側的鋼軌踏面上進行掃查的一種檢測方法，其中一個探頭發射超聲波，另一個探頭接收超聲波，當焊縫中存在垂直于檢測面的缺陷時，部分超聲波被缺陷反射至鋼軌底面，經底面再次反射后，被接收探頭接收到。

1.1 常規超聲串列式掃查

常規超聲串列式掃查存在較大的上下檢測盲區，當兩探頭在B1和B2位置緊靠在一起時，探頭不能完全檢測根部的垂直型缺陷。當兩探頭間距達到極限時，無法掃查焊縫的上部缺陷(見圖1，圖中T為工件厚度)[2]。

圖1 常規超聲串列式掃查

常規超聲串列式掃查存在左右檢測盲區，在探頭對應的某一位置上，只能檢測某一深度的垂直型缺陷，并且當兩探頭在B1、B2和A1、A2位置時，分別能檢出I、II處的垂直缺陷，但I、II兩處缺陷處于同一垂直面，即探頭移動不同的距離時，也只能檢測一條垂直線上的缺陷，無法對其左右側缺陷進行檢測。

1.2 相控陣串列式掃查

相控陣超聲的發射探頭可以同時激發多個角度的聲波，接收探頭可以同時接收多個角度的反射回波(見圖2)，兩探頭靜止在一個位置即可檢測多處不同位置的垂直型缺陷。圖2中的探頭靜止時，4個角度聲波可檢出的I、II、III、IV 4處缺陷并不在同一垂直線上，即靜止探頭通過相控陣特有的同時激發多角度聲波的能力，完成了水平方向的覆蓋檢測。兩相控陣探頭從緊靠狀態往相反方向移動，相當于從上到下掃查了一個垂直面。在實際的工藝設置中，往往設置幾十個角度的聲束同時激發，對焊縫進行更為嚴密的覆蓋，有效減小了常規超聲串列式掃查的上下和左右檢測盲區。

圖2 相控陣串列式掃查

2 自動化串列式掃查系統

自動化相控陣串列式掃查系統組成如圖3所示，其適用于鋼軌焊縫(包括鋁熱焊、氣壓焊和閃光焊)軌腰部位的超聲串列式掃查。該系統的主要特點是體積小、重量輕、攜帶方便、可自動化掃查、操作簡單，其導軌及同步帶兩端設計有磁鋼，可將掃查架牢固在鋼軌踏面上。探頭架固定于導軌直線軸承上，可攜帶兩個相控陣探頭進行相反方向移動，其與同步帶夾緊位置可調。

圖3 自動化相控陣串列式掃查系統組成示意

3 相控陣串列式掃查試驗

3.1 工件模擬

根據鋼軌的實際形狀，將鋼軌形狀模擬到儀器中，不僅能更好地輔助用戶確定或設置儀器的參數和內容，而且能幫助用戶確定設置B掃描圖像采集框的位置，獲得鋼軌的疊加視圖，輔助判斷缺陷在焊縫中的位置。工件的模擬形狀越貼近真實工件，越利于檢測和分析。

3.2 工藝設置

探頭型號為4.0L16-0.5-9，楔塊型號為8N55S，檢測采用一發一收的信號收發模式。

分別將兩探頭安在掃查架上并放置在鋼軌踏面上，對軌腰區域進行串列式掃查。扇掃角度為35°50°，角度間距為0.5°，聚焦深度為176 mm。常規超聲串列式掃查需要在焊縫的左、中、右位置各掃查一次，而相控陣串列式掃查只需掃查一次即可完成對軌腰的高密度覆蓋檢測。

掃查架內部安裝了編碼器，其采用配套的連接線纜與探傷儀連接，可實時記錄兩個探頭入射點的距離L和探頭距焊縫中心的距離X，檢測時可基于該數據，通過幾何推演實現軌腰缺陷深度的自動計算，在工字型焊縫模擬圖中顯示缺陷的相應位置。

3.3 探傷靈敏度校準

將掃查架放置在鋼軌焊縫試塊踏面上，左右調整掃查架位置，使特定平底孔反射面所在的垂直面位于標尺45°與37°兩刻度間，調節掃查架的探頭調節旋鈕，找到最高回波，設置自動增益，使該平底孔的最高回波波高為滿屏的80%，然后根據探測面的情況進行適當的表面耦合補償(2～6 dB)后，將該靈敏度作為軌腰部位串列式掃查的靈敏度。

3.4 掃查方法

將掃查架縱向平行放置在鋼軌踏面中心，并使表示掃描線角度的標尺(第一排標尺)覆蓋焊縫(見圖4)，標尺上45°與37°刻度處分別位于鋼軌焊縫兩端，并對齊焊縫的融合線；調節掃查架探頭旋鈕，使兩探頭緊貼鋼軌表面，保證探頭耦合良好，此時兩探頭的前沿距離為最小值。

圖4 掃查架放置現場

掃查架第一排標尺刻度表示不同的A掃描線角度，每個刻度垂直對應下方同一垂直線上的缺陷，表示該角度的掃描線負責檢測該垂直線上的缺陷，即該刻度尺也表示掃查架一次性可覆蓋的寬度范圍。當在儀器中發現某個角度的A掃描線上出現缺陷影像時，該缺陷的水平位置必然體現在刻度尺上。因此，相控陣串列式掃查架相對于常規超聲串列式掃查架，除了能在刻度尺上讀取缺陷深度，還能讀取缺陷的水平位置信息。

該掃查架有2種掃查方式，一是手動調節掃查架上的旋鈕，使兩探頭向掃查架兩端移動；二是點擊遙控開關啟動電機，拉動傳動帶進行自動化掃查。掃查時，儀器端同步對檢測數據進行采集記錄。

3.5 缺陷識別

采用串列式掃查時，不管兩探頭在什么位置，聲波的聲程都是一樣的。經幾何證明和試驗，在進行多角度聲波同時激發的串列式掃查檢測時，焊縫中任何深度缺陷的反射波均會顯示在扇掃圖像中表示工件底面的位置處，即在扇掃視圖中，缺陷圖像都將顯示在代表工件底面的藍色實線上(見圖5)。若反射圖像不在該藍色實線上，皆可認為是偽反射信號。

圖5 軌腰的扇掃圖像

發現缺陷信號后，調節A掃描線使其套住缺陷圖像并找到最高回波，記錄此時該A掃描線的角度，儀器將根據編碼器獲取的兩探頭前沿距離的信息計算出缺陷的水平位置和深度。缺陷定位原理如圖6所示。

圖6 缺陷定位原理示意

由幾何運算可知，缺陷的水平距離l和深度H可表示為[3]

l=T×K-L/2

(1)

H=T-L/(2K)

(2)

式中：K為探頭折射角的正切值。

4 檢測結果驗證

試驗使用的試塊型號為YN-1，其焊縫為鋼軌鋁熱焊縫，寬度為40 mm，該試塊制作了一些常見缺陷和特殊部位的缺陷，試塊結構如圖7所示。其焊縫斷面分布有3個垂直于踏面的面積型缺陷：1#缺陷位于軌頭下顎部位，深度為45 mm(即與踏面的距離，下同)；2#缺陷位于軌腰中部，深度為55 mm；3#缺陷位于軌底斜面與軌腰的結合部位，深度為135 mm[4]。3個缺陷的扇掃圖像及實際位置如圖810所示。

圖7 YN-1型試塊結構示意

圖8 1#缺陷的扇掃圖像及實際位置示意

圖9 2#缺陷的扇掃圖像及實際位置示意

圖10 3#缺陷的扇掃圖像及實際位置示意

試塊YN-1中特殊位置的缺陷1#，2#，3#均被儀器檢測出來，且儀器自動計算得到的缺陷深度和水平位置信息與用尺子測量的完全一致。

當缺陷影像出現在某個角度的A掃描線上時，該缺陷必然位于掃差架上相應的刻度之下，圖810可驗證該結論，圖中儀器顯示掃查到缺陷的A掃描線為37°，則在掃查架的刻度尺(第一排)37°下方的垂直線上發現缺陷。

由圖810可看出，3個缺陷的影像均出現在藍色實線處，即使3個缺陷的實際深度并不相同。這是因為串列式掃查一發一收的路徑長度始終是相等的，并且等于聲波一個來回的路徑長度，只要工件厚度不變，該底面反射體回波顯示的深度也始終不變[5]。在檢出1#，2#，3#缺陷的同時，除了自動計算深度和水平位置外，儀器還將得到的定位信息模擬到工字型鋼軌模擬圖中，缺陷模擬的位置和缺陷在YN-1試塊上的實際位置完全一致。

5 結論

(1) 相控陣超聲串列式掃查較常規超聲單一角度的串列式掃查具有更高的覆蓋率，檢出能力更強，檢測效率更高。

(2) 相控陣超聲串列式掃查可對掃查結果進行記錄和存儲，為識別缺陷提供更豐富的信息，缺陷位置顯示直觀。

(3) 常規超聲串列式掃查只能從掃查架標尺粗略地讀取缺陷的深度信息，而相控陣超聲串列式掃查可直接在儀器上精確讀取缺陷的深度和水平位置信息，并將缺陷的定位信息顯示在工字型焊縫模擬圖上。