鋼軌焊縫相控陣自動掃查探傷儀

徐平軍

摘要：現有的鋼軌焊縫超聲探傷工藝復雜，為了全面檢查焊縫，必須采用多種檢測方法進行掃查，探頭的掃查軌跡復雜，手工操作勞動強度大，掃查手法技巧要求高，常規超聲鋼軌探傷儀的回波波形對探頭的位置、角度、耦合及手法控制非常敏感，經常會出現不同的檢測人員得出的檢測結果不一樣的情況，受人為因素影響比較大，同時由于檢測結果的缺乏圖像化處理，對缺陷的判決依靠操作人員的經驗，不能直觀的現實缺陷形狀，容易造成判斷的失誤，很大程度上依賴于檢測人員的豐富經驗，目前急需一款高效率、高檢出率、自動化的超聲檢測設備，確保鐵路運營的安全。

關鍵詞：超聲波探傷儀;鋼軌探傷;焊縫探傷;相控陣;自動掃查

1簡介

本文即研發出一款專用于鋼軌焊縫帶有自動掃查裝置的相控陣超聲波探傷儀器，設計開發滿足鋼軌焊縫檢測的專用軟硬件。在硬件上，開發出滿足要求的相控陣儀器，設計合適的相控陣探頭、楔塊和掃查裝置;在軟件上，實現鋼軌焊縫和超聲相控陣聲束的仿真，將檢測出的缺陷直接顯示在鋼軌3D圖上，方便用戶判斷缺陷，減少漏檢和誤判。同時將鋼軌檢測工藝融入軟件中，取代人工掃查，提高檢測效率。

2產品設計方案

2.1儀器構成

鋼軌焊縫相控陣超聲儀器由相控陣儀器、鋼軌焊縫專業檢測軟件、自動掃查架、串列掃查架幾部分組成。自動化掃查架通過相控陣探頭線與相控陣儀器連接，設計采用2個16晶片和一個32晶片探頭相控陣探頭;探頭位置信息，運動控制通過USB串口連接相控陣儀器。

檢測工藝分為自動化檢測、雙探頭檢測、相控陣人工復核、A型復核四個模塊。

2.1.1掃查架

自動化掃查架設計2個16晶片相控陣探頭和一個32晶片相控陣探頭，固定位置轉角實現鋼軌焊縫覆蓋掃查。自動化掃查架主要檢測焊縫核傷、橫向裂紋等，每個焊縫對稱掃查2次。

探頭布置圖如圖2、圖3所示，實際根據檢測效果微調。圖4/5/6是探頭在軌底覆蓋示意圖，厚度取軌底區域高度邊界，即軌底角一區高度最小12mm，最大15mm，軌底角二區高度最大高度22mm。圖7鋼軌軌頭覆蓋示意圖，圖8是軌腰覆蓋示意圖。

2.1.2掃查架運動過程

如圖9所示，整個檢測過程分5個步進，具體運動方式如下：

開始檢測前，探頭默認位置，探頭1、探頭2、探頭3均在位置各自區域的位置1，探頭1、探頭2偏角處于左偏20°位置，探頭3不偏角;

開始檢測，探頭1、探頭2、探頭3位置不移動，探頭1和探頭2開始偏角掃查，從右20°轉到左20°，探頭3完成左右偏角檢測后歸零;

Step1，探頭1、探頭2移動到各自區域的位置3，探頭3位置不移動，探頭1和探頭2開始偏角掃查，從右20°轉到左20°，探頭3此時不檢測;

Step2，探頭1、探頭2移動到各自區域的位置4，探頭3移動到位置2，探頭1和探頭2開始偏角掃查，從左20°轉到右20°，探頭3不偏角檢測軌腰及軌底三角區區域;

Step3，探頭1、探頭2移動到各自區域的位置3，探頭3位置不移動，探頭1和探頭2開始偏角掃查，從右20°轉到左20°，探頭3此時不檢測;

歸位，探頭1、探頭2、探頭3移動的各自區域的位置1，結束掃查。

2.1.3自動化檢測過程：

2.1.4雙探頭檢測過程：

2.2軟件設計

2.2.1軟件界面功能基本樹狀圖：

2.2.2軟件操作流程：

2.2.3工藝設計流程如下：

2.2.4鋼軌焊縫檢測流程如下：

2.3用戶界面設計

為提高鋼軌焊縫檢測的效率，在設計檢測軟件用戶界面時，將用戶管理功能、檢測工藝流程、探頭校準、相控陣扇掃、焊縫多個視角圖、數據分析等融入到軟件中，保證了軟件功能的強大和使用的便捷。

為便于用戶監控和查看掃查過程，檢測主界面將多個常規探頭的條狀圖、A掃圖、多個相控陣的扇掃圖、鋼軌焊縫的3D圖、探頭動態軌跡圖等都顯示在檢測界面上，便于用戶監控掃查過程，在檢測到缺陷時，提供聲光報警。

2.4掃查裝置設計

匹配檢測工藝要求，設計開發滿足5個探頭沿指定路徑運動的掃查裝置：滿足探頭檢測過程中與鋼軌貼合良好的柔性耦合單元;滿足雙探頭法檢測過程中兩個探頭同步運動的傳動單元;滿足自動/手動兩種掃查模式切換的離合單元;滿足本地開關控制/無線遙控兩種控制模式的控制單元;減速電機輸出動力，經離合器后通過齒輪組傳遞至絲桿，并經由絲桿傳遞至檢測臂，帶動檢測臂同步運動，進而實現安裝在檢測臂上的探頭沿指定路徑運動。采用一級/多級彈性結構和多自由度探頭夾具結構確保探頭與鋼軌的良好貼合，配合傳動系統工作，實現探頭與鋼軌柔性耦合，確保掃查過程中可靠檢測;采用一字激光光標標示，掃查裝置定位簡便、準確;同時掃查裝置上配有高精度編碼器，確保了掃查時各探頭位置的精確反饋;純機械離合器實現自動掃查和手工掃查兩種掃查方式，方便用戶手動復核。

2.5儀器主機設計

本項目結合相控陣超聲技術和常規超聲技術，多個相控陣探頭和多個常規通道A超采集的數據量很大，使得本系統必須要具備很強的數據處理能力，為此，項目組選取了高性能的中央控制模塊;同時由于軟件用戶界面需要顯示各種成像圖，因此為本產品配備了高分辨率、大尺寸觸摸屏;此外儀器主機帶有網絡接口，用戶可連接到遠程主機，進行數據傳輸;考慮產品探傷現場檢測條件比較惡劣，在儀器主機設計時，對各種接口做了防護設計，確保整套產品具有一定的防護等級，滿足現場檢測需求。

儀器主機選取了高性能的中央控制模塊，相控陣模塊為項目組專門研發的專業超聲電路板，儀器內部總線采用USB高速標準，儀器軟件為項目組自主開發的相控陣鋼軌焊縫檢測軟件方案。

項目方案中，硬件組成除了上述中央控制模塊與超聲模塊外，還包括電源接口板、儀器顯示屏、儀器操作面板、儀器機殼等部分設計，其中電源接口板安裝在機殼內，提供電源供電，同時向主機、超聲模塊、鍵盤、報警等部件提供連接和中轉;顯示采用工業級10.4寸高亮液晶顯示屏，分辨率達到1024×768，室外清晰可見，同時配備工業級觸摸屏解決方案;儀器的操作面板采用輕觸開關構成的鍵盤面板為主體，配合工業級觸摸屏，向用戶提供可靠方便的操作模式。

3結論

本相控陣鋼軌超聲探傷儀將超聲檢測領域最新的相控陣技術以及自動化技術引入鋼軌焊縫檢測中，結合相控陣超聲技術和常規超聲技術的優點，制定了適合鋼軌焊縫檢測的工藝，采用3個相控陣探頭和2個常規探頭確保整個焊縫全覆蓋檢測;同時特制了專用掃查裝置，一次自動掃查，即可實現整個焊縫的全覆蓋檢測;在用戶界面上將A掃、條狀圖、相控陣S掃圖、鋼軌焊縫3D圖等集成顯示，輔助用戶判斷缺陷，將掃查實際工況和軟件仿真完美集合，用戶可實時監控掃查，實現智能化檢測。

該相控陣鋼軌超聲探傷儀的成功研制解決了傳統鋼軌焊縫超聲檢測流程的復雜、檢測時間較長、檢測結果依賴檢測人員的經驗水平、檢測結果不可追溯等問題，為鐵路鋼軌焊縫檢測提供了一款高效可靠、功能強大、檢測優異的儀器，鋼軌焊縫檢出率和檢測效率顯著提升，必將成為我們鐵路工務系統廣大一線操作者和管理者歡迎的產品。

參考文獻

[1]專著：鐵路職工崗位培訓教材編審委員會.鋼軌探傷工.北京：中國鐵道出版社，2014.

[2]TB/T 2658.21，工務作業 第21部分：鋼軌焊縫超聲波探傷作業[S].

[3]GB/T 32563，無損檢測 超聲檢測 相控陣超聲檢測方法[S].