超聲相控陣橫向掃查在鋼軌軌底焊縫檢測中的應用

摘" 要：鋼軌是鐵路軌道的重要部件，及時檢測鋼軌的質量狀況對于保證列車的安全運行至關重要。其中鋼軌的軌底其截面形狀、結構不規則，受力不均勻，極易導致鋼軌斷裂造成重大損失。文章基于超聲相控陣技術提出超聲相控陣橫向扇掃技術，該技術利用楔塊的固定傾角達到探頭傾斜入射，且不用左右偏轉，擴大了原有常規掃查技術的檢測范圍。通過仿真及能力驗證試塊實驗，驗證了超聲相控陣橫向扇掃技術能夠滿足鋼軌軌底檢測覆蓋的要求且可實現一維方向上自動掃查。

關鍵詞：鋼軌焊縫；軌底檢測；超聲相控陣；橫向扇掃

中圖分類號：TP39" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）23-0175-05

Application of Ultrasonic Phased Array Transverse Scanning in the Detection of Rail Bottom Weld Crack

CHEN Rongshun

（China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan" 430063， China）

Abstract： Rail is an important part of railway track. Timely detection of the rail quality condition is very important to ensure the safe operation of the train. Among them， the irregular section shape and structure， and non-uniform stress of the rail bottom are very easy to lead to rail fracture and cause heavy losses. Based on ultrasonic phased array technology， a transverse fan scanning technology of ultrasonic phased array is proposed in this paper. This technology uses the fixed inclination angle of wedge to achieve the oblique incidence of probe without left and right deflection， which expands the detection range of the original conventional scanning technology. Through simulation and capability verification test block experiment， this paper verifies that the ultrasonic phased array transverse fan scanning technology can meet the requirements of rail bottom detection coverage， and can realize automatic scanning in one-dimensional direction.

Keywords： rail weld crack; rail bottom detection; ultrasonic phased array; transverse fan scanning

0" 引" 言

鋼軌是鐵路軌道的重要部件，隨著列車速度的提升和重載列車的運行，對軌道的破壞不斷加劇，整個鐵路系統的行車安全受到嚴重考驗。因此，及時對鋼軌的質量狀況進行檢測對于保證列車的安全運行十分重要。由于鋼軌的軌底其截面形狀、結構不規則，受力不均勻，一旦存在缺陷容易導致軌底斷裂發生嚴重的安全事故，造成人身財產損失，因此有必要研究出針對鋼軌軌底缺陷的無損檢測新方法。

目前，鐵路鋼軌的檢測有一套沿用多年的檢測標準，即TB/T 2658.21—2007《工務作業第21部分：鋼軌焊縫超聲波探傷作業》。該標準中主要采用以縱波和橫波方法為主的鋼軌探傷技術，該技術屬于常規超聲。當超聲波進入鋼軌中時，遇到鋼軌缺陷就會發生反射，缺陷的反射波被探頭接收器接收，并經過A/D轉換變為數字信號，該數字信號通過檢測設備的處理，以A掃波形和數據的形式呈現出來，最后成為檢測人員熟知的缺陷位置、大小、當量等相關檢測信息。常規超聲在鋼軌檢測上的應用已經非常成熟。但一直以來也存在一些難以克服的缺陷。

根據檢測標準TB/T 2658.21—2007《工務作業第21部分：鋼軌焊縫超聲波探傷作業》中的單探頭法進行檢測時，常規超聲檢測技術掃查范圍窄，需要人工手動偏轉，檢測結果受人員個人因素影響大，不具有客觀性。特別是，軌底探頭（軌底部分）掃查范圍窄，且存在明顯的盲區，對軌底裂紋性缺陷具有明顯的方向性盲區。整體檢測系統的掃查速度慢，檢出率受個人因素影響非常大。

因此，針對上述常規超聲檢測技術的局限性，研發一種能夠滿足覆蓋需求且適合一維方向上自動掃查方式的超聲相控陣檢測技術尤為關鍵。

1" 超聲相控陣檢測技術

超聲相控陣檢測技術是一種高級超聲檢測技術，它的理論基礎出自相控陣雷達技術，目前成為無損檢測領域的研究熱點，在工業、通信等領域得到了廣泛應用[1-2]。超聲相控陣檢測通過控制探頭各陣元發射超聲波的時間，從而實現波束的偏轉和聚焦，達到對被檢測物體進行全方位掃描和成像的目的[3]。相控陣可以靈活控制每個陣元聚焦位置和尺寸大小，使得缺陷檢出提高很多。超聲相控陣技術可以實現線性掃查、扇形掃查和動態深度聚焦等掃查方式[4]，從而同時具備寬波束、動態聚焦和多角度掃查的特點，一次性掃查的區域極大。目前已陸續將超聲相控陣檢測技術應用至鋼軌檢測[5-7]。

然而，超聲相控陣扇掃檢測技術對于聲束位置、方向、聚焦等參數的控制只能沿探頭長度方向上進行，而鋼軌底部較寬，檢測面積大，且有階梯狀的輪廓有變化，常規相控陣扇掃技術難以滿足軌底的全覆蓋快速探傷。因此為了在鋼軌底部應用超聲相控陣扇掃技術，本文研發了一種超聲相控陣橫向扇掃技術，該技術在具有普通超聲相控陣扇掃技術優勢的同時還能滿足鋼軌底部覆蓋的檢測需求。

2" 橫向扇掃檢測技術

橫向扇掃檢測技術是一種基于超聲相控陣檢測技術的應用創新。橫向扇掃檢測技術在硬件上與常規扇掃檢測技術的區別在于：在常規扇掃檢測技術中，楔塊與鋼軌的相對位置不變，將探頭旋轉90°，此時常規楔塊的寬度不足以覆蓋探頭底部的晶片組，因此需要將常規探頭的寬度延長形成一個定制楔塊，如圖1所示。

通過探頭與楔塊的相應改變，超聲相控陣橫向扇掃檢測技術具有與常規扇掃檢測不同的聲束覆蓋狀態，如圖2所示為某一角度的橫向扇掃組合在鋼軌的剖面以及俯視狀態下的聲束狀態。

從聲束掃查能力上，由圖2也可以看出相控陣橫向扇掃掃查技術和傳統相控陣的縱向掃查方式的區別在于：

1）主動方向和被動方向相反。

2）橫掃的被動方向為固定值角度，該角度取決于楔塊的傾角，可根據檢測需求設計。相比傳統相控陣，橫掃在被動方向上的擴散聲束有很大利用價值，在設計的時候通常會采取一系列方式在保證主動方向掃查寬度的同時，盡量擴大/減小探頭被動方向的擴散角。

3）探頭不用左右偏轉，增加了左右兩側的掃查方向。擴大了原有常規掃查技術的檢測范圍。

具體地，當檢測對象為鋼軌軌底時，由于鋼軌結構的特殊性，位于軌底兩端的上表面是檢測難點。若采用常規相控陣掃查技術則難以覆蓋所關注的區域，因此利用橫向扇掃檢測技術，使得聲束能夠完全覆蓋整個鋼軌軌頭進行檢測，如圖3所示。

3" 能力驗證試塊

通過檢測能力驗證試塊可以驗證橫向扇掃技術的檢測覆蓋能力，因此能力驗證試塊的設計十分重要。

首先，根據檢測標準TB/T 2658.21—2007《工務作業第21部分：鋼軌焊縫超聲波探傷作業》中的相關要求，在能力驗證試塊中設置了第一階梯和第二階梯的φ3mm豎通孔。同時發現在該標準中的人工刻傷均為沒有方向性的平底孔或橫通孔，而考慮到鋼軌軌底常常因軌底過燒而產生方向性缺陷[8-9]，因此在試塊中增加了軌底45°[10]斜槽及軌底正中心φ3 mm×10 mm平底孔的人工刻傷。

其次根據與現場人員的交流發現，鋼軌經常發生斷裂的位置為圓弧過渡區，為了更好地驗證檢測方法的覆蓋能力。因此在圓弧過渡區也增加一個φ3 mm的豎通孔人工刻傷。

因此如圖4所示，在鋼軌軌底能力驗證試塊的刻傷中包含了第一階梯φ3mm豎通孔（孔1）、第二階梯φ3 mm豎通孔（孔2）、圓弧過渡區φ3 mm豎通孔（孔3）、軌底正中心φ3 mm×10 mm平底孔（孔4）、深×寬×長為0.5 mm×0.5 mm×10 mm的45°刻槽（槽1）。

4" 仿真實驗

為了驗證橫向扇掃技術在鋼軌軌底上的覆蓋能力，首先采用COMSOL有限元仿真軟件進行仿真。為了能夠簡化仿真工作量，仿真模型中取能力驗證試塊中的孔1和孔4進行檢測范圍的實驗。

由圖4可知，能力驗證試塊中的孔1和孔4分別位于探頭掃查側的左右兩端，只要孔1、孔4能夠被有效檢出，就能說明橫向扇掃技術在鋼軌軌底的檢測覆蓋能力能夠滿足后期實現單側一次性掃查全覆蓋的需求。

鋼軌是一種異型結構件，相比常規平板焊接結構要復雜得多。這些復雜結構會在檢測過程中產生大量的無效計算，因此需要對仿真模型作一定的簡化。首先由于檢測過程中聲束向孔1一側偏轉，因此只截取孔1所在側的鋼軌且長度方向截取了30 mm。另外，為了加快計算速度，在模型中不建立獨立的斜楔，只按照實際斜楔產生的聲束折射角，在界面處設計一個相應角度的斜面。

斜面的角度計算參考縱波聲速傾斜入射產生折射橫波的公式進行計算，見式（1）。楔塊入角度為29°，縱波聲速取2 330 m/s，鋼軌橫波聲速取3 230 m/s。

（1）

其中，αL表示縱波入射角，βs表示橫波折射角，CL1表示楔塊的縱波聲速；CS2表示鋼軌的橫波聲速。

經式（1）計算得到楔塊產生的橫波折射角為42.23°，并以該角度設置斜面的水平傾角。在斜面上設置16個晶片，面積為2 mm×0.6 mm，分別加載激勵信號，激勵信號采用余弦函數加高斯窗作為激勵，激勵信號頻率為f，函數周期數為ωr，相鄰晶片的時間間隔為Δt，加載到探頭晶片上的激勵信號表達式如式（2）。模型材料采用結構鋼，密度為7 850 kg/m3，橫波聲速為3 230 m/s。激勵頻率均為5 MHz。

（2）

對于孔1，為達到偏轉+45°方向的效果，時間間隔Δt計算約為0.13 μs。同樣地，孔4直徑為3 mm，在鋼軌底部的正中心，孔深為10 mm，其余參數與孔1模型仿真相同。同時在仿真模型中將周圍邊界均設為低反射邊界，以模擬半無限大空間。

仿真模型建立如圖5所示，截取區域1內所包含的鋼軌截面進行孔1三維建模。截取區域2內所包含的鋼軌截面進行孔4三維建模。仿真過程及相應的聲壓變化數據如圖6所示。

通過提取晶片所在面上的總聲壓信號得到接收信號數據，如圖6（c）（d）所示。從接收信號A掃描波形可以看出：對于孔1，主聲束在t = 14 μs時傳至孔1位置。按照時間反轉可知，接收孔1的信號在28 μs左右，該處聲壓幅值為0.3 MPa，噪聲幅值為0.1 MPa，信噪比為9.5 dB；對于孔4，主聲束在t=15 μs時傳至孔4位置。按照時間反轉可知，接收孔4的信號在30 μs左右，該處聲壓幅值為0.3 MPa，噪聲幅值為0.1 MPa，信噪比為9.5 dB。仿真結果表明，利用橫向扇掃技術能夠有效覆蓋鋼軌軌底，且信噪比可達9.5 dB。

5" 物理實驗

鋼軌軌底的檢測主要采用相控陣探頭進行大角度橫向扇掃進行，同時綜合考慮到軌底覆蓋需求后，物理實驗選擇5 MHz、32陣元的超聲相控陣線陣探頭及定制的29°橫掃圓弧楔塊，檢測設備采用武漢中科創新生產的HS PA-F，如圖7所示。

在儀器設置中，將探頭偏轉角可設置為±50°，即達到更大的100°范圍覆蓋的聲束面，利用29°圓弧楔塊形成42°入射至鋼軌，在鋼軌內部形成42°折射角的波陣面進行檢測。檢測結果如圖8所示。

圖（a）（b）中紅圈顯示的分別是孔1、孔2及孔4的檢測結果，圖中清晰顯示了人工通孔的檢測位置及反射波高。圖（a）與（b）中，由于探頭分別放置在軌道雙側進行檢測，檢測結果中都可以顯示出孔4，即軌底正中心的缺陷，這說明通過單面雙側的檢測可完全覆蓋整個軌底的檢測區域。

圖（c）中顯示的是孔3，即圓弧過渡區φ3 mm豎通孔的檢測結果。

圖（d）為模擬的軌底應力腐蝕裂紋檢測示意圖（槽1），通常做成月牙形模擬缺陷并且從軌頭踏面檢測。傾斜的45°裂紋，從踏面是難以檢測到的，通過橫向扇掃檢測技術從軌底進行檢測，可以輕松發現該傾斜性刻槽，在30 dB的增益下，波高達到92.9%，信噪比較好，易于識別。因此根據檢測結果可知：在軌底刻傷中的所有缺陷都可以有效檢測出來，滿足檢測需求。

檢測中，將探頭調試好后只需通過設計掃查器夾持探頭對鋼軌軌底進行單面雙側的掃查就可完成整個鋼軌軌底的全覆蓋檢測，如圖7所示為根據這一技術設計的掃查器。相較于傳統檢測方法更容易實現自動化檢測，降低掃查難度，提高檢測效率。

6" 結" 論

本文基于超聲相控陣技術提出了一種超聲相控陣橫向扇掃技術，該技術利用楔塊的固定傾角達到探頭波陣面傾斜入射，且不用左右偏轉，擴大了原有常規掃查技術的檢測范圍。

通過本文的仿真實驗及能力驗證試塊物理實驗可以得出：基于軌底橫向扇掃檢測技術，采用一個超聲相控陣探頭就可以完全覆蓋軌底半邊的所有豎通孔類缺陷（鋼軌軌底的對比試塊通用缺陷形式）包括軌底中心豎通孔以及模擬的軌底應力腐蝕裂紋。其中軌底應力腐蝕裂紋通常采用從軌頭踏面處進行檢測，而在實際檢測中這種傾斜裂紋從踏面是難以檢測到的，這是傳統超聲檢測方法的盲區。其次，若采用兩個相控陣探頭對稱放置在軌底，并行進行橫向扇掃的檢測技術。兩個相控陣探頭同時掃查可以減少掃查次數，將原來的單面單側4次掃查減少為單面雙側掃查，這能夠極大提高檢測效率。最后，對軌底實現掃查全覆蓋的同時，由于超聲相控陣本身的成像檢測特點，探頭不需要左右移動，只需采用一維方向上的移動，因此可支持實現自動掃查，有助于實現在役鋼軌的一體化自動掃查。

當然考慮到軌底的結構原因，缺陷位置存在畸變，有些缺陷識別需要一定的經驗，對識圖人員有一定的要求。但就檢測效率，識別率及覆蓋范圍來說，超聲相控陣橫向扇掃檢測技術遠超常規相控陣或A超的檢測能力。

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作者簡介：陳榮順（1992.03—），男，漢族，福建泉州人，工程師，碩士研究生，研究方向：鐵路基礎設施養護維修。