馬騫 陳智發(fā) 云維銳

1.國能朔黃鐵路發(fā)展有限責任公司，河北肅寧 062350；2.汕頭市超聲儀器研究所股份有限公司，廣東汕頭 515041

近年來，朔黃重載鐵路運量不斷增加，列車最大牽引質(zhì)量已達3萬t，貨車軸重從27 t提高到30 t［1］。隨著運量不斷增大，軌道結(jié)構(gòu)破壞加劇，保養(yǎng)難度也日益增加［2］。鋼軌焊縫作為鋼軌的薄弱結(jié)構(gòu)，在焊接過程中產(chǎn)生的缺陷容易發(fā)展成疲勞裂紋，其熱影響區(qū)很容易發(fā)生斷軌，會嚴重影響列車正常運行和運行安全，需要重點關(guān)注。

針對鋼軌焊縫的檢測，學(xué)者們開展了許多研究。李錦等［3］介紹了三種針對鋼軌鋁熱焊焊縫邊緣傷損的檢測方法。陳庚等［4］提出一種基于機器視覺和圖像處理技術(shù)相結(jié)合的鋼軌對接焊高精度定位檢測方法。崔修實等［5］通過應(yīng)力波傳播規(guī)律的變化來分析鋼軌損傷狀態(tài)。段春輝等［6］應(yīng)用渦流檢測技術(shù)來進行焊縫探傷。對比分析各種檢測方法發(fā)現(xiàn)，超聲檢測是減少斷軌確保安全比較直接、有效、經(jīng)濟的技術(shù)措施。目前，超聲檢測主要采用手推式常規(guī)超聲利用列車間隔時間進行檢測作業(yè)，效率低下，要更換不同K值探頭才能實現(xiàn)鋼軌的全面掃查，而探頭位置、角度、耦合條件等人為因素都會對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響，檢測效率、可靠性、準確性均存在不足。相控陣超聲技術(shù)可以靈活調(diào)節(jié)掃描角度，有效提高檢測效率。盧超等［7］采用相控陣超聲技術(shù)對鋼軌氣壓焊焊縫進行探傷效果分析。陳選民等［8］設(shè)計了專門用于鋼軌焊縫相控陣檢測的位置標示尺，實現(xiàn)了探頭掃查位置的快速確定。

本文以朔黃鐵路為工程依托，提出基于相控陣的重載鐵路鋼軌焊縫檢測技術(shù)，分別對相控陣超聲技術(shù)及相關(guān)的檢測技術(shù)進行介紹，并對該方法進行應(yīng)用。

1 相控陣超聲技術(shù)

相控陣超聲檢測技術(shù)的原理是按照一定的延遲時間規(guī)則，通過電子系統(tǒng)控制換能器陣列中的各個陣元發(fā)射和接收超聲波，從而動態(tài)控制超聲束在工件中的偏轉(zhuǎn)和聚焦，實現(xiàn)對材料的無損檢測。根據(jù)菲涅耳-惠更斯原理，子波波陣面的包絡(luò)面就是相控陣換能器發(fā)出超聲波的總波陣面，波陣面的傳播方向就是波的傳播方向。相控陣換能器由多個獨立的壓電晶片組成陣列，其中的晶片都很細，可等效為一個線聲源，發(fā)出柱面波。通過控制不同晶片的激發(fā)延遲即可實現(xiàn)聲束聚焦、偏轉(zhuǎn)等功能。

與常規(guī)超聲檢測相比，相控陣超聲檢測可以減少使用的探頭種類以及檢測的工作量，提高工作效率。同時，由于可采用電子控制角度范圍，相控陣超聲檢測覆蓋面更大，可提高檢測覆蓋率，降低漏檢的可能性。相控陣超聲檢測技術(shù)可利用其特有的電子掃查替代手動?xùn)鸥駫卟?，有效提高工作效率?/p>

相控陣儀器具有多通道功能，相當于多臺A超儀器同時工作，單個換能器便可代替多個傳統(tǒng)探頭。相控陣超聲檢測技術(shù)是一種多通道成像技術(shù)，具有實時彩色成像、檢測速度快、檢測靈活性高、缺陷檢出率高、可進行數(shù)據(jù)管理等特點，用于檢測鋼軌焊縫時可以加大一次檢測覆蓋范圍、簡化工藝、提高檢測精度等。

2 檢測工藝

在鋼軌焊縫的檢測中，聲能量透射系數(shù)和波束焦點尺寸會影響最終結(jié)果的準確性。

2.1 聲能透射系數(shù)

鋼軌焊縫檢測時，聲波從探頭發(fā)射，經(jīng)過楔塊后發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成橫波進入工件中，如圖1所示。

圖1 波形轉(zhuǎn)換示意

根據(jù)Snell定律，在縱波入射的楔塊-工件界面，反射聲波和透射聲波振幅的關(guān)系為［9］

式中：α、β、γ、θ分別為入射角、轉(zhuǎn)換橫波的折射角、轉(zhuǎn)換縱波的折射角、反射縱波的反射角；ρ1、ρ2分別為第一、第二介質(zhì)的密度；cL1和cL2分別為縱波在楔塊和工件中的速度；cT1和cT2分別為橫波在楔塊和工件中的速度；Ai、Ar、At分別為入射縱波、反射縱波、折射縱波的振幅；Br、Bt分別為反射橫波和折射橫波的振幅。

根據(jù)式（1）計算可得：入射角在25°~54°；橫波折射角為37°~90°；縱波折射角大于90°，即鋼軌中沒有折射縱波。

入射角一定時，橫波聲能量透射率tp為

由式（1）和（2）可以算出有機玻璃作為斜楔檢測鋼軌的聲能量透射系數(shù)。根據(jù)上述方法可知，扇形掃描角度在30°~70°時檢測能力最佳，信噪比最高。若采取更大的偏轉(zhuǎn)角度，聲能量將減小，聲束指向性變差。

2.2 波束焦點尺寸

波束焦點尺寸直接影響鋼軌檢測中相控陣圖像的分辨能力。通過調(diào)整旁瓣，在近場距離以內(nèi)的某點處會產(chǎn)生最大壓力，聚焦后可增加焦點的局部壓力，并降低波束直徑。聚焦后新位置與自然焦距（近場）構(gòu)成一定的比例，稱為標準焦距Sac，其表達式為

式中：Fac為焦距，mm；N為近場長度，mm。

在波束直徑評估中，應(yīng)根據(jù)波束中心至外圍的最大尺寸確定波束直徑，一般會假設(shè)通過-6 dB等壓線來表示。-6 dB聲壓落差下的聲束計算公式為［10］

式中：DB-6dB為波束直徑（位于-6 dB邊界）；D為晶片直徑。

從式（4）可看出，最小的波束直徑會產(chǎn)生在近場距離內(nèi)，并且波束直徑和焦距Fac成反比。假設(shè)鋼軌檢測中聲波在目標反射體處聚焦，則

式中：S為聲程；ET為探頭至焊縫中心距離；L0為前沿；h為目標反射體深度。

2.3 檢測工藝參數(shù)及仿真模擬

2.3.1 掃描角度

對于軌腰部分，掃描角度應(yīng)優(yōu)先選擇30°~70°。對于軌頭和軌底，70°以下的掃查無法完全覆蓋軌頭的上部和踏面，雖然可以利用二次波檢測軌底，但是因為焊筋寬度過大，70°以下的掃查也無法完全覆蓋。因此，軌頭選擇掃描角度35°~85°、軌底選擇掃描角度40°~80°時，能夠較好地覆蓋。

2.3.2 探頭位置

探頭位置決定檢測覆蓋的范圍，一般由綜合聲能量透射率、分辨率等因素來確定。不同位置情況各異，選擇探頭位置關(guān)注的重點有所不同。

雖然軌頭和軌底均需要較大折射角度來完成覆蓋，但較大的折射角會導(dǎo)致聲能量透射率低、聲束指向性差。為了增加聚焦位置的分辨能力，一般優(yōu)先考慮縮小波束焦點尺寸，可以通過減小探頭至焊縫中心的距離和縮小相控陣聚焦的焦距實現(xiàn)（特別縮小至近場）。聲場模擬焦點尺寸的變化如圖2所示，圖中從左到右焦點尺寸依次為8、6、3、2 mm。

圖2 聲場模擬焦點尺寸的變化

由式（4）和式（5）計算可知，探頭至焊縫中心的距離ET≤40 mm時，可得到較小的焦點尺寸。在確定軌頭的掃描角度范圍后進行檢測的仿真模擬，綜合考慮聲束對GHT?5對比試塊和YN?1鋁熱焊焊縫試塊軌頭軌底的完全覆蓋，可確定檢測軌頭和軌底的探頭最佳位置分別為距離焊縫中心35、40 mm。

對于軌腰部分的檢測，由于厚度范圍較大，焦距較大時聲束在較大深度范圍內(nèi)指向性較好，所以采取較大的焦距和較大的探頭至焊縫中心距離，使聲束從踏面穿透整個軌高在鋼軌底面聚焦即可。結(jié)合上文確定的軌腰掃描角度，綜合考慮聲束對GHT?5對比試塊和YN?1鋁熱焊焊縫試塊軌頭軌底的完全覆蓋，確定檢測軌腰的探頭最佳位置為距離焊縫中心115 mm。

3 標準試塊檢測圖像

3.1 試塊信息

采用GHT?5試塊進行相控陣探傷工藝可行性驗證。將試塊分為A、B、C三個分區(qū)，每個分區(qū)鉆有不同深度和直徑的通孔，如圖3所示。A區(qū)為φ5橫孔，用于驗證0°直探頭檢測工藝的檢測能力；B區(qū)為φ3橫通孔，用于驗證軌頭軌腰檢測工藝的檢測能力；C區(qū)為φ4豎孔（圖4），用于驗證軌底檢測工藝的檢測能力。

圖3 GHT?5試塊分區(qū)示意（單位：mm）

圖4 GHT?5試塊軌底C區(qū)斷面（單位：mm）

3.2 檢測結(jié)果及分析

使用扇形掃描分別對GHT?5試塊A區(qū)和B區(qū)進行檢測，使用電子掃描對C區(qū)進行檢測。GHT?5試塊掃描檢測圖像如圖5所示，反射體檢測結(jié)果見表1。

圖5 GHT?5試塊掃描檢測圖像

表1 GHT?5試塊反射體檢測結(jié)果 mm

由圖5可知：①對于GHT?5試塊A區(qū)直徑5 mm橫孔，利用線性掃描全部能夠清晰檢出。②采用較大角度一次波進行入射，能準確檢測出GHT?5試塊B區(qū)軌頭中所有直徑3 mm橫通孔（B1—B4孔），并將每個橫通孔的位置呈現(xiàn)在左側(cè)鋼軌模擬圖中，模擬位置和試塊圖紙完全一致。③軌腰的扇形掃查中，GHT?5試塊B區(qū)軌腰B5—B7孔和軌底的B8孔被清晰檢出，并準確呈現(xiàn)在左側(cè)鋼軌模擬圖中，與設(shè)計圖紙一致。雖然從踏面至底部穿透深度范圍大（176 mm），但依然能獲得清晰的圖像和較高的信噪比。④利用相控一次和二次波均能檢出GHT?5試塊C區(qū)軌底C1、C2豎孔。

將表1與試塊設(shè)計中的缺陷進行對比可知，深度和直徑的測量結(jié)果和設(shè)計的缺陷信息基本保持一致。

4 鋼軌鋁熱焊焊縫檢測

4.1 試塊信息

采用YN?1試塊進行鋼軌鋁熱焊焊縫檢測。焊縫寬度為40 mm。在試塊上制作了一些常見的缺陷和疑難部位的缺陷，如圖6所示。焊縫斷面上有5個面積型缺陷：1#缺陷位于軌頭下顎部位；2#缺陷位于軌腰中部；3#缺陷位于軌底斜面與軌腰的結(jié)合部，距離軌底底面30.5 mm；4#缺陷位于軌底三角區(qū)的底面；5#為軌底角部位裂紋。6#、7#缺陷分別為軌腰和軌腰軌底交界處的φ3橫孔。8#、9#缺陷為軌底φ4豎孔。

圖6 YN?1試塊缺陷示意（單位：mm）

4.2 檢測結(jié)果及分析

4.2.1 垂直性裂紋

1#—3#缺陷屬于垂直性裂紋，由于超聲入射角無法與缺陷垂直，缺陷回波無法反射回探頭，所以采用單探頭從踏面檢測較難實現(xiàn)。采用串列式掃查方法可解決這一問題。常規(guī)超聲串列式掃查發(fā)射角度單一，需要在焊縫左、中、右位置進行多次覆蓋，檢測效率較低。而相控陣串列式掃查可以多角度同時激發(fā)入射聲波，對整個焊縫進行體積性全覆蓋，一次掃查即可完成檢測。

對于不同深度反射體，串列式掃查得到的聲程是一致的，掃查得到的反射體深度會始終顯示在板厚位置，無法在儀器上直接讀出深度位置信息。但經(jīng)過相控陣仿真模擬，可以將缺陷的真實深度位置信息呈現(xiàn)在檢測界面的鋼軌焊縫模擬圖中。如圖7所示，1#—3#缺陷的檢測圖像被清晰地呈現(xiàn)在對應(yīng)的位置。

圖7 垂直性裂紋（1#—3#缺陷）串列式掃查檢測圖像

4.2.2 鋼軌底面橫向裂紋

4#缺陷為鋼軌底面橫向裂紋。與常規(guī)檢測技術(shù)相比，相控陣具有電子聚焦效果和較好的檢測靈敏度，相控陣橫波一次波在踏面入射，可穿透整個鋼軌的高度直達底面的裂紋，清晰地顯示裂紋的檢測圖像，如圖8所示。

圖8 鋼軌軌底橫向裂紋（4#缺陷）檢測圖像

4.2.3 軌底裂紋和豎孔

5#缺陷為軌底裂紋，8#、9#缺陷為軌底豎孔。將探頭放置在軌底上表面，利用一次波入射即可在扇形掃描圖中清晰地顯示裂紋和豎孔的圖像，并在左側(cè)鋼軌模擬圖中呈現(xiàn)出缺陷位置，如圖9所示。

圖9 軌底裂紋（5#缺陷）和豎孔（8#、9#缺陷）檢測圖像

4.2.4 軌腰橫孔

6#、7#缺陷為軌腰橫孔。將探頭放置在踏面進行一次波入射，實現(xiàn)從軌顎至鋼軌底面的全覆蓋，一次性將6#、7#缺陷同時檢出，信噪比較好，如圖10所示。這說明相控陣覆蓋范圍大，大厚度穿透能力強。

圖10 軌腰橫孔（6#、7#缺陷）檢測圖像

在缺陷識別方面，相對于單一的A掃描信號，相控陣超聲技術(shù)的掃查范圍可以覆蓋整個缺陷體積，包括焊筋等偽顯示圖像，輔助以工件形狀模擬輪廓，可輕易辨別偽缺陷。YN?1試塊反射體檢測結(jié)果見表2，其中尺寸指的是橫孔直徑或裂紋長度。將表2與圖紙信息進行對比可知，缺陷深度、尺寸的測量結(jié)果和圖紙設(shè)計的缺陷信息基本保持一致。

表2 YN?1試塊反射體檢測結(jié)果 mm

5 重載鐵路現(xiàn)場應(yīng)用

隨著鐵路運載量和負荷量的增加，焊縫傷損出現(xiàn)的風險加大，現(xiàn)有常規(guī)焊縫探傷儀檢測難以滿足現(xiàn)場檢測需求。朔黃鐵路率先采用相控陣探傷儀對鋼軌進行檢測。

參考GHT?5試塊的設(shè)計圖紙，設(shè)計75 kg/m鋼軌對比試塊，其中反射體尺寸和GHT?5試塊相同，反射體深度則按GHT?5試塊同等比例進行分布。采用前述工藝，對試塊進行工藝模擬仿真并實施檢測。反射體檢測結(jié)果見表3。結(jié)果表明，檢測圖像清晰，穿透力強，信噪比高，定位定量誤差在可控范圍內(nèi)。可見，相控陣檢測工藝適用于重載鐵路鋼軌焊縫的檢測。

表3 75 kg/m鋼軌試塊反射體檢測結(jié)果 mm

實際現(xiàn)場應(yīng)用中，利用相控陣超聲技術(shù)進行大體積型掃查覆蓋，輔助以工件形狀模擬輪廓，可以較直觀地分辨焊筋等易誤判的圖像，現(xiàn)場錯檢率降低10%~20%。扇形掃查一次性多角度覆蓋，使單個焊縫檢測時間減少，日檢測焊縫數(shù)量提升20%，并且小當量傷損的檢出率提升到70%以上，重傷損的檢出率提升到90%以上。

6 結(jié)論

1）采用相控陣超聲技術(shù)檢測鋼軌焊縫可以實現(xiàn)多角度掃查，探頭小范圍移動即可完成待檢區(qū)域的全覆蓋掃查，避免了常規(guī)超聲檢測頻繁換探頭的工序，操作簡單，效率高。

2）軌腰、軌頭、軌底掃描角度宜分別為30°~70°、35°~85°、40°~80°。檢測軌腰、軌頭、軌底的探頭最佳位置分別為距離焊縫中心115、35、40 mm處。

3）利用相控陣超聲檢測技術(shù)對標準GHT?5試塊和有疑難缺陷的YN?1試塊進行檢測，各缺陷均被有效檢測出，檢測效果良好。相控陣扇形掃描檢測圖像包括豐富的缺陷信息，缺陷位置可直觀呈現(xiàn)，有利于缺陷的識別和判定。

4）相控陣檢測工藝適用于75 kg/m鋼軌等重載鐵路鋼軌焊縫的檢測。利用相控陣探傷儀對鋼軌焊縫傷損進行定性和定量分析，提高了小當量傷損和易誤判易漏傷損的識別率，提升了檢測效率。