钢轨焊缝相控阵超声检测技术分析

钢轨焊缝相控阵超声检测技术分析

游玉刚 邓亦农 曹经纬 王品

株洲时代电子技术有限公司 湖南株洲 412007

摘要：目前，我国铁路运输里程日益剧增，钢轨焊缝的质量直接影响着行车安全，因此，钢轨焊缝的无损检测尤为关键。超声检测技术是钢轨焊缝无损检测最重要也是最普遍的检测手段，而常用的超声检测技术已经无法满足钢轨焊缝的检测需要，应不断强化检测能力，结合具体状况加以分析。基于此，本文概述超声检测技术、相控阵超声检测技术，重点探析相控阵技术的实际检测方案规划，以期为钢轨应用领域进一步优化提供参考性研究。

关键词：钢轨焊缝；超声检测；相控阵超声检测

引言：现如今，超声检测技术仍然是钢轨焊缝无损检测最主要的检测手段，常规的超声检测技术有很多，但钢轨焊缝缺陷的差异性较大，多种常用的探头难以对内部的所有缺陷实现有效反射，比如底部的过渡区域耦合较差，漏检情况较多。同时，采用多个常规探头检测的检测效率很低，易造成资源浪费。此外，常规超声检测技术一般通过A型显示来判伤，对复杂结构，主要依赖检测经验，易误判。为改善此种现状，探索新的检测技术十分必要。而相控阵超声检测技术在很大程度上弥补了这些不足，研究此项检测技术尤为关键。

一、超声检测

（一）超声检测技术

常规的超声检测探头大多采用单晶片或者双晶片探头，超声波声束以某一设定的角度沿声束轴线传播，声场特性比较单一。

常规的超声检测技术的主要有四种。其一，穿透法，借助脉冲波及连续波穿透工件后的能量变化，以判断被检测工件是否存在伤损。一般会同时使用两个探头，分别起到发射及接收信号的功能，二者放于工件的两侧。其二，脉冲反射法，利用探头将脉冲波打到工件的内部，声波以一定的方向和速度向前传播，遇到异质界面反射后被接收并显示，分析声波的幅度、位置等信息，评估缺陷。其三，共振法，一定频率的连续波在工件内传播，若构件本身厚度是发出声波半波长的整数倍时，便会发生共振，一旦有缺陷，振动的频率便会出现波动，由此产生两种频率，技术人员可借此大致判断工件内部是否连续。其四，衍射时差法，是利用缺陷部位的衍射波信号来检测和测定缺陷尺寸的一种方法，通常使用纵波斜探头，采用一发一收模式。

（二）相控阵超声检测技术

相控阵探头的设计基于惠更斯原理，与常规探头相比，它由多个相互独立的晶片组成阵列。相控阵技术通过软件精准的控制阵列探头中各晶片的激励（或接收）脉冲的时间延迟，改变由各晶片发射（或接收）声波到达（或来自）物体内某点时的相位关系，实现声束的聚焦和偏转，完成相控阵波束合成，形成成像扫描线的技术，如图1所示。

图 1 相控阵原理图

具体而言，该项技术借助探头阵列中各个晶片激发时间点可独立控制的优势，以精确调整检测位置。相控阵检测系统能利用计算机软件编程实现个性化地设计，采用电子方法控制激发，声束方向可自由变换，聚焦点可以自由调节甚至能实现动态聚焦，实时聚焦能够提升工件缺陷信噪比，以从不同角度强化检测质量，且电子扫查比普通常规超声的光栅扫查快很多，检测速度成倍提高。此项技术应用的扇形扫查，无需频繁更换探头就能切实扩大检测的覆盖面，可以缩短检测的周期，同时相控阵成像相对可视化的特点，应用A/B/C/D/S等各种显示模式，使得判断更为准确^[1]。同时，相控阵探头具有良好的声束可达性，复杂工件一般需要多个探头分区域多次扫查，相控阵只需要一个或者一对阵列探头就能完成。

二、相控阵超声检测方案规划

在钢轨的焊缝检测项目中，缺陷主要呈点状或面积型状态。前者体现在焊缝中的夹渣、夹杂、缩孔等缺陷，而后者会呈现光斑、未焊透、不同类型的裂纹等。本文主要分析的检测技术属于一项多通道可控的扫描技术，可通过不同显示的成像技术直观看到工件内的状态，能合理扩大工件检测范围，并有利于优化检测步骤，且可实现较高的作业精度，减少漏检、误判。对不同类型的缺陷，需采用适宜的检测方案，以确保判断的准确性。实际操作中，需先进行面积型缺陷判断，基于此开展体积型的检测。

（一）面积型缺陷线扫模式

先采取单个线阵相控阵探头配楔块进行线性扫查，扫查钢轨焊缝中是否存在面积型缺陷。厚度较小部位，可选用部分阵元负责发射脉冲信号，其余阵元负责接收回波信号。厚度偏大部位，应使所有的阵元一起发射脉冲波，并一起接收信号波。具体操作为：将相控阵探头置于各检测面上，按照既定的检测方案检测，根据不同的位置合理选择探头、设定延时聚焦，并确保钢轨焊缝的全覆盖。

（二）体积型缺陷扇扫模式

完成上述扫查过程后，调整扫查方式为扇形扫查，对可能存在的体积型缺陷进行检测。

（三）具体方案规划

将单个或一对的相控阵探头放于钢轨的轨头、轨腰及轨底，并合理应用上文提到的两种检测形式，针对钢轨的焊缝及热影响部分实施全方位地扫查，不同部位选用差异化检测形式。本文主要介绍单个阵列的扇形扫查设计。

其一，轨头。采用单个参数合适的相控阵探头配0度楔块（推荐5L32-0.5×10），将探头置于钢轨踏面横向放置，进行±45°扇形扫查，利用一次波及二次波使得轨头全覆盖，见图2。其二，轨腰。采用单个参数合适的相控阵探头配一定角度楔块（推荐4L16-0.5×10-N45S），将探头置于钢轨踏面纵向放置，离焊缝中心某一位置开始检测（或两个固定位置）并应用扇形扫查，使得轨腰全覆盖，见图3。其三，轨底。采用单个参数合适的相控阵探头配一定角度楔块（推荐5L16-0.5×20-N55S），将探头置于轨底三角斜面上纵向放置，离焊缝中心某一位置开始检测（或两个固定位置）并应用扇形扫查，沿着三角斜面上下扫查，使得轨底全覆盖，见图4。检测底面若出现不平整情况，若直接进行检测，得到的回波无法保证真实反映钢轨焊缝内部情况。为此使用夹具，换成一对相控阵探头，放在钢轨轨头和轨底，分别实现发射和接收，同时应用扇形扫查方式完成整个检测过程。在某些固定探头的状态下，应用上文规划方案，可呈现出较佳的检测效果，基本能代替常规的K型处理模式^[2]。

图 2 轨头检测图 图 3 轨腰检测图 图4 轨底检测图

结束语：综上所述，目前钢轨焊缝的缺陷检测方式应当实施全面地优化。相控阵超声检测技术能针对面积型与体积型的缺陷实施全覆盖的有效扫查，且一定程度上简化了检测步骤，提高了检测效率，减少了漏查、误判等问题。但是，钢轨焊缝相控阵超声检测实践应用仍需进一步探索。

参考文献：

[1]李锦,周正干,李洋,等.钢轨焊缝相控阵超声检测技术研究[J].铁道技术监督,2019,47(06):17-22.

[2]张俊岭,王子成,陈潇,等.基于相控阵的高速铁路钢轨超声探伤检测系统[J].中国机械工程,2019,30(03):339-344.