陳選民，文晟

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鋼軌焊縫的相控陣超聲定點(diǎn)掃查工藝研究

陳選民1，文晟2

(1. 廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，廣東 廣州 510430；2. 華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

利用相控陣超聲扇形掃描對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行快速掃查，通過(guò)計(jì)算超聲波在楔塊?工件界面的透射率，確定扇形掃描角度范圍，進(jìn)而研究鋼軌焊縫的定點(diǎn)掃查工藝，設(shè)計(jì)專用位置標(biāo)示尺。使用鋼軌標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，相控陣掃描角度設(shè)置在30°~70°之間，位置標(biāo)示尺標(biāo)定10個(gè)位置即可實(shí)現(xiàn)試塊的全面檢測(cè)。本方法可以有效提高鋼軌焊縫的檢測(cè)效率，降低檢測(cè)缺陷識(shí)別難度，同時(shí)可以將檢測(cè)圖像進(jìn)行對(duì)比分析，具有可追溯性。

鋼軌焊縫；相控陣超聲；定點(diǎn)掃查；扇形掃描

鋼軌焊縫作為鋼軌的薄弱部分，在焊接過(guò)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[1]。加強(qiáng)焊縫部位的超聲探傷，是減少斷軌確保安全最直接、最有效的技術(shù)措施。目前，常用的超聲波A超檢測(cè)技術(shù)，需要更換不同K值探頭才能實(shí)現(xiàn)鋼軌的全面掃查，而探頭位置、角度、耦合條件都會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，準(zhǔn)確性和缺陷描述方面存在嚴(yán)重不足。而超聲相控陣技術(shù)因其具有波束掃描、偏轉(zhuǎn)和聚焦特性，在無(wú)損檢測(cè)中具有效率高、結(jié)構(gòu)盲區(qū)少的優(yōu) 點(diǎn)[2?4]?；谙嗫仃嚿刃螔呙璧奶攸c(diǎn)，檢測(cè)可以通過(guò)調(diào)整扇形掃描的角度范圍和探頭位置實(shí)現(xiàn)聲束覆蓋待檢測(cè)區(qū)域?qū)缚p進(jìn)行全面檢測(cè)。盧超等[5]利用超聲相控陣技術(shù)對(duì)鋼軌氣壓焊焊縫進(jìn)行檢測(cè)，取得很好的檢測(cè)效率和檢測(cè)效果。梁佳佳等[6]用超聲相控陣檢測(cè)鎂合金炮彈殼體，并與傳統(tǒng)單探頭檢測(cè)方法進(jìn)行對(duì)比，從檢測(cè)效率及精度驗(yàn)證該方法的有效性。但盧超等[5]在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)探頭位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確定，無(wú)法做到快速有效地對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行檢測(cè)。此外，入射角度如果在第一臨界角和第二臨界角之間，將發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，工件中只有橫波，這時(shí)在檢測(cè)同時(shí)必須考慮檢測(cè)聲能量的大小。姜學(xué)平等[7]通過(guò)楔塊?鋼界面的透射率，確定檢測(cè)聲能量，進(jìn)而得到扇形掃描中角度上下限。但其并沒有確定探頭位置實(shí)現(xiàn)相控陣定點(diǎn)全面掃查。本文根據(jù)確定的相控陣扇形掃描角度，設(shè)計(jì)了專門用于鋼軌焊縫相控陣檢測(cè)的位置標(biāo)示尺，實(shí)現(xiàn)探頭掃查位置快速確定。使用GHT-5和GTS-60標(biāo)準(zhǔn)試塊對(duì)標(biāo)示尺進(jìn)行驗(yàn)證。

1 方法

1.1 掃描角度

采用扇形掃描的方式對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行相控陣超聲檢測(cè)，陣列中相同晶片組發(fā)射的聲束在最小掃描角度1和最大角度2內(nèi)移動(dòng)，在圓弧曲線軌跡范圍內(nèi)具有等角度間距的超聲聲束，如圖1所示。

采用相控陣掃描鋼軌焊縫時(shí)，如圖2所示，聲波從探頭發(fā)射經(jīng)過(guò)楔塊后發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成橫波進(jìn)入工件中。假設(shè)入射波為1，入射角為，經(jīng)折射進(jìn)入工件縱波為2，折射角為，轉(zhuǎn)換橫波為1，折射角為；經(jīng)反射在楔塊內(nèi)縱波記為3，反射角為，轉(zhuǎn)換橫波為2，角度為；工件與楔塊之間耦合劑厚度假設(shè)忽略不計(jì)，將楔塊?工件接觸面近似為固?固滑移界面。

圖1 扇形掃描原理

圖2 波形轉(zhuǎn)換原理示意圖

根據(jù)Snell定律，則有縱波入射在固－固滑移界面反射聲波和透射聲波振幅的關(guān)系[8]：

式中：表示入射角；表示轉(zhuǎn)換橫波的折射角；表示轉(zhuǎn)換縱波的折射角；表示反射縱波的反射角；表示反射橫波的反射角；為介質(zhì)密度；c1和c2分別為縱波在楔塊和工件中的速度；c1和c2分別為橫波在楔塊和工件中的速度；A，A和A分別為入射縱波、反射縱波和折射縱波振幅；B，B和B分別為入射橫波、反射橫波和折射橫波振幅。

在入射角確定條件下，橫波聲能量透射率為：

由式(1)和(2)，即可計(jì)算出有機(jī)玻璃作為斜楔檢測(cè)鋼軌的聲能量透射系數(shù)。在聲能量能很好進(jìn)入工件內(nèi)部時(shí)，此時(shí)的入射角范圍即可作為扇形掃描掃描角度范圍。

1.2 定點(diǎn)檢測(cè)

在被測(cè)鋼軌焊縫的兩側(cè)選擇10個(gè)檢測(cè)位置放置相控陣超聲探頭對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行全覆蓋檢測(cè)，其中4個(gè)檢測(cè)位置用于檢測(cè)軌頭部位，2個(gè)檢測(cè)位置用于檢測(cè)軌腰及軌底三角區(qū)部位，4個(gè)檢測(cè)位置用于檢測(cè)軌底角部位，檢測(cè)位置如圖3所示。

圖3 檢測(cè)位置示意圖

如圖4(a)所示，在進(jìn)行鋼軌焊縫軌頭部位檢測(cè)時(shí)，軌頭1和軌頭2檢測(cè)位置需要滿足點(diǎn)，即最小角度發(fā)出的超聲聲束與軌頭和軌腰邊界線的交點(diǎn)，離焊縫邊緣線25 mm左右；點(diǎn)，即最大角度發(fā)出的超聲聲束與焊縫中心線的交點(diǎn)，離鋼軌踏面的距離小于5 mm。圖5(a)上面的虛線框?yàn)闄z測(cè)區(qū)域，但是圖像觀測(cè)區(qū)域還應(yīng)包括下面的虛線框區(qū)域。同樣，如圖4(b)所示，軌頭3和軌頭4檢測(cè)位置需要滿足點(diǎn)離焊縫邊緣線的距離等于25 mm，點(diǎn)距離對(duì)側(cè)焊縫邊界線大于25 mm。

(a) 軌頭1和2位置；(b) 軌頭3和4位置

(a) 軌頭1和2位置；(b) 軌頭3和4位置

對(duì)鋼軌焊縫軌腰及軌底三角區(qū)部位進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，在鋼軌焊縫兩側(cè)的軌頭踏面選擇2個(gè)固定點(diǎn)位置，記為軌腰5和軌腰6并且關(guān)于焊縫中心線對(duì)稱。如圖6(a)和7(a)所示，軌腰5和軌腰6的位置需要滿足扇形掃描的最小角度的超聲聲束與軌底底面的交點(diǎn)(點(diǎn))離焊縫邊緣線的距離等于25 mm；扇形掃描的最大角度的超聲聲束與焊縫對(duì)側(cè)邊緣線的交點(diǎn)(點(diǎn))在軌頭和軌腰邊界線之上。

(a) 軌腰5和6位置；(b) 軌底7，8，9和10位置

(a) 軌腰5和6位置；(b) 軌底7，8，9和10位置

對(duì)鋼軌焊縫軌底角部位檢測(cè)時(shí)，在鋼軌焊縫的兩側(cè)軌底斜面選擇4個(gè)固定點(diǎn)位置，即軌底7，軌底8，軌底9和軌底10。其中，軌底 7和軌底8在軌底內(nèi)側(cè)，軌底9和軌底10在軌底外側(cè)，軌底7和軌底8關(guān)于焊縫中心線對(duì)稱，軌底9和軌底10關(guān)于焊縫中心線對(duì)稱。如圖6(b)和7(b)所示，依據(jù)扇形掃描的最小角度的超聲聲束經(jīng)軌底底面反射后與軌底斜面的交點(diǎn)(點(diǎn))離焊縫邊緣線的距離等于25 mm。扇形掃描的最大角度的超聲聲束與軌底底面的交點(diǎn)(點(diǎn))距離對(duì)側(cè)焊縫邊界線的距離大于25 mm。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 掃描角度確定

如圖8所示，相控陣扇掃時(shí)，實(shí)驗(yàn)采用16個(gè)晶片組成的線性陣列探頭，晶片間距為0.5 mm，探頭頻率為4.0 MHz，楔塊材料為有機(jī)玻璃，角度為36°。發(fā)射脈寬設(shè)為200 ns，重復(fù)頻率設(shè)為1 500 Hz，探頭與工件之間采用機(jī)油作為耦合劑[9]。

在此實(shí)驗(yàn)條件下，聲束由楔塊傾斜入射到鋼軌中的聲能量透射率隨入射角度變化而變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，入射角在25°~54°范圍內(nèi)，鋼軌中沒有入射縱波，折射角為37°~90°?？紤]到相控陣超聲檢測(cè)中，偏轉(zhuǎn)角度越大，聲能量越小，聲束指向性就會(huì)變差，檢測(cè)能力就會(huì)越差，所以折射角一般不大于70°。因此，利用相控陣檢測(cè)鋼軌內(nèi)部缺陷扇形掃描角度設(shè)置在30°~70°之間。

圖8 相控陣檢測(cè)系統(tǒng)組成圖

2.2 位置標(biāo)示尺設(shè)計(jì)

圖9表示專門用于鋼軌焊縫相控陣檢測(cè)的位置標(biāo)示尺。采用L型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，水平面標(biāo)識(shí)檢測(cè)位置刻度并標(biāo)識(shí)位置序號(hào)，豎直面加工3個(gè)安裝孔用于安裝磁吸扣，具有指示探頭放置位置的功能，位置刻度包括焊縫中心線0刻度、位置1~10，同時(shí)還具有磁吸功能，能夠?qū)﹁F磁性材料進(jìn)行吸附。進(jìn)行探傷檢測(cè)時(shí)，位置標(biāo)示尺的0刻度位置對(duì)準(zhǔn)鋼軌焊縫中心線，通過(guò)磁吸吸附放置在軌頭側(cè)面。

圖9 位置標(biāo)示尺示意圖

2.3 相控陣檢測(cè)

使用設(shè)計(jì)的位置標(biāo)示尺分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊GHT-5和GTS-60上的人工缺陷進(jìn)行檢測(cè)。針對(duì)軌頭1和軌頭2的位置主要檢測(cè)軌頭中部和下部的區(qū)域，因此對(duì)GHT-5型單探頭試塊B區(qū)的1號(hào)，2號(hào)，3號(hào)，4號(hào)和5號(hào)孔進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，檢測(cè)圖像如圖10所示，孔在本側(cè)焊筋部位是全部均能夠清晰檢出。在焊縫中心和對(duì)側(cè)焊筋時(shí)，受到扇形掃描角度的限制只能檢測(cè)出2號(hào)至5號(hào)孔。

(a) 假定孔在本側(cè)焊筋；(b) 假定孔在焊縫中心；(c) 假定孔在對(duì)側(cè)焊筋

軌頭3和軌頭4的位置主要檢測(cè)軌頭內(nèi)外側(cè)上角的近表面缺陷，因此試驗(yàn)采用GTS-60試塊的平底孔Φ4×20人工缺陷，檢測(cè)圖像如圖11所示，在二次波區(qū)域，孔本側(cè)焊筋、焊縫中心、對(duì)側(cè)焊筋的位置均能夠檢出。

軌頭5和軌頭6的位置主要檢測(cè)軌腰及軌底三角區(qū)的區(qū)域，因此對(duì)GHT-5型單探頭試塊B區(qū)的4號(hào)，5號(hào)，6號(hào)，7號(hào)和8號(hào)孔進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)圖像如圖12所示，孔本側(cè)焊筋、焊縫中心、對(duì)側(cè)焊筋的位置均能夠檢出。

軌底7，8，9和10位置是利用一次波和二次波對(duì)軌底角進(jìn)行檢測(cè)，因此對(duì)GHT-5型單探頭試塊C區(qū)的1號(hào)、2號(hào)豎孔進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)圖像如圖13所示。從圖中可以看出，豎孔能夠明顯檢出，同時(shí)，一次波檢測(cè)到豎孔底部，二次波檢測(cè)到豎孔上部，因此圖像有兩處回波顯示。

(a) 假定孔在本側(cè)焊筋；(b) 假定孔在焊縫中心；(c) 假定孔在對(duì)側(cè)焊筋

(a) 假定孔在本側(cè)焊筋；(b) 假定孔在焊縫中心；(c) 假定孔在對(duì)側(cè)焊筋

(a) 假定孔在本側(cè)焊筋；(b) 假定孔在焊縫中心；(c) 假定孔在對(duì)側(cè)焊筋

3 結(jié)論

1) 當(dāng)入射角在25°~54°范圍內(nèi)，鋼軌中只有橫波，通過(guò)計(jì)算超聲波在楔塊?工件界面的透射率，得到扇形掃描角度范圍在30°~70°之間時(shí)檢測(cè)能力最好。

2) 針對(duì)傳統(tǒng)定點(diǎn)工藝效率低的問(wèn)題，提出采用10個(gè)定點(diǎn)位置對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行掃查的工藝，并設(shè)計(jì)位置標(biāo)示尺。

3) 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)本文方法可以有效提高鋼軌焊縫的檢測(cè)效率。并且由于檢測(cè)位置固定，對(duì)操作人員要求較低，無(wú)需豐富的探傷經(jīng)驗(yàn)均可操作。

[1] 邢麗賢. 提速條件下鋼軌傷損特點(diǎn)及鋼軌傷損分類的研究[D]. 北京: 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院, 2008. XING Lixian. Research on defect characteristics and classification of higher speed rails[D]. Beijing: China Academy of Railway Sciences, 2008.

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(編輯 蔣學(xué)東)

Research on fixed-point scanning process of ultrasonic phased array in rail welds

CHEN Xuanmin1, WEN Sheng2

(1. College of Railway Transportation, Guangzhou Railway Polytechnic, Guangzhou 510430, China; 2. Engineering College, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

In order to test rail welds rapidly, phased array ultrasonic S-scan testing technology was used. The theoretical calculation of ultrasonic energy transmission coefficient through the plexiglass wedge-steel interface was carried out, then sector scan beam deflection angle range was calculated. Finally, the fixed-point scanning process was studied, and the special location ruler was designed. In the work, the rail weld standard blocks were employed. It is found that setting sector scan beam deflection angle range from 30° to 70° and ten fixed-points in the location ruler are feasible. The phased array ultrasonic S-scan testing technology with fixed-point scanning process in rail welds can effectively improve the testing efficiency, reduce the defects recognition, and compare the testing images with traceability.

rail welds; phased array ultrasonic testing; fixed-point scanning process; S-scan

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.08.031

TG115.28

A

1672 ? 7029(2018)08 ? 2148 ? 07

2017?06?15

廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015A030310182)；廣東省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016A020210100)

陳選民(1963?)，男，湖南湘潭人，副教授，從事軌道超聲無(wú)損檢測(cè)方法研究；E?mail：Chenxuanmin8419@126.com