李 劍，張國強(qiáng)，張 偉，徐鵬程，趙 波，王 禎，李 曦

(1.大秦鐵路股份有限公司朔州工務(wù)段，山西 太原 030013；2.北京主導(dǎo)時(shí)代科技有限公司，北京 100070)

1 概述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)鋼軌焊縫數(shù)量超過280萬個(gè)，2021年全路斷軌數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中有1/2斷軌事故與焊接接頭有關(guān)，其中鋁熱焊占焊接接頭斷裂的81%[1-2]，因此鋼軌焊縫檢測備受重視?，F(xiàn)有鋼軌焊縫檢測工藝主要存在以下問題：焊縫檢測工序繁瑣、焊縫區(qū)域覆蓋不全、檢測結(jié)果顯示不直觀等，直接影響線路車間鋼軌焊縫檢測作業(yè)質(zhì)量。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 相控陣超聲技術(shù)

常規(guī)超聲波探頭通常采用一個(gè)壓電晶片的高速振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，并通過角度楔塊實(shí)現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)，且只能產(chǎn)生一個(gè)固定波束，其波束方向是預(yù)先設(shè)計(jì)且不能更改的(見圖1)。

圖1 常規(guī)超聲探頭波束控制發(fā)射與接收

相控陣超聲波探頭是由多個(gè)小的壓電晶片按照一定規(guī)律進(jìn)行分布排列(見圖2)，形成陣列式探頭。其中每個(gè)壓電晶片可獨(dú)立工作，然后逐次按預(yù)先規(guī)定的延遲時(shí)間對(duì)各個(gè)晶片進(jìn)行激發(fā)，所有晶片發(fā)射的超聲波相互干涉疊加形成一個(gè)整體波陣面。通過改變激勵(lì)各個(gè)陣元的延遲時(shí)間可靈活有效地控制陣列主波束的偏轉(zhuǎn)方向、聚焦位置和焦點(diǎn)尺寸等[3]。

圖2 相控陣超聲探頭波束控制發(fā)射與接收

與傳統(tǒng)的超聲波檢測技術(shù)相比，相控陣超聲探傷技術(shù)具有超聲波束的方向可控和超聲波束的聚焦可控2個(gè)技術(shù)優(yōu)勢(見圖3～6)。除此之外，相控陣超聲檢測技術(shù)還具有檢測靈敏度高、檢測效率高、檢測結(jié)果直觀可視化、通過聲束偏轉(zhuǎn)增大聲場覆蓋性等優(yōu)勢[4]。

圖3 無時(shí)間延遲

2.2 焊縫超聲檢測原理

軌底焊縫檢測：采用相控陣橫掃技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同扭角70度探頭掃查軌底內(nèi)側(cè)和軌底角區(qū)域，并覆蓋軌腰與軌底圓弧處；采用PA70度探頭實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同扭角聲束定點(diǎn)聚焦在軌底近表面區(qū)域(見圖7)；PA70度探頭超聲通道橫向傾斜角度和聚焦位置可配置。檢測結(jié)果表明：PA70度探頭橫向偏轉(zhuǎn)掃查可替代原有的70度分區(qū)偏斜、縱向多次掃查，無需扭角即可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌底角、軌底三角區(qū)域的檢測，簡化了工序、提高了對(duì)軌底適應(yīng)性。

圖4 偏轉(zhuǎn)+聚焦

圖5 聚焦

圖6 偏轉(zhuǎn)

圖7 相控陣探頭±30檢測示意圖

相控陣多聲束掃查可以適應(yīng)軌底坡外形變化，利用PA70度探頭多角度偏轉(zhuǎn)可一次性檢出軌腰與軌底連接處月牙刻槽、軌底月牙刻槽、上軌底角月牙刻槽。

軌腰焊縫檢測：焊縫的軌腰區(qū)域主要危害來自與軌面垂直的灰斑、光斑等面狀缺陷，利用2只UT37度探頭在軌面組成串列式掃查模式(見圖8)，代替陣列式掃查架，既減少了探頭組合、減低通道復(fù)用復(fù)雜度，又實(shí)現(xiàn)了鋼軌焊墻區(qū)域全覆蓋檢測。

圖8 串列式掃查示意圖

軌頭及軌鄂焊縫檢測：采用相控陣橫掃技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同扭角70度探頭檢測軌頭內(nèi)外側(cè)區(qū)域、定點(diǎn)聚焦軌鄂區(qū)域以及自適應(yīng)不同磨耗鋼軌軌頭(見圖9)，替代原有的UT70度探頭分區(qū)偏斜、縱向掃查。檢測結(jié)果表明：軌頭PA70度探頭橫向偏轉(zhuǎn)掃查可替代原有的70度探頭分區(qū)偏斜、縱向多次掃查，簡化了掃查工序，超聲回波信號(hào)比常規(guī)70度探頭檢測軌顎月牙缺陷效果更優(yōu)。

圖9 軌面PA70度探頭波束橫向偏轉(zhuǎn)掃查

3 設(shè)備組成及功能

3.1 設(shè)備組成

相控陣鋼軌焊縫檢測系統(tǒng)主要由手推小車和焊縫掃查器等模塊組成(見圖10)，實(shí)現(xiàn)鋼軌焊縫的自動(dòng)化檢測，同時(shí)兼容鋼軌母材檢測。

圖10 相控陣鋼軌焊縫檢測系統(tǒng)

3.2 手推小車

手推小車主要由車架、平板電腦、超聲系統(tǒng)、耦合系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和電池等組成，采用相控陣超聲探頭并集成常規(guī)探頭后小車機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜性降低。工作時(shí)只需要在軌面焊縫區(qū)域推行一次即可完成檢測。工作時(shí)，將小車置于待檢鋼軌上，并收起4個(gè)陸行輪，扳動(dòng)指撥放下手推小車底部探頭組件，打開水閥后可實(shí)現(xiàn)在2～3 km/h速度下進(jìn)行探傷。

3.3 焊縫掃查器

焊縫掃查器主要機(jī)構(gòu)由軌面串列式和左/右側(cè)軌底PA70度超聲檢測模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)控制單元、掃查器磁吸固定結(jié)構(gòu)組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)超聲掃查模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)軌腰焊縫面狀缺陷和軌底焊縫缺陷自動(dòng)掃查，檢測時(shí)無需人工操作。

焊縫掃查器具有2種機(jī)械形態(tài)，第一種是閑置不使用時(shí)，把軌底焊縫PA70度探頭掃查模塊與掃查器主體放置在同一水平位置外掛在手推小車上，并用磁吸固定；第二種是檢測焊縫時(shí)，把掃查器從手推車取下，軌底焊縫PA70度探頭掃查模塊旋轉(zhuǎn)90度安裝到焊縫上，此時(shí)與掃查器主體呈90°垂直關(guān)系。

3.4 探傷模塊

探傷模塊由超聲主機(jī)、超聲轉(zhuǎn)接盒、鋼軌檢測組件、焊縫檢測組件、便攜式平板、指撥、編碼器等組成。其中鋼軌母材檢測組件包含5個(gè)超聲波探頭，焊縫檢測組件包含6個(gè)超聲波探頭，通過合理布局，保障了鋼軌焊縫區(qū)域的檢測覆蓋范圍。探頭參數(shù)及用途如表1所示。

表1 探頭參數(shù)及用途

3.5 設(shè)備功能

1)采用手推小車+焊縫掃查器方式對(duì)鋼軌焊縫全斷面檢測，具備自動(dòng)耦合、預(yù)留手工探傷和GPS定位功能。

2)具備檢測信號(hào)A/B/C/S掃同步關(guān)聯(lián)顯示，并進(jìn)行焊接全斷面成像顯示。

3)具備檢測數(shù)據(jù)保存及回放、缺陷報(bào)警、報(bào)告生成、打印功能。

4)鋼軌適應(yīng)性：適應(yīng)正線所有軌型。

5)焊接方式：適應(yīng)鋁熱焊、閃光焊、氣壓焊焊縫。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 掃查器檢測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

GHT-1a是《TBT 2658.21-2007 工務(wù)作業(yè) 第21部分：鋼軌焊縫超聲波探傷作業(yè)》規(guī)定的試塊，YN-1是鐵路工務(wù)領(lǐng)域內(nèi)使用的焊縫檢測疑難試塊(見圖11、圖12)，兩者都是鋼軌焊縫探傷必備試塊。

圖11 GHT-1a試塊

圖12 YN-1試塊

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)試塊焊縫軌頭、軌腰、軌底角及三角區(qū)域內(nèi)超聲全覆蓋，試塊缺陷檢出率100%，信噪比大于20 dB，檢測效果良好，具備焊縫全斷面自動(dòng)化檢測能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13～15和表2、表3所示。

圖13 串列式探頭檢測YN-1試塊1#軌鄂缺陷

圖14 PA探頭檢測YN-1試塊5#軌角缺陷

圖15 串列式探頭檢測GHT-1a試塊1～5#缺陷

表2 YN-1疑難試塊檢出情況統(tǒng)計(jì)表

表3 GHT-1a試塊檢出情況統(tǒng)計(jì)表

4.2 手推小車檢測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

手推小車測試GTS-60樣板軌信噪比合格標(biāo)準(zhǔn)不小于12 dB，實(shí)測信噪比大于18 dB，缺陷檢出率100%，滿足要求，如表4所示。

表4 GTS-60樣板軌檢出情況統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表4

5 結(jié)語

本文闡述了鋼軌焊縫現(xiàn)狀及探傷需要，開發(fā)了相控陣鋼軌焊縫檢測系統(tǒng)，介紹焊縫檢測系統(tǒng)的檢測原理和設(shè)計(jì)組成，并通過標(biāo)準(zhǔn)試塊的檢測驗(yàn)證。結(jié)果表明：在設(shè)計(jì)要求下系統(tǒng)各功能模塊布局合理，檢測效率高，檢出率100%，能為我國軌道焊縫探傷檢測提供新的保障。