钢轨焊缝的相控阵超声定点扫查工艺研究

陈选民，文晟



钢轨焊缝的相控阵超声定点扫查工艺研究

陈选民1，文晟2

(1. 广州铁路职业技术学院 轨道交通学院，广东 广州 510430；2. 华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642)

利用相控阵超声扇形扫描对钢轨焊缝进行快速扫查，通过计算超声波在楔块−工件界面的透射率，确定扇形扫描角度范围，进而研究钢轨焊缝的定点扫查工艺，设计专用位置标示尺。使用钢轨标准试块进行试验验证发现，相控阵扫描角度设置在30°~70°之间，位置标示尺标定10个位置即可实现试块的全面检测。本方法可以有效提高钢轨焊缝的检测效率，降低检测缺陷识别难度，同时可以将检测图像进行对比分析，具有可追溯性。

钢轨焊缝；相控阵超声；定点扫查；扇形扫描

钢轨焊缝作为钢轨的薄弱部分，在焊接过程中产生的缺陷容易发展成疲劳裂纹，其热影响区很容易发生断轨[1]。加强焊缝部位的超声探伤，是减少断轨确保安全最直接、最有效的技术措施。目前，常用的超声波A超检测技术，需要更换不同K值探头才能实现钢轨的全面扫查，而探头位置、角度、耦合条件都会对检测结果产生影响，在实验结果的可靠性，准确性和缺陷描述方面存在严重不足。而超声相控阵技术因其具有波束扫描、偏转和聚焦特性，在无损检测中具有效率高、结构盲区少的优 点[2−4]。基于相控阵扇形扫描的特点，检测可以通过调整扇形扫描的角度范围和探头位置实现声束覆盖待检测区域对焊缝进行全面检测。卢超等[5]利用超声相控阵技术对钢轨气压焊焊缝进行检测，取得很好的检测效率和检测效果。梁佳佳等[6]用超声相控阵检测镁合金炮弹壳体，并与传统单探头检测方法进行对比，从检测效率及精度验证该方法的有效性。但卢超等[5]在实验过程中需要对探头位置进行现场确定，无法做到快速有效地对钢轨焊缝进行检测。此外，入射角度如果在第一临界角和第二临界角之间，将发生波形转换，工件中只有横波，这时在检测同时必须考虑检测声能量的大小。姜学平等[7]通过楔块−钢界面的透射率，确定检测声能量，进而得到扇形扫描中角度上下限。但其并没有确定探头位置实现相控阵定点全面扫查。本文根据确定的相控阵扇形扫描角度，设计了专门用于钢轨焊缝相控阵检测的位置标示尺，实现探头扫查位置快速确定。使用GHT-5和GTS-60标准试块对标示尺进行验证。

1 方法

1.1 扫描角度

采用扇形扫描的方式对钢轨焊缝进行相控阵超声检测，阵列中相同晶片组发射的声束在最小扫描角度1和最大角度2内移动，在圆弧曲线轨迹范围内具有等角度间距的超声声束，如图1所示。

采用相控阵扫描钢轨焊缝时，如图2所示，声波从探头发射经过楔块后发生波形转换，转换成横波进入工件中。假设入射波为1，入射角为，经折射进入工件纵波为2，折射角为，转换横波为1，折射角为；经反射在楔块内纵波记为3，反射角为，转换横波为2，角度为；工件与楔块之间耦合剂厚度假设忽略不计，将楔块−工件接触面近似为固−固滑移界面。

图1 扇形扫描原理

图2 波形转换原理示意图

根据Snell定律，则有纵波入射在固－固滑移界面反射声波和透射声波振幅的关系[8]：

式中：表示入射角；表示转换横波的折射角；表示转换纵波的折射角；表示反射纵波的反射角；表示反射横波的反射角；为介质密度；c1和c2分别为纵波在楔块和工件中的速度；c1和c2分别为横波在楔块和工件中的速度；A，A和A分别为入射纵波、反射纵波和折射纵波振幅；B，B和B分别为入射横波、反射横波和折射横波振幅。

在入射角确定条件下，横波声能量透射率为：

由式(1)和(2)，即可计算出有机玻璃作为斜楔检测钢轨的声能量透射系数。在声能量能很好进入工件内部时，此时的入射角范围即可作为扇形扫描扫描角度范围。

1.2 定点检测

在被测钢轨焊缝的两侧选择10个检测位置放置相控阵超声探头对钢轨焊缝进行全覆盖检测，其中4个检测位置用于检测轨头部位，2个检测位置用于检测轨腰及轨底三角区部位，4个检测位置用于检测轨底角部位，检测位置如图3所示。

图3 检测位置示意图

如图4(a)所示，在进行钢轨焊缝轨头部位检测时，轨头1和轨头2检测位置需要满足点，即最小角度发出的超声声束与轨头和轨腰边界线的交点，离焊缝边缘线25 mm左右；点，即最大角度发出的超声声束与焊缝中心线的交点，离钢轨踏面的距离小于5 mm。图5(a)上面的虚线框为检测区域，但是图像观测区域还应包括下面的虚线框区域。同样，如图4(b)所示，轨头3和轨头4检测位置需要满足点离焊缝边缘线的距离等于25 mm，点距离对侧焊缝边界线大于25 mm。

(a) 轨头1和2位置；(b) 轨头3和4位置

(a) 轨头1和2位置；(b) 轨头3和4位置

对钢轨焊缝轨腰及轨底三角区部位进行检测时，在钢轨焊缝两侧的轨头踏面选择2个固定点位置，记为轨腰5和轨腰6并且关于焊缝中心线对称。如图6(a)和7(a)所示，轨腰5和轨腰6的位置需要满足扇形扫描的最小角度的超声声束与轨底底面的交点(点)离焊缝边缘线的距离等于25 mm；扇形扫描的最大角度的超声声束与焊缝对侧边缘线的交点(点)在轨头和轨腰边界线之上。

(a) 轨腰5和6位置；(b) 轨底7，8，9和10位置

(a) 轨腰5和6位置；(b) 轨底7，8，9和10位置

对钢轨焊缝轨底角部位检测时，在钢轨焊缝的两侧轨底斜面选择4个固定点位置，即轨底7，轨底8，轨底9和轨底10。其中，轨底 7和轨底8在轨底内侧，轨底9和轨底10在轨底外侧，轨底7和轨底8关于焊缝中心线对称，轨底9和轨底10关于焊缝中心线对称。如图6(b)和7(b)所示，依据扇形扫描的最小角度的超声声束经轨底底面反射后与轨底斜面的交点(点)离焊缝边缘线的距离等于25 mm。扇形扫描的最大角度的超声声束与轨底底面的交点(点)距离对侧焊缝边界线的距离大于25 mm。

2 实验与分析

2.1 扫描角度确定

如图8所示，相控阵扇扫时，实验采用16个晶片组成的线性阵列探头，晶片间距为0.5 mm，探头频率为4.0 MHz，楔块材料为有机玻璃，角度为36°。发射脉宽设为200 ns，重复频率设为1 500 Hz，探头与工件之间采用机油作为耦合剂[9]。

在此实验条件下，声束由楔块倾斜入射到钢轨中的声能量透射率随入射角度变化而变化。实验结果表明，入射角在25°~54°范围内，钢轨中没有入射纵波，折射角为37°~90°。考虑到相控阵超声检测中，偏转角度越大，声能量越小，声束指向性就会变差，检测能力就会越差，所以折射角一般不大于70°。因此，利用相控阵检测钢轨内部缺陷扇形扫描角度设置在30°~70°之间。

图8 相控阵检测系统组成图

2.2 位置标示尺设计

图9表示专门用于钢轨焊缝相控阵检测的位置标示尺。采用L型结构设计，水平面标识检测位置刻度并标识位置序号，竖直面加工3个安装孔用于安装磁吸扣，具有指示探头放置位置的功能，位置刻度包括焊缝中心线0刻度、位置1~10，同时还具有磁吸功能，能够对铁磁性材料进行吸附。进行探伤检测时，位置标示尺的0刻度位置对准钢轨焊缝中心线，通过磁吸吸附放置在轨头侧面。

图9 位置标示尺示意图

2.3 相控阵检测

使用设计的位置标示尺分别对标准试块GHT-5和GTS-60上的人工缺陷进行检测。针对轨头1和轨头2的位置主要检测轨头中部和下部的区域，因此对GHT-5型单探头试块B区的1号，2号，3号，4号和5号孔进行检测试验，检测图像如图10所示，孔在本侧焊筋部位是全部均能够清晰检出。在焊缝中心和对侧焊筋时，受到扇形扫描角度的限制只能检测出2号至5号孔。

(a) 假定孔在本侧焊筋；(b) 假定孔在焊缝中心；(c) 假定孔在对侧焊筋

轨头3和轨头4的位置主要检测轨头内外侧上角的近表面缺陷，因此试验采用GTS-60试块的平底孔Φ4×20人工缺陷，检测图像如图11所示，在二次波区域，孔本侧焊筋、焊缝中心、对侧焊筋的位置均能够检出。

轨头5和轨头6的位置主要检测轨腰及轨底三角区的区域，因此对GHT-5型单探头试块B区的4号，5号，6号，7号和8号孔进行检测，检测图像如图12所示，孔本侧焊筋、焊缝中心、对侧焊筋的位置均能够检出。

轨底7，8，9和10位置是利用一次波和二次波对轨底角进行检测，因此对GHT-5型单探头试块C区的1号、2号竖孔进行检测，检测图像如图13所示。从图中可以看出，竖孔能够明显检出，同时，一次波检测到竖孔底部，二次波检测到竖孔上部，因此图像有两处回波显示。

(a) 假定孔在本侧焊筋；(b) 假定孔在焊缝中心；(c) 假定孔在对侧焊筋

(a) 假定孔在本侧焊筋；(b) 假定孔在焊缝中心；(c) 假定孔在对侧焊筋

(a) 假定孔在本侧焊筋；(b) 假定孔在焊缝中心；(c) 假定孔在对侧焊筋

3 结论

1) 当入射角在25°~54°范围内，钢轨中只有横波，通过计算超声波在楔块−工件界面的透射率，得到扇形扫描角度范围在30°~70°之间时检测能力最好。

2) 针对传统定点工艺效率低的问题，提出采用10个定点位置对钢轨焊缝进行扫查的工艺，并设计位置标示尺。

3) 对标准试块进行检测，发现本文方法可以有效提高钢轨焊缝的检测效率。并且由于检测位置固定，对操作人员要求较低，无需丰富的探伤经验均可操作。

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(编辑 蒋学东)

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

广东省自然科学基金资助项目(2015A030310182)；广东省科技计划资助项目(2016A020210100)

陈选民(1963−)，男，湖南湘潭人，副教授，从事轨道超声无损检测方法研究；E−mail：Chenxuanmin8419@126.com