钢轨的相控阵串列式扫查检测

尹段泉，莫 若,李冈宇，谢 立

(1.国能朔黄铁路发展有限责任公司肃宁分公司，肃宁 062350；2.汕头市超声仪器研究所股份有限公司， 汕头 515041)

钢轨焊缝的缺陷情况比较复杂,若采用超声单晶斜探头对垂直于踏面的面积型缺陷(如未熔合、裂纹)进行检测，反射面与入射声束的倾角大，缺陷回波无法反射回探头，导致难以发现缺陷而漏检[1]。该类型缺陷危害极大，使用双探头串列式扫查法可有效将其检出。常规超声串列式扫查法只能检测一个垂直线上的缺陷，因为其只能发射一个角度的声波，所以检测时需要将探头布置在焊缝的左、中、右位置进行3次线覆盖检测，即使如此，还是有一定的漏检风险。另外，对于不同深度的反射体，串列式扫查得到的声程是一致的，即常规超声串列式扫查得到反射体的深度始终为板厚，无法在仪器上直接读取缺陷的实际深度位置信息，只能通过串列式扫查架上的刻度标识来粗略判定。

相控阵串列式扫查可同时激发多角度入射声波，可对整个焊缝进行体积性覆盖，一次扫查即可完成检测。通过相控阵仿真模拟，系统可以将缺陷的真实深度位置信息显示在钢轨焊缝的模拟示意图中，并提供缺陷的深度和水平位置信息。

1 超声串列式扫查

超声串列式扫查是将两个探头一前一后放置在焊缝一侧的钢轨踏面上进行扫查的一种检测方法，其中一个探头发射超声波，另一个探头接收超声波，当焊缝中存在垂直于检测面的缺陷时，部分超声波被缺陷反射至钢轨底面，经底面再次反射后，被接收探头接收到。

1.1 常规超声串列式扫查

常规超声串列式扫查存在较大的上下检测盲区，当两探头在B1和B2位置紧靠在一起时，探头不能完全检测根部的垂直型缺陷。当两探头间距达到极限时，无法扫查焊缝的上部缺陷(见图1，图中T为工件厚度)[2]。

图1 常规超声串列式扫查

常规超声串列式扫查存在左右检测盲区，在探头对应的某一位置上，只能检测某一深度的垂直型缺陷，并且当两探头在B1、B2和A1、A2位置时，分别能检出I、II处的垂直缺陷，但I、II两处缺陷处于同一垂直面，即探头移动不同的距离时，也只能检测一条垂直线上的缺陷，无法对其左右侧缺陷进行检测。

1.2 相控阵串列式扫查

相控阵超声的发射探头可以同时激发多个角度的声波，接收探头可以同时接收多个角度的反射回波(见图2)，两探头静止在一个位置即可检测多处不同位置的垂直型缺陷。图2中的探头静止时，4个角度声波可检出的I、II、III、IV 4处缺陷并不在同一垂直线上，即静止探头通过相控阵特有的同时激发多角度声波的能力，完成了水平方向的覆盖检测。两相控阵探头从紧靠状态往相反方向移动，相当于从上到下扫查了一个垂直面。在实际的工艺设置中，往往设置几十个角度的声束同时激发，对焊缝进行更为严密的覆盖，有效减小了常规超声串列式扫查的上下和左右检测盲区。

图2 相控阵串列式扫查

2 自动化串列式扫查系统

自动化相控阵串列式扫查系统组成如图3所示，其适用于钢轨焊缝(包括铝热焊、气压焊和闪光焊)轨腰部位的超声串列式扫查。该系统的主要特点是体积小、重量轻、携带方便、可自动化扫查、操作简单，其导轨及同步带两端设计有磁钢，可将扫查架牢固在钢轨踏面上。探头架固定于导轨直线轴承上，可携带两个相控阵探头进行相反方向移动，其与同步带夹紧位置可调。

图3 自动化相控阵串列式扫查系统组成示意

3 相控阵串列式扫查试验

3.1 工件模拟

根据钢轨的实际形状，将钢轨形状模拟到仪器中，不仅能更好地辅助用户确定或设置仪器的参数和内容，而且能帮助用户确定设置B扫描图像采集框的位置，获得钢轨的叠加视图，辅助判断缺陷在焊缝中的位置。工件的模拟形状越贴近真实工件，越利于检测和分析。

3.2 工艺设置

探头型号为4.0L16-0.5-9，楔块型号为8N55S，检测采用一发一收的信号收发模式。

分别将两探头安在扫查架上并放置在钢轨踏面上，对轨腰区域进行串列式扫查。扇扫角度为35°50°，角度间距为0.5°，聚焦深度为176 mm。常规超声串列式扫查需要在焊缝的左、中、右位置各扫查一次，而相控阵串列式扫查只需扫查一次即可完成对轨腰的高密度覆盖检测。

扫查架内部安装了编码器，其采用配套的连接线缆与探伤仪连接，可实时记录两个探头入射点的距离L和探头距焊缝中心的距离X，检测时可基于该数据，通过几何推演实现轨腰缺陷深度的自动计算，在工字型焊缝模拟图中显示缺陷的相应位置。

3.3 探伤灵敏度校准

将扫查架放置在钢轨焊缝试块踏面上，左右调整扫查架位置，使特定平底孔反射面所在的垂直面位于标尺45°与37°两刻度间，调节扫查架的探头调节旋钮，找到最高回波，设置自动增益，使该平底孔的最高回波波高为满屏的80%，然后根据探测面的情况进行适当的表面耦合补偿(2～6 dB)后，将该灵敏度作为轨腰部位串列式扫查的灵敏度。

3.4 扫查方法

将扫查架纵向平行放置在钢轨踏面中心，并使表示扫描线角度的标尺(第一排标尺)覆盖焊缝(见图4)，标尺上45°与37°刻度处分别位于钢轨焊缝两端，并对齐焊缝的融合线；调节扫查架探头旋钮，使两探头紧贴钢轨表面，保证探头耦合良好，此时两探头的前沿距离为最小值。

图4 扫查架放置现场

扫查架第一排标尺刻度表示不同的A扫描线角度，每个刻度垂直对应下方同一垂直线上的缺陷，表示该角度的扫描线负责检测该垂直线上的缺陷，即该刻度尺也表示扫查架一次性可覆盖的宽度范围。当在仪器中发现某个角度的A扫描线上出现缺陷影像时，该缺陷的水平位置必然体现在刻度尺上。因此，相控阵串列式扫查架相对于常规超声串列式扫查架，除了能在刻度尺上读取缺陷深度，还能读取缺陷的水平位置信息。

该扫查架有2种扫查方式，一是手动调节扫查架上的旋钮，使两探头向扫查架两端移动；二是点击遥控开关启动电机，拉动传动带进行自动化扫查。扫查时，仪器端同步对检测数据进行采集记录。

3.5 缺陷识别

采用串列式扫查时，不管两探头在什么位置，声波的声程都是一样的。经几何证明和试验，在进行多角度声波同时激发的串列式扫查检测时，焊缝中任何深度缺陷的反射波均会显示在扇扫图像中表示工件底面的位置处，即在扇扫视图中，缺陷图像都将显示在代表工件底面的蓝色实线上(见图5)。若反射图像不在该蓝色实线上，皆可认为是伪反射信号。

图5 轨腰的扇扫图像

发现缺陷信号后，调节A扫描线使其套住缺陷图像并找到最高回波，记录此时该A扫描线的角度，仪器将根据编码器获取的两探头前沿距离的信息计算出缺陷的水平位置和深度。缺陷定位原理如图6所示。

图6 缺陷定位原理示意

由几何运算可知，缺陷的水平距离l和深度H可表示为[3]

l=T×K-L/2

(1)

H=T-L/(2K)

(2)

式中：K为探头折射角的正切值。

4 检测结果验证

试验使用的试块型号为YN-1，其焊缝为钢轨铝热焊缝，宽度为40 mm，该试块制作了一些常见缺陷和特殊部位的缺陷，试块结构如图7所示。其焊缝断面分布有3个垂直于踏面的面积型缺陷：1#缺陷位于轨头下颚部位，深度为45 mm(即与踏面的距离，下同)；2#缺陷位于轨腰中部，深度为55 mm；3#缺陷位于轨底斜面与轨腰的结合部位，深度为135 mm[4]。3个缺陷的扇扫图像及实际位置如图810所示。

图7 YN-1型试块结构示意

图8 1#缺陷的扇扫图像及实际位置示意

图9 2#缺陷的扇扫图像及实际位置示意

图10 3#缺陷的扇扫图像及实际位置示意

试块YN-1中特殊位置的缺陷1#，2#，3#均被仪器检测出来，且仪器自动计算得到的缺陷深度和水平位置信息与用尺子测量的完全一致。

当缺陷影像出现在某个角度的A扫描线上时，该缺陷必然位于扫差架上相应的刻度之下，图810可验证该结论，图中仪器显示扫查到缺陷的A扫描线为37°，则在扫查架的刻度尺(第一排)37°下方的垂直线上发现缺陷。

由图810可看出，3个缺陷的影像均出现在蓝色实线处，即使3个缺陷的实际深度并不相同。这是因为串列式扫查一发一收的路径长度始终是相等的，并且等于声波一个来回的路径长度，只要工件厚度不变，该底面反射体回波显示的深度也始终不变[5]。在检出1#，2#，3#缺陷的同时，除了自动计算深度和水平位置外，仪器还将得到的定位信息模拟到工字型钢轨模拟图中，缺陷模拟的位置和缺陷在YN-1试块上的实际位置完全一致。

5 结论

(1) 相控阵超声串列式扫查较常规超声单一角度的串列式扫查具有更高的覆盖率，检出能力更强，检测效率更高。

(2) 相控阵超声串列式扫查可对扫查结果进行记录和存储，为识别缺陷提供更丰富的信息，缺陷位置显示直观。

(3) 常规超声串列式扫查只能从扫查架标尺粗略地读取缺陷的深度信息，而相控阵超声串列式扫查可直接在仪器上精确读取缺陷的深度和水平位置信息，并将缺陷的定位信息显示在工字型焊缝模拟图上。