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1、钢轨焊缝超声波探伤技术及便携式成像系统涂占宽1，蒋指平2（1 中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京，100081；2 广州工务大修段红海焊轨厂，广州，511300）摘要：本文介绍了钢轨焊缝超声波探伤技术和一种新型的钢轨焊缝超声全断面成像系统。该系统具有A型和 B型两种显示方式，可同时完成轨头、轨腰、轨底三部分平面状缺陷和体积状缺陷的检测。能够实现探头扫查位置、A型显示信号和 B型显示图像的实时记录和回放。关键词：钢轨焊缝；超声探伤；全断面成像；B 型显示；数据回放1 前言无缝线路由于消除了钢轨轨缝对车轮的冲击，增加旅客乘车舒适度，并显著降低车轮及线路的维护成本而成为世界铁路、特别是高速铁路
2、的基础。目前，我国无缝线路里程已超过5 万公里，占铁路总里程的 60%以上，是列车全面大提速的重要基础。钢轨在焊接过程中，由于焊接方法工艺和材料等诸多因素的影响，焊缝中经常会出现危害性缺陷。这些缺陷如不及时检出，在使用过程中,会逐渐发展成疲劳裂纹，并可能造成钢轨折断，酿成重大交通事故。统计数据表明，近年来我国三分之二以上的断轨都发生在焊缝或焊缝热影响区部位，因此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。由于各种焊缝缺陷和焊缝轮廓反射面常常集中在一个很小的区域，超声探伤时，缺陷回波与焊缝轮廓反射波互相干扰、不易分辨，缺陷的识别和定量受人为因素影响较大，很容易造成误判和漏探
3、。目前，我国钢轨焊缝探伤技术水平相对较低，超声探伤设备还停留在A型显示、手工单探头扫查阶段，双探头专用扫查架使用率不高，还没有专用的钢轨焊缝成像探伤设备。本文介绍我单位最新的钢轨焊缝探伤研究成果钢轨焊缝超声波探伤技术及便携式成像系统及使用情况。2 钢轨焊缝探伤技术钢轨焊缝超声探伤时，通常根据缺陷的形状把缺陷分为体积状（或点状）缺陷和平面状缺陷两大类。其中，体积状（或点状）缺陷主要有夹杂、疏松缩孔过烧等。平面状缺陷主要有光斑、灰斑、裂纹、未焊透和疲劳裂纹等。焊缝中的体积状缺陷比较容易探测，这些缺陷没有明显的方向性，只要有声波入射，就会有一部分能量按原路返回，因而可用普通的单探头法进行探测。焊缝中
4、平面状缺陷的探测则要困难得多，主要是由于平面状缺陷一般都平行于焊缝，只能用横波进行斜入射探伤。但由于镜面发射等原因平面状缺陷很难用单探头方法检测（见图1.1），一般需要采用组合方式进行探测。图 1.1 平面状缺陷反射图 1.2 直角反射名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 5 页 -2.1 直角反射当缺陷靠近工件某一界面时，可以利用直角反射进行探测，如图1.2所示。在这种情况下，声波经缺陷和界面两次反射，然后沿着与入射方向平行的方向返回到探测面。由于缺陷靠近界面，反射声波与入射声波在探测面上分开的距离较小，因而可用同一探头进行接收。这种单探头探测法仅适用于靠近界面的平面
5、状缺陷的探测。2.2 K 型扫查图 1.3 K型扫查图 1.4 串列式扫查K型扫查如图1.3 所示，两只探头分别置于相对的两个探测面上，一只发射，一只接收，扫查时，两探头需相对或向背等速移动。2.3 串列式扫查前后串列式扫查如图1.4 所示，声波经缺陷和底面两次反射后返回探测面，被另一探头接收，两探头一前一后放置。探测点高度与两探头间距成正比，即两探头分开的距离越远，探测点越高。反之，两探头离得越近，探测点就越低，或离底面就越近。由此可见，当两探头由分到合或由合到分变化时，声波就从焊缝的上部扫查到底部，或从焊缝的底部扫查到上部。也可以说，要对焊缝从上到下或从下到上的扫查，就需要使两探头从分到合
6、或从合到分地移动。2.4 K 型扫查和串列式扫查的特点K型扫查和串列式扫查有如下两个显著特点：一是不管缺陷出现在焊缝的什么位置上，声波传播的总距离都一样，回波在荧光屏上的位置也相对固定，因而判伤很方便。K型扫查时声波传播的总距离等于串列式扫查传播距离的一半，且少一次声波反射，因而K型扫查时探伤灵敏度较串列式扫查高。二是对焊缝进行扫查时，两探头必须相对或相背等速移动，因而手工操作很难完成，一般都要借助专门的扫查装置。3 GHT-2 B 型钢轨焊缝探伤系统针对钢轨焊缝超声探伤焊筋波干扰大、缺陷信号不易识别、易误判和漏探、检测效率低等问题，我单位联合相关单位研制了GHT-2 B 型钢轨焊缝探伤系统，
7、该系统包括全断面显示超声探伤仪及专用探头扫查装置两部分。该系统采用6 只不同角度的探头，组合成三种双探头扫查、三种单探头扫查等6种不同的扫查方式，一次扫查即可同时完成体积状缺陷和平面状缺陷检测，并实时显示整个焊缝横断名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 5 页 -面投影、俯视投影、侧视投影三个方向的彩色B 型图像显示。全断面多维成像显示可以实现不同角度探头和不同扫查方式的相关信息的比对和验证，易于区分缺陷波和干扰波，防止误判和漏检，提高扫查效率和探伤可靠性。3.1 GHT-2 B型钢轨焊缝超声波探伤仪主要功能及特点3.1.1 全断面三维投影图像显示探伤仪具备A型和 B型
8、两种显示方式。系统采用三个窗口分别显示轨底、轨腰、轨头三个不同的部位 A 扫回波信号，单探头回波和双探头回波可以切换，既可单独显示也可同时显示，二者用不同的颜色进行区分。系统采用另外三个窗口同时进行轨底、轨腰、轨头三个部位的B 扫图形及焊缝横断面成像显示，首次实现了整个焊缝横断面投影、俯视投影、侧视投影三个方向的成像显示。3.1.2扫查过程记录及不同阈值回放分析存贮数据系统可实时动态记录并存储探伤扫查过程中探头的位置信息、超声回波A显信号及图像显示。数据回放和分析时，既可以选定具体的A 显回波进行细节分析、也可以改变不同的灵敏度进行不同的图像显示。这是国内首次将这一技术应用到钢轨焊缝探伤上，该
9、技术的使用，可以对一些不易判断的焊缝，线上检测时用较高的灵敏度进行扫查，线下再进行详细分析，以防止漏检和误判、并提高线上检测效率。探伤仪可同时存储约2 万个焊缝探伤数据，数据回放时可以按探伤日期、探伤人员及自定义模式进行检索。探伤数据既可以USB接口导出，也可以网线模式上传，便于探伤数据的管理。3.1.3 PAC扫查和 PAC曲线定量用双探头法对钢轨焊缝进行K型扫查和串列式扫查时，尽管声波传播路程为一常数，但当缺陷位于不同位置时，由于探头声场受自身扩散及钢轨界面的制约，使得焊缝各处的声压并不相等，同样大小的缺陷位于焊缝不同部位时，反射波高会有很大差别。即缺陷反射声波不仅与传播距离有关，还会与缺
10、陷所处部位的形状有关。为区别于距离幅度控制（DAC），本系统首次提出了位置幅度控制（PAC）的概念，并设计了PAC扫查和PAC显示，为准确测定缺陷的当量大小，进而正确判断焊缝质量提供了必要的方法和手段。3.2 GHT-2 多功能钢轨焊缝全断面扫查装置主要功能及特点3.2.1该扫查装置首次采用同步带驱动探头，结构简单，重量轻，探头走行平稳、连续，声波耦合稳定、定位精度高。能同时对轨头、轨腰和轨底三部位进行扫查，扫查效率高。3.2.2 扫查行程大于等于132mm，能够适用于43kg/m75kg/m 钢轨焊缝探伤。3.2.3 扫查方式及探头配置：轨腰串列式或K型扫查，探头 K0.75；轨底：K型扫查
11、，探头 K0.88；轨头：K型扫查，探头K1.2。3.2.4配置编码器和探头转换盒，既可与多通道专用探伤仪配套使用，也可与单通道通用探伤仪配套使用。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 5 页 -图 3.1 GHT-2 B型钢轨焊缝超声探伤系统4 现场试验4.1 钢轨试块试验结果GHT-1试块平底孔检测结果见图4.1，GHT-5试块横孔检测结果见图4.2。从图中可以很容易看出探头位置、反射体位置、图像显示之间的相互关系，便于缺陷的识别和定位。911109876541213图 4.1 GHT-1 试块及平底孔检测结果图 4.2 GHT-5 试块及横孔检测结果4.2 现场试
12、验结果GHT-2型钢轨焊缝探伤扫查装置研制成功后先后在北京铁路局和红海焊轨厂进行现场试验，并在中铁 12 局在京津城际高速铁路建造施工中进行了实际使用，受到探伤人员的好评。GHT-2B型钢轨焊缝探伤成像系统于2012 年 8 月先后在红海焊轨厂、小李庄焊轨厂、包头焊轨厂试用，多次发现缺陷接头。图4.是 2012 年 8 月 20 日检测编号0821120820.2 的焊缝探伤截图，轨底K名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 5 页 -型扫查发现距轨底一侧约90mm 处存在一 3-6dB 平底孔当量缺陷。调转焊缝扫查装置，从焊缝另一侧（推瘤侧）进行扫查，在焊缝原位置未发现
13、回波信号，但发现轨底焊筋干扰回波信号。为消除焊筋干扰，后将焊筋打磨消除重新探伤。探伤结果与打磨前相同，即一侧扫查发现回波信号，另一侧扫查未发现回波信号。为验证探伤结果，该焊缝进行5.2m 落锤试验，焊缝一次断裂，断口见图4.，发现一约2mm 3mm 灰斑缺陷，缺陷位置与探伤结果吻合。图 4.3 编号 0821120820.2 焊缝探伤截图图 4.4 编号 0821120820.2 焊缝断口5 结论GHT-2 B 型钢轨焊缝超声探伤系统首次实现了焊缝横断面投影、俯视投影、侧视投影三个方向的彩色 B 型图像显示，一次扫查，即可同时进行三种双探头扫查和三种单探头扫查，完成体积状缺陷和平面状缺陷的检测
14、。全断面多维成像显示可以实现不同角度探头和不同扫查方式的相关信息的比对和验证，方便区分缺陷波和干扰波，防止误判和漏检，提高探伤可靠性。探伤仪实时动态记录探伤扫查过程中探头的位置信息、超声回波A显信号及图像显示，并可以设置不同的灵敏度进行回放，便于探伤数据的分析、焊缝探伤数据的管理、缺陷焊缝的监控。参考文献：1 中国铁道科学研究院金属及化学研究所研究报告钢轨焊缝超声波探伤技术研究及设备研制 2012 作者简介:1.涂占宽：1972，男，副研究员，中国铁道科学研究院金属及化学研究所无损检测事业部，021-74025，2.蒋指平：1964，男，超声波探伤级，广州工务大修段红海焊轨厂名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 5 页 -