相控陣鋼軌焊縫檢測系統的開發運用研究

李 劍，張國強，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段，山西 太原 030013；2.北京主導時代科技有限公司，北京 100070)

1 概述

據統計，國內鋼軌焊縫數量超過280萬個，2021年全路斷軌數據統計中有1/2斷軌事故與焊接接頭有關，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。現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、焊縫區域覆蓋不全、檢測結果顯示不直觀等，直接影響線路車間鋼軌焊縫檢測作業質量。

2 方案設計

2.1 相控陣超聲技術

常規超聲波探頭通常采用一個壓電晶片的高速振動產生超聲波，并通過角度楔塊實現波束的偏轉，且只能產生一個固定波束，其波束方向是預先設計且不能更改的(見圖1)。

圖1 常規超聲探頭波束控制發射與接收

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

圖2 相控陣超聲探頭波束控制發射與接收

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

圖3 無時間延遲

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實現多個不同扭角70度探頭掃查軌底內側和軌底角區域，并覆蓋軌腰與軌底圓弧處；采用PA70度探頭實現多個不同扭角聲束定點聚焦在軌底近表面區域(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。檢測結果表明：PA70度探頭橫向偏轉掃查可替代原有的70度分區偏斜、縱向多次掃查，無需扭角即可實現對軌底角、軌底三角區域的檢測，簡化了工序、提高了對軌底適應性。

圖4 偏轉+聚焦

圖5 聚焦

圖6 偏轉

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軌底坡外形變化，利用PA70度探頭多角度偏轉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、減低通道復用復雜度，又實現了鋼軌焊墻區域全覆蓋檢測。

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實現多個不同扭角70度探頭檢測軌頭內外側區域、定點聚焦軌鄂區域以及自適應不同磨耗鋼軌軌頭(見圖9)，替代原有的UT70度探頭分區偏斜、縱向掃查。檢測結果表明：軌頭PA70度探頭橫向偏轉掃查可替代原有的70度探頭分區偏斜、縱向多次掃查，簡化了掃查工序，超聲回波信號比常規70度探頭檢測軌顎月牙缺陷效果更優。

圖9 軌面PA70度探頭波束橫向偏轉掃查

3 設備組成及功能

3.1 設備組成

相控陣鋼軌焊縫檢測系統主要由手推小車和焊縫掃查器等模塊組成(見圖10)，實現鋼軌焊縫的自動化檢測，同時兼容鋼軌母材檢測。

圖10 相控陣鋼軌焊縫檢測系統

3.2 手推小車

手推小車主要由車架、平板電腦、超聲系統、耦合系統、電氣系統和電池等組成，采用相控陣超聲探頭并集成常規探頭后小車機械結構復雜性降低。工作時只需要在軌面焊縫區域推行一次即可完成檢測。工作時，將小車置于待檢鋼軌上，并收起4個陸行輪，扳動指撥放下手推小車底部探頭組件，打開水閥后可實現在2～3 km/h速度下進行探傷。

3.3 焊縫掃查器

焊縫掃查器主要機構由軌面串列式和左/右側軌底PA70度超聲檢測模塊、電機及驅動控制單元、掃查器磁吸固定結構組成。電機驅動超聲掃查模塊實現對軌腰焊縫面狀缺陷和軌底焊縫缺陷自動掃查，檢測時無需人工操作。

焊縫掃查器具有2種機械形態，第一種是閑置不使用時，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，把掃查器從手推車取下，軌底焊縫PA70度探頭掃查模塊旋轉90度安裝到焊縫上，此時與掃查器主體呈90°垂直關系。

3.4 探傷模塊

探傷模塊由超聲主機、超聲轉接盒、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個超聲波探頭，焊縫檢測組件包含6個超聲波探頭，通過合理布局，保障了鋼軌焊縫區域的檢測覆蓋范圍。探頭參數及用途如表1所示。

表1 探頭參數及用途

3.5 設備功能

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

2)具備檢測信號A/B/C/S掃同步關聯顯示，并進行焊接全斷面成像顯示。

3)具備檢測數據保存及回放、缺陷報警、報告生成、打印功能。

4)鋼軌適應性：適應正線所有軌型。

5)焊接方式：適應鋁熱焊、閃光焊、氣壓焊焊縫。

4 實驗驗證

4.1 掃查器檢測實驗驗證

GHT-1a是《TBT 2658.21-2007 工務作業 第21部分：鋼軌焊縫超聲波探傷作業》規定的試塊，YN-1是鐵路工務領域內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

經過實驗驗證，系統能夠實現試塊焊縫軌頭、軌腰、軌底角及三角區域內超聲全覆蓋，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化檢測能力。實驗結果如圖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計表

表3 GHT-1a試塊檢出情況統計表

4.2 手推小車檢測實驗驗證

手推小車測試GTS-60樣板軌信噪比合格標準不小于12 dB，實測信噪比大于18 dB，缺陷檢出率100%，滿足要求，如表4所示。

表4 GTS-60樣板軌檢出情況統計表

續表4

5 結語

本文闡述了鋼軌焊縫現狀及探傷需要，開發了相控陣鋼軌焊縫檢測系統，介紹焊縫檢測系統的檢測原理和設計組成，并通過標準試塊的檢測驗證。結果表明：在設計要求下系統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。