鋼軌氣壓焊接頭的超聲相控陣檢測技術(shù)研究

盧 超，鄧 丹，陳文生，胡婷萍，門 平，3

(1.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南昌航空大學(xué))，南昌 330063;2.汕頭市超聲儀器研究所有限公司，廣東 汕頭 515041;3.中國人民解放軍海軍92601部隊(duì)，廣東 湛江 524009)

0 引言

氣壓焊是利用氧－乙炔氣體火焰加熱工件端頭，并施加足夠的壓力，以形成接頭的一種固態(tài)焊接技術(shù)。因其具有焊接設(shè)備簡單、體積小、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，便于線上、線下及工地移動，操作比較簡單，而且氣壓焊接頭在理論上具有上乘的強(qiáng)度、韌性及抗疲勞性，這些屬性超過了鋁熱焊和閃光焊的鋼軌焊接接頭，氣壓焊是鐵路無縫線路鋼軌現(xiàn)場焊接的重要手段之一，多年來為我國鐵路無縫線路的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。由于人為操作和現(xiàn)場差異對鋼軌氣壓焊焊接質(zhì)量有較大的不利影響，檢測鋼軌氣壓焊焊接質(zhì)量就顯得極為重要。

目前對鋼軌氣壓焊焊縫的質(zhì)量檢測工作一般采用超聲檢測方法，其檢測質(zhì)量直接關(guān)系到無縫線路的使用壽命和行車安全［1－4］。在超聲檢測過程中，需要更換不同K值探頭檢測鋼軌氣壓焊焊縫的不同區(qū)域，探傷過程耗時長;而我國鐵路工務(wù)日常探傷檢查鋼軌焊接接頭的數(shù)量多達(dá)約300萬個，檢測工作量大。在無損檢測領(lǐng)域，近年來的一個研究熱點(diǎn)就是超聲相控陣檢測技術(shù)［5］，利用計(jì)算機(jī)控制相控陣探頭中各個小晶片的激發(fā)和接收，對各個晶片施加不同的時間延遲，使各個晶片的波陣面產(chǎn)生波的干涉，實(shí)現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦。超聲相控陣技術(shù)與常規(guī)超聲脈沖法相比，其顯著特點(diǎn)就是具有靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能［6－10］，通過調(diào)節(jié)聲束偏轉(zhuǎn)角度，從而避免頻繁更換探頭。本文對含機(jī)械加工缺陷的鋼軌氣壓焊焊縫試樣進(jìn)行超聲相控陣檢測研究，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證超聲相控陣對氣壓焊焊縫檢測效果和檢測效率。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

相控陣檢測鋼軌氣壓焊接頭實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用的是汕頭超聲儀器研究所公司研制的CTS－602型相控陣儀器，為便攜式相控陣超聲探傷儀，具有指標(biāo)先進(jìn)、功能強(qiáng)大、圖像清晰、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。

CTS－602中有常規(guī)和相控陣超聲檢測2種使用模式，利用儀器上的USB接口將結(jié)果導(dǎo)出，方便存儲。儀器中一共有32個物理通道，能夠支持16/32/64/128陣元探頭。CTS－602中掃描模式分為扇掃和線掃2種。雙極性方波發(fā)射，發(fā)射脈寬可根據(jù)采用的探頭選擇，儀器調(diào)節(jié)范圍為40～500 ns，分辨率達(dá)640×480，成像結(jié)果清晰。

相控陣扇掃時，實(shí)驗(yàn)采用16個晶片組成的線性陣列探頭(圖2a)，晶片間距為0.5mm，探頭頻率為4.0MHz，楔塊角度為36°;相控陣線掃時，實(shí)驗(yàn)采用64個晶片組成的線性陣列探頭(圖2b)，晶片間距為1mm，探頭頻率為5.0MHz。

實(shí)驗(yàn)采用鐵道行業(yè)超聲檢測鋼軌焊縫標(biāo)準(zhǔn)中專用鋼軌試塊GHT－5定標(biāo)及確定靈敏度，試塊分區(qū)如圖3所示，A區(qū)全部為φ5mm橫孔，B區(qū)全部為φ3mm橫孔，C區(qū)為兩φ4mm豎孔。軌頭和軌腰的靈敏度由GHT－5試塊B區(qū)確定，軌底的靈敏度由GHT－5試塊C區(qū)確定。

圖3 GHT－5試塊分區(qū)示意圖Fig.3 Different regions of GHT－5

2 超聲相控陣檢測實(shí)驗(yàn)

2.1 缺陷試樣制作及儀器調(diào)試

鋼軌氣壓焊焊縫缺陷試樣由南昌鐵路局九江工務(wù)段設(shè)計(jì)和制作。試樣含有機(jī)械加工的一定孔徑的缺陷，圖4為焊縫實(shí)物和缺陷設(shè)計(jì)圖，軌頭、軌底鉆孔直徑為4mm，軌腰為5mm，軌腰為橫通孔，缺陷位置及尺寸如圖4所示。

圖4 鋼軌氣壓焊焊縫實(shí)物及缺陷設(shè)計(jì)圖Fig.4 Gas pressure welding of rail and defect size

鋼軌氣壓焊焊縫試樣超聲相控陣掃查時，發(fā)射脈寬設(shè)為200 ns，重復(fù)頻率設(shè)為1500 Hz，探頭與工件之間采用機(jī)油作為耦合劑。扇形掃查時角度設(shè)為30°～70°。目前國內(nèi)外針對超聲相控陣檢測沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。參照常規(guī)超聲脈沖發(fā)射法，通過調(diào)節(jié)聲速和垂直零點(diǎn)使用GHT－5試塊對超聲相控陣儀器進(jìn)行定標(biāo)。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)鐵道行業(yè)超聲檢測鋼軌焊縫標(biāo)準(zhǔn)，對鋼軌氣壓焊進(jìn)行軌頭、軌腰、軌底分區(qū)檢測。將定標(biāo)好的儀器按照各個區(qū)域確定的靈敏度，在含缺陷的氣壓焊焊縫上進(jìn)行缺陷檢測。相控陣扇掃時，將相控陣斜探頭放在鋼軌踏面上檢測軌頭和軌腰區(qū)域，放在軌底斜面上檢測軌底區(qū)域。對于靠近鋼軌踏面上表面的缺陷和靠近軌底上表面的缺陷往往需要利用二次波掃查。各缺陷檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5 相控陣扇掃結(jié)果圖Fig.5 Phased array sector scan result

在缺陷的檢測結(jié)果圖中，圓圈內(nèi)表示缺陷的圖像，左邊是A掃脈沖波形，閘門內(nèi)位缺陷對應(yīng)的脈沖發(fā)射波，線掃的結(jié)果中也如此表示，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與缺陷實(shí)際狀況基本吻合。

相控陣線掃時，將探頭放在鋼軌踏面掃查軌頭和軌腰區(qū)域，因?yàn)樘筋^大小的限制對軌底不做討論。由于設(shè)計(jì)的缺陷方向與直探頭聲束方向垂直，對軌頭和軌腰處的缺陷均能被很快檢出，成像效果好。圖6為軌腰處的4號缺陷相控陣線掃結(jié)果。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以說明，相控陣超聲檢測方法適用于鋼軌氣壓焊焊縫的檢測。從圖5、圖6可以觀察出，示波屏上缺陷圖成像清晰，雜波干擾少，檢測效果好。相控陣檢測鋼軌氣壓焊焊縫時可以實(shí)現(xiàn)多角度掃查，掃查靈活性好，操作簡單。從焊縫中心左右各50mm的區(qū)域?yàn)闄z測區(qū)域，在掃查過程中，當(dāng)探頭放置在一個位置上只需來回小范圍的移動就能完成對焊縫的掃查，并且可以不用像常規(guī)超聲波脈沖發(fā)射法那樣頻繁地?fù)Q探頭，縮短了檢測時間，實(shí)現(xiàn)高速探傷，有效地提高檢測效率。檢測結(jié)果即為鋼軌焊縫的側(cè)視圖，在視覺效果上，缺陷在焊縫中的位置顯現(xiàn)比較直觀，重現(xiàn)性好，有利于缺陷的發(fā)現(xiàn)和確定。

圖6 4號缺陷相控陣線掃結(jié)果Fig.6 Phased array linear scan result of No.4 flaw

3 結(jié)論

1)采用CTS－602便攜式相控陣超聲探傷儀，通過確定合理的實(shí)驗(yàn)參數(shù)和檢測方案，利用CTS－602對鋼軌氣壓焊焊縫進(jìn)行超聲相控陣檢測，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在鋼軌氣壓焊焊縫上的機(jī)械加工的缺陷位置上均能發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷圖像。

2)采用超聲相控陣技術(shù)檢測鋼軌氣壓焊焊縫，與常規(guī)單探頭和雙探頭串列法相比，能有效提高檢測效率，且具有掃查靈活性好、操作簡單、顯示結(jié)果直觀和重現(xiàn)性好等特點(diǎn)。

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