激光誘導(dǎo)擊穿光譜和激光超聲技術(shù)在鋼軌檢測(cè)中的應(yīng)用?

賈中青， 張振振， 姬光榮

(1．中國(guó)海洋大學(xué)計(jì)算機(jī)系， 山東 青島 266100； 2．齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)， 山東省科學(xué)院激光研究所， 山東 濟(jì)南 250103)

鐵路運(yùn)輸是最有效的陸上交通形式，具有運(yùn)輸能力大、運(yùn)輸成本低、能耗少等優(yōu)點(diǎn)，日益受到各國(guó)重視。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和高鐵時(shí)代的來臨，使得鐵路運(yùn)輸市場(chǎng)需求越來越大。而鋼軌是鐵路實(shí)現(xiàn)高速、重載運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)，其每年的使用量不斷增多。

鋼軌質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到鐵路運(yùn)行的安全與效率。因此，在工藝中，要做到鋼軌生產(chǎn)的“精煉”、“精軋”、“精整”、“在線檢測(cè)”等[1]，就是要達(dá)到化學(xué)成分、有害元素含量、夾雜物等反映內(nèi)部質(zhì)量的指標(biāo)。其在國(guó)家鋼軌標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了明確而嚴(yán)格的要求。因?yàn)椴煌氐膿诫s及其濃度會(huì)對(duì)鋼軌性能產(chǎn)生重要的影響，決定著鋼軌的實(shí)用性能及壽命；夾雜物、缺陷等直接決定著鐵路的安全運(yùn)行。因此，對(duì)鋼軌成分、結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)就變得尤為重要。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)是一種基于原子發(fā)射光譜的物質(zhì)成分分析技術(shù)，具有無需樣品預(yù)處理、快速、多元素同時(shí)測(cè)量等特點(diǎn)，是對(duì)物質(zhì)成分快速分析的理想手段和方法[2-5]；而激光超聲技術(shù)(LU)是對(duì)物質(zhì)夾雜物、裂紋、缺陷分析的熱門技術(shù)，其具有遠(yuǎn)距離非接觸、不存在檢測(cè)盲區(qū)、不受材料表面及幾何形狀的限制等優(yōu)點(diǎn)[6-10]。

一般來說，每一種探測(cè)方法或設(shè)備會(huì)有其特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但也不可避免的存在很多限制。一種單一的探測(cè)技術(shù)已不能滿足測(cè)試試樣復(fù)雜缺陷的要求。因此，結(jié)合多種技術(shù)方法更全面的獲得探測(cè)目標(biāo)的信息成為一種有效的方法和趨勢(shì)。

本文將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)與激光超聲技術(shù)相結(jié)合，探測(cè)鋼軌的化學(xué)成分及殘留元素，并且利用激勵(lì)出的超聲信號(hào)探測(cè)缺陷位置信息。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用 Nd：YAG 激光器作為激發(fā)和激勵(lì)光源，激光器的輸出波長(zhǎng)為 1 064 nm，工作頻率為 1 Hz，脈寬為6 ns，激光單脈沖能量為100 mJ。脈沖激光經(jīng)過焦距為100 mm 的聚焦透鏡垂直聚焦在固定于位移平臺(tái)的鋼軌表面進(jìn)而產(chǎn)生等離子體，等離子體發(fā)射光譜信號(hào)經(jīng)過光纖探頭收集并傳輸至光柵光譜儀 (AVS-DESKTOP-USB2 光譜儀，Avantes，光譜探測(cè)范圍為200～500 nm，分辨率為0.08～0.12 nm) 進(jìn)行分光探測(cè)；激光激勵(lì)鋼軌表面形成等離子體的同時(shí)會(huì)激勵(lì)出超聲波，超聲信號(hào)可用電磁超聲換能器(EMAT)進(jìn)行接收，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)分析。如圖1所示為搭建的集激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)和激光超聲技術(shù)于一體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experiment set-up

激光器發(fā)射脈沖激光，經(jīng)過匯聚透鏡將高功率密度的脈沖激光聚焦在鋼軌表面，鋼軌表面將有一薄層被瞬間加熱發(fā)生電離，產(chǎn)生等離子體，其發(fā)射譜線經(jīng)過輸入到光譜儀不同通道進(jìn)行分光探測(cè)，并經(jīng)光纖耦合電荷藕合器件圖像傳感器(CCD)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行鋼軌的化學(xué)成分及含量分析；激光激勵(lì)鋼軌表面產(chǎn)生等離子體的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生垂直方向的反作用力脈沖，進(jìn)而激發(fā)出超聲波,超聲波會(huì)在鋼軌表面和內(nèi)部傳播，當(dāng)遇到聲阻抗不同的介質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)生波形轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生縱波和橫波，因此我們用橫波線圈接收的EMAT就能接收到缺陷信號(hào)，進(jìn)而輸入到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行鋼軌的內(nèi)部和表面缺陷信息的分析。

2 實(shí)驗(yàn)樣品

鋼軌的性能不僅取決于鋼材的化學(xué)成分，而且取決于鋼材的組織。按鋼軌成分來分可分為三大類，即碳素鋼、合金鋼和熱處理鋼；按其金相組織又可分為珠光體鋼、貝氏體鋼和馬氏體鋼三類。我國(guó)的鋼軌普遍還是采用普通碳素鋼，珠光體鋼。

鋼軌在服役前要進(jìn)行硬度、拉伸性能、斷裂韌性等一系列測(cè)試，這些性能取決于其添加的成分及殘留元素，因此在化學(xué)成分尤其是殘留元素的要求上更加嚴(yán)格, 對(duì)鋼軌的殘留元素應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

表1和2分別給出了U75V鋼軌的化學(xué)成分以及殘留元素上限。實(shí)驗(yàn)所用的為60 kg/m的普通鋼軌。

表1 化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 1 Chemical composition /%

表2 殘留元素上限質(zhì)量分?jǐn)?shù)Table 2 Upper limit of the residual element /%

實(shí)驗(yàn)樣品為23 mm厚的鋼軌橫截軌面，其表面有一人工缺陷。

3 結(jié)果與討論

3.1 LIBS技術(shù)分析鋼軌中元素成分

鋼軌中Fe是主要組成元素，含量最多且含量未知。鋼軌中Fe的譜線異常豐富，而且Fe元素物理特性與激發(fā)條件不同會(huì)導(dǎo)致等離子體特性變化，造成其他元素的光譜強(qiáng)度發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)相應(yīng)元素的分析測(cè)定產(chǎn)生影響，使得鋼軌的定量分析異常困難。本文利用激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)來定性測(cè)量鋼軌中化學(xué)成分及殘留元素，進(jìn)而分析鋼軌性能。

鋼軌需要承受機(jī)車的壓力、摩擦和沖擊載荷，這就要求鋼軌有足夠的強(qiáng)度、硬度及韌性，而這些性能一般是由摻雜元素決定的。例如，利用碳、錳兩元素來提高強(qiáng)度、改善韌性；通過添加適量合金元素如釩、鈦、鉻、鉬等，也能提高鋼軌的強(qiáng)度和韌性；Cr 加入后可以顯著改善耐腐蝕性。另外，在冶煉過程中還進(jìn)行脫磷、脫硫以及殘留元素，來提高鋼軌的純度。

如圖2所示為利用LIBS技術(shù)測(cè)得的Fe元素以及C、Si的發(fā)射譜線，圖3為Fe，Mn，Al，V元素 LIBS光譜圖，圖4 Fe及殘留元素LIBS光譜圖。

從3幅圖中可以看出：(1)Fe元素譜系眾多，在各個(gè)波長(zhǎng)段都有譜線，且譜線強(qiáng)度很大；(2)碳素鋼軌中C、Si譜線較Al、Mn等元素譜線強(qiáng)；(3)鋼軌中殘留元素的譜線強(qiáng)度較正常添加的元素較低。Fe元素強(qiáng)度雖高，不能說明其含量高，有可能是鐵電離能較低，更容易激發(fā)造成的；元素之間的比較不能用強(qiáng)度比來說明含量比；殘留(痕量)元素譜線強(qiáng)度低可能是因?yàn)榇罱ǖ腖IBS探測(cè)系統(tǒng)靈敏度還不夠。表1和表2中的元素是鋼軌中摻雜的上限,有的元素可能摻雜的很少或者不摻雜,所以沒有完全測(cè)出表1和2所給的全部元素。實(shí)驗(yàn)樣品是從正常服役鋼軌中切割出來的，鋼軌試樣是合格的。搭建的系統(tǒng)對(duì)鋼軌進(jìn)行了LIBS元素分析，基本上測(cè)量出了表1和2給出的全部元素，表明了激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)對(duì)鋼軌元素分析是有效的。

圖2 Fe，C，Si元素 LIBS光譜圖Fig.2 LIBS emission spectra of Fe, C and Si elements

圖3 Fe，Mn，Al，V元素 LIBS光譜圖Fig.3 LIBS emission spectra of Fe and added elements normally

圖4 Fe及殘留元素LIBS光譜圖Fig.4 LIBS emission spectra of Fe and residual elements

3.2 激光超聲技術(shù)分析鋼軌中的缺陷信息

鋼軌的性能一是取決于化學(xué)元素成分，二則是取決于鋼材的組織。鋼軌的組織結(jié)構(gòu)受以下幾方面的影響：(1)鋼軌在冶煉過程中也會(huì)產(chǎn)生氣孔、紋理和夾雜物等組織變化，發(fā)現(xiàn)不及時(shí)會(huì)影響鋼軌的使用壽命；(2)鋼軌在鋪設(shè)過程中會(huì)采用焊接方式，焊接缺陷的出現(xiàn)也會(huì)對(duì)鋼軌產(chǎn)生重大影響；(3)并且鋼軌在服役過程中，會(huì)受到列車的重力擠壓，滾動(dòng)摩擦，以及各種自然惡劣環(huán)境的影響，會(huì)造成鋼軌的內(nèi)部組織發(fā)生嚴(yán)重變化。長(zhǎng)時(shí)間影響下，會(huì)產(chǎn)生金屬疲勞損傷，造成裂紋萌生與初始擴(kuò)展。這會(huì)大大縮短鋼軌服役使用壽命，嚴(yán)重的會(huì)給人們的安全產(chǎn)生重大隱患，因此建立激光超聲無損檢測(cè)方法檢測(cè)鋼軌中缺陷信息變得尤為重要。

本文利用EMAT探頭來接收激光激勵(lì)產(chǎn)生的超聲信息。EMAT由提供外磁場(chǎng)的電磁鐵或永磁鐵、接收超聲信號(hào)的高頻線圈、被檢工件三部分組成。高頻線圈置于外加磁場(chǎng)內(nèi)，當(dāng)被檢工件表面的質(zhì)點(diǎn)當(dāng)有超聲波時(shí)發(fā)生震蕩，會(huì)在外加磁場(chǎng)力的作用下載線圈中感應(yīng)出電壓，通過測(cè)量該感應(yīng)電壓而獲得材料的超聲波信號(hào)。

當(dāng)瑞利波信號(hào)遇到缺陷時(shí)，會(huì)發(fā)生波型轉(zhuǎn)換，伴隨著縱波和橫波的產(chǎn)生，其關(guān)系滿足Snell傳播定律：

(1)

式中：αR是瑞利波的入射角；αL是縱波的反射角；αS是橫波的發(fā)射角；cR，cL，cS分別是瑞利波、縱波和橫波在鋼軌中的傳播速度。

實(shí)驗(yàn)樣品中距離鋼軌激勵(lì)點(diǎn)77.0 mm處有一人工缺陷。如圖5所示為激光超聲技術(shù)利用橫波EMAT探頭接收到的激光激勵(lì)的超聲信號(hào)。橫波探頭不能接收瑞利波信號(hào)，只有當(dāng)瑞利波信號(hào)遇到缺陷發(fā)生波形轉(zhuǎn)換才能被橫波探頭接收。圖6給出了激光超聲信號(hào)的時(shí)頻圖,其中缺陷信號(hào)的主頻為2.06 MHz。時(shí)頻圖更能直觀的觀察到缺陷的位置和頻率等信息。

圖5 EMAT接收到的激光超聲信號(hào)Fig.5 LU signal in the defect

圖6 激光超聲信號(hào)時(shí)頻圖Fig.6 Time-frequency diagram of LU signal

圖6中明顯可以看到缺陷產(chǎn)生的信號(hào)。缺陷位置時(shí)間信息為2.52×10-5s，表面波的傳播速度為3 000 m/s。根據(jù)時(shí)間度越檢測(cè)法，缺陷的位置應(yīng)距激光源：

d=c×t=3 000 000×2.52×10-5mm=75.6 mm。

(2)

計(jì)算值與實(shí)際值77.0 mm之間的絕對(duì)誤差為2.4 mm，相對(duì)誤差3.1%。

本文成功地將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)與激光超聲技術(shù)相結(jié)合，利用激光激發(fā)的光譜分析了鋼軌的成分信息，并對(duì)LIBS光譜圖進(jìn)行了分析；同時(shí)利用激光激勵(lì)的超聲信號(hào)對(duì)鋼軌的缺陷信息進(jìn)行了檢測(cè)，不但可以接收到缺陷信息還可以對(duì)缺陷位置進(jìn)行定位。兩種技術(shù)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了鋼軌微觀和宏觀信息的檢測(cè)，對(duì)鋼軌健康監(jiān)測(cè)提供了檢測(cè)方法和手段。

LIBS和LU技術(shù)的共同特點(diǎn)是非接觸、快速探測(cè)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，接收超聲信號(hào)的EMAT也是非接觸的，這就對(duì)高溫、表面復(fù)雜或有毒的檢測(cè)試樣有技術(shù)優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)裝置還可以實(shí)現(xiàn)工程裝備的提前預(yù)知早期缺陷和預(yù)警。

4 結(jié)語

本文將激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)與激光超聲技術(shù)相結(jié)合，利用激光激發(fā)的光譜分析了鋼軌的成分及殘留元素信息；同時(shí)還利用激光激勵(lì)的超聲信號(hào)對(duì)鋼軌的缺陷信息進(jìn)行了檢測(cè)，不但可以接收到缺陷信號(hào)還可以對(duì)缺陷位置進(jìn)行定位。兩種技術(shù)的有效結(jié)合實(shí)現(xiàn)了鋼軌微觀和宏觀信息的非接觸檢測(cè)，為鋼軌微觀與宏觀的健康監(jiān)測(cè)提供了理想的檢測(cè)方法。但論文還只是定性分析了鋼軌成分及殘留元素，測(cè)出的是簡(jiǎn)單表面缺陷的信息。因此后續(xù)工作的將重點(diǎn)朝向鋼軌化學(xué)元素定量分析以及復(fù)雜缺陷信息的檢測(cè)方向進(jìn)行。