鋼軌超聲檢測(cè)新技術(shù)

激光超聲技術(shù)

激光超聲技術(shù)利用脈沖激光在試件中激勵(lì)產(chǎn)生超聲波，而超聲信號(hào)的檢測(cè)則主要有壓電換能器檢測(cè)法、空氣耦合檢測(cè)法和光學(xué)檢測(cè)法三種。光學(xué)檢測(cè)法又有非干涉法和干涉法之分。目前，基于激光激勵(lì)和空氣耦合檢測(cè)的混合鋼軌無(wú)損探傷技術(shù)是國(guó)內(nèi)外研究 的熱點(diǎn) 。

美國(guó)TTCI 和TecnogammaSPA公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了第一臺(tái)專門(mén)用于鋼軌無(wú)損檢測(cè)的基于激光一空氣混合超聲技 術(shù) (L aser—A ir H ybrid U ltrasonicT echnique，LAHUT )的非接觸式檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能有效檢測(cè)位于軌底的橫向裂紋和位于軌頭的垂直開(kāi)裂型裂紋(VSH)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能100檢測(cè)出VSH缺陷，對(duì)軌底缺陷的檢出率也達(dá)到90。丹麥研制的基于激光超聲技術(shù)的軌道檢測(cè)車輛通過(guò)對(duì)含有人造缺陷的試驗(yàn)樣軌進(jìn)行探測(cè)，能實(shí)現(xiàn)分布于軌頭、軌腰和軌底的多種類型的鋼軌缺陷的有效檢測(cè)。目前國(guó)內(nèi)很多單位也開(kāi)展了有關(guān)激光超聲技術(shù)及其應(yīng)用的研究工作。但大多還停 留在試驗(yàn)室研究階段 ，還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品推出。

與傳統(tǒng)的壓電超聲技術(shù)相比，激光超聲技術(shù)具有非接觸、無(wú)需耦合劑等優(yōu)點(diǎn)，降低了對(duì)被測(cè)軌面粗糙度和清潔度的要求，而且激光器安裝位置可距 離軌道較遠(yuǎn)，如果采用光纖來(lái)傳輸激光，將進(jìn)一步方便安裝，為建立道旁監(jiān)測(cè)系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件。此外，激光抗干擾能力強(qiáng)，能在較惡劣的環(huán)境下或其 它方式難以實(shí)施的高溫條件下進(jìn)行測(cè)量；脈沖激光作用于固體表面，可同時(shí)產(chǎn)生縱波、橫波及表面波，因此不僅可以用來(lái)檢測(cè)內(nèi)部缺陷，還可用于檢測(cè)表面缺陷。但目前激光超聲 技術(shù)還存在光一聲能量轉(zhuǎn)換效率低 、超聲信號(hào)微弱、檢測(cè)設(shè)備造價(jià)較高等問(wèn)題 。

相控陣列超聲技術(shù)

相控陣列超聲技術(shù) (Phased A rray U ltrasonicT echnology ，PAUT )的基本概念源于相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)，其基本特征是在計(jì)算機(jī)控制下對(duì)超聲換能器晶片陣列(多個(gè)壓電晶片按一定形狀 、尺寸排列)進(jìn)行激勵(lì)，分別控制每個(gè)晶片發(fā)射信號(hào)的波形 、幅度和相位延遲量，使各晶片發(fā)射的超聲子波束在空間疊加合成，從而產(chǎn)生發(fā)射聚焦和聲束偏轉(zhuǎn)等效果。因此，只需通過(guò)改變控制軟件，相控陣換能器就可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)不同方向、不同深度和不同位置的裂紋的檢測(cè)，這是傳統(tǒng)的單晶片超聲換能器所不能比擬的。相控陣列超聲技術(shù)因其突出的優(yōu)點(diǎn)，近年在國(guó)際無(wú)損界得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。目前開(kāi)展鐵路鋼軌相控陣列超聲檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究的國(guó)家和單位有：美 國(guó)的TTCI、愛(ài)荷華州立大學(xué) ，英 國(guó)的沃里克大學(xué)和伯明翰大學(xué) 、TwI公司以及法國(guó)的Soco—mate 等 。

2005年TTCI 研制了一種Omni—scan 相控 陣超聲系統(tǒng)，并把它用于鋼軌橫向裂紋的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)不僅可定量檢測(cè)軌頭中的缺陷，而且可以在線監(jiān)測(cè)軌頭缺陷在不同軸重載荷作用下的發(fā)展變化過(guò)程 。Omni—scan鋼軌超聲相控陣檢測(cè)系統(tǒng)相控陣列超聲技術(shù)的數(shù)據(jù)控制、處理量大，對(duì)計(jì)算機(jī)的軟硬件都有很高的要求。2006年Socom ate研究了 一 種新的快速自動(dòng)角度掃描技術(shù)FAASTE ，使用該技術(shù)研制 的具有64個(gè)通道的信號(hào)檢測(cè)和處理系統(tǒng)，采用了嵌入式CPLD和DSP技術(shù)，全部64個(gè)通道都是并行處理模式，可以同步控制32個(gè)這樣的機(jī)箱同時(shí)工作 。整個(gè) 系統(tǒng)檢測(cè)的行進(jìn)速度可達(dá)到100km／h。

與傳統(tǒng)超聲檢測(cè)技術(shù)相比，相控陣列超聲技術(shù)采用電子方法控制聲束 聚焦和掃描 ，可以在不移動(dòng)或少移動(dòng)探頭的情況下進(jìn)行快捷的掃查，提高了檢測(cè)速度。在對(duì)鋼軌進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可根據(jù) 缺陷的位置分布，優(yōu)化聲束形狀和大小，提高缺陷的檢出率 。由于鋼軌鋁熱焊縫包含了大量的粗晶粒材料，傳統(tǒng)超聲波檢測(cè)方法的大部分入射超聲波能量在軌道截面的上層就被衰減掉了，因而難以檢測(cè)出位于下層的缺陷。雖然相控陣列超聲技術(shù)同樣存在超聲信號(hào)能量衰減的問(wèn)題，但它通過(guò)聚焦可以提高聲束能量，通過(guò)方向控制可以把聲束投射到焊縫中缺陷出現(xiàn)的地方，使其檢測(cè)焊縫底部缺陷成為可能。但目前相控陣列超聲檢測(cè)設(shè)備的價(jià)格昂貴，對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高。