0791-88160895
摘要： 無損檢測( Nondestructive test ，NDT ) 是指不破壞和損傷受檢物體，對其性能、質量、有無內部缺陷進行檢測的一種技術。無損檢測技術是提高產品質量，促進技術進步不可缺少的手段，特別隨著新材料、新技術的廣泛應用，各種結構零件向高參量、大容量方向發展，不僅要提高缺陷檢測的準確率和可靠性，而且要把傳統的無損檢測技術和現代信息技術相結合，實現無損檢測的數字化、圖像化、實時化、智能化。
關鍵詞：無損檢測；超聲波；精度
The application of Ultrasonic sensors in the railway rail flaw detection
(School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)
Abstract:NDT (Nondestructive test) is a kind of detection technology which test detection without damaging component . Nondestructive testing technology improves the product quality and is the indispensable means to promote technological progress.Especially with the wide application of new materials and new technology, the parts of various structure develop in the direction of high parameter, large capacity . We shall not only improve the accuracy and reliability of defects detection, but also improve the traditional nondestructive testing technology with modern information technology, to realize the combination of digitalization, visualization, real-time, and intellectualization of nondestructive testing .
Key words: Ultrasonic ; flaw detection ; accuracy
1.引言
工業上常用的無損檢測方法有五種：超聲檢測( UT ) 、射線探傷( RT) 、滲透探查( PT) 、磁粉檢測( MT )和渦流檢測( ET ) 。其中超聲檢測是利用超聲波的透射和反射進行檢測的。超聲波可以穿透無線電波、光波無法穿過的物體，同時又能在兩種特性阻抗不同的物質交界面上反射，當物體內部存在不均勻性時，會使超聲波衰減改變，從而可區分物體內部的缺陷。因此，在超聲檢測中，發射器發射超聲波的目的是超聲波在物體遇到缺陷時，一部分聲波會產生反射，發射和接收器可對反射波進行分析，精確地測出缺陷來，并顯示出內部缺陷的位置和大小，測定材料厚度等。
超聲檢測作為一種重要的無損檢測技術不僅具有穿透能力強、設備簡單、使用條件和安全性好、檢測范圍廣等根本性的優點外，而且其輸出信號是以波形的方式體現。使得當前飛速發展的計算機信號處理、模式識別和人工智能等高新技術能被方便地應用于檢測過程，從而提高檢測的精確度和可靠性。
超聲波無損探傷( NDI) 是超聲無損檢測的一種發展與應用，其設備有：超聲探傷儀、探頭、藕合劑及標準試塊等。其用途是檢測鑄件縮孔、氣泡、焊接裂紋、夾渣、未熔合、未焊透等缺陷及厚度測定。
超聲無損檢測在最近幾十年中得到了較大的進展,它已成為材料或結構的無損檢測中常用的手段。由于超聲檢測可以在線進行、超聲波對人體無害又不改變系統的運行狀態，因此，在材料或結構的無損檢測中得到了廣泛的應用。
2.超聲探傷原理
超聲探傷是無損檢測的主要方法之一。它能非破壞性地探測材料性質及內部和表面缺陷( 如裂紋、氣泡、夾渣等) 的大小、形成和分布情況，具有靈敏度高、穿透力強、檢測速度快和設備簡單、成本低等一系列特點。
2.1 基本原理
超聲波探傷具有反射和透射兩種方法。其中反射方法精確度較高。圖1 是脈沖回波探傷儀原理圖。脈沖發射器通過探頭將超聲波短脈沖送入試件，當回波從試件的缺陷或邊界返回時，通過信號處理系統，在示波器上加以顯示，并將其幅度和傳播時間顯示出來。如果已知試件中的聲速，則根據示波器上的讀數所獲得的脈沖間的傳輸時間即可獲得缺陷的深度。
圖1 脈沖回波探傷儀原理圖
2.2 探傷分類
超聲探傷方法很多，可以按不同的方式進行分類。
現將幾種常用的分類方法介紹如下。
(1) 按原理分類
按探傷原理分類可分為脈沖反射法、穿透法和共振法。脈沖反射法是一種利用超聲波探頭發射脈沖到被檢測試塊內，根據反射波的情況來檢測試件缺陷的方法。脈沖反射法又包括缺陷回波法、底波高度法和多次底波法等。
(2) 按耦合方式分類
按耦合方式分類如圖2 所示。
圖2 按耦合方式探傷分類圖
(3) 按探傷顯示方法分類
按探傷顯示方法分類可分為A 型顯示，B 型顯示與C 型顯示。其中A 型顯示只顯示缺陷的深度： B 型顯示探傷儀，可顯示工件內部缺陷的橫斷面形狀，此時示波器橫坐標代表探頭在工件面上的位置，縱坐標代表缺陷的深度。探頭沿工件移動與示波管掃描線的水平移動是同步的，為使圖象保留在熒光屏上，應選用長余輝示波管，且探頭移動速度不能太快： C 型顯示探傷儀,可以顯示工件內部缺陷的平面圖形。
(4) 按智能方式分類
上述探傷方法如由人工操作，則為人工探傷。如使試樣或探頭移動，在它的移動中利用超聲波自動地檢測缺陷并予以顯示或指示( 噴色) 的方式，稱為超聲自動探傷。自動探傷要有探傷儀( 帶閘門裝置) ，顯示裝置，探頭及其夾持機構。根據探頭設置方式的不同還可大致分為如下幾種探傷方式：直接接觸方式，此方式只用在探傷速度不高且表面光滑的場合，如軌道、無縫鋼管和軸等： 局部水浸方式是超聲探傷中最適用的方式，還可細分為其他方式，但原理是同樣的： 全水浸方式用于工件的某部分( 如粘結層) 或管類的精密探傷，當水槽機構設計成可以進行自動探傷的情況下，除去工件的裝卸以外，探傷可以全部自動化，如果工件加工精度高，而且水槽內架設的探頭夾持機構、移動架的精度也高，則探傷的精度也高 。
3.超聲探傷技術在無損檢測中的應用
3.1機車檢測方面的應用
3.1.1在高速鋼軌檢測中的應用
我國鐵路運營線路近七萬公里，而且鐵路正在向高速、重載的方向發展。超期服役的鋼軌數量很大，線路上的鋼軌在承擔繁重的運輸任務過程中，不免要產生各種肉眼能看見及看不見的損傷如側磨、軌頭壓潰、剝離掉塊、銹蝕、核傷、水平裂紋、垂直裂紋、周邊裂紋等。
如圖3 所示，當被檢鋼軌內部有一個裂紋缺陷( 或其他缺陷) ，將超聲波探頭放在被檢鋼軌的某一表面部位( 該面稱作探傷面、檢測面) ，探頭向被檢鋼軌發射超聲波信號，超聲波穿過界面進入被檢鋼軌內部，在遇到缺陷和兩介質的界面時都會有反射，反射信號被探頭接收后，通過探傷儀內部的電路轉換，就可以把缺陷信號和底波信號形象地顯示出來，如圖4 所示。根據超聲波的聲程推算，就可以輕易地將缺陷信號和底波信號區分開，然后通過超聲波試塊進行定標，就可以實現對鋼軌缺陷的定位和定量。
圖3 超聲探傷示意圖
3.1.2在車輪缺陷檢測中的應用
輪對是車輛走行部中最重要的部件之一，對軌道車輛輪對的檢測并準確地判斷其缺陷位置一直是鐵道運輸部門非常重視的問題。該系統采用電磁超聲探傷技術，實現輪對踏面的缺陷檢測，包括：踏面剝離及剝離前期檢測： 踏面表面及近表面裂紋檢測。
圖4 超聲波探傷儀顯示缺陷示意圖
電磁超聲探傷系統利用超聲表面波的脈沖反射原理進行缺陷檢測。當輪對沿鋼軌運行到探頭位置，輪對踏面接觸探頭的瞬間，EMAT ( 電磁超聲探傷技術) 在車輪踏面表面及近表面激發出電磁超聲表面波脈沖，超聲表面波將沿踏面表面及近表面圓周以很小的損耗傳播。如圖5 所示，超聲表面波在踏面雙向傳播( 順時針和逆時針) ，沿車輪表面及近表面傳播1 周后回到探頭位置，EMAT 探頭檢測到返回的超聲表面波后形成第1 次周期回波( 圖5 中RT 波) ： 未衰減的超聲波繼續沿踏面傳播，依次形成第2 次、第3 次周期回波，,直到能量衰減到設備無法檢測為止。
圖5 探頭在踏面激發的超聲表面波
當車輪踏面表面及近表面有裂紋或剝離等缺陷存在時，超聲波在缺陷端面處一部分能量被反射，沿原傳播路徑返回并被探頭檢測到，形成缺陷回波( 圖6 中E波) ： 另一部分能量繞過缺陷端面繼續傳播，形成周期性回波( 圖6 中RT 波) 。通過正常的周期回波( RT) 與缺陷回波( E) 的對比分析，可以定性分析當前輪對的踏面缺陷狀況。
3.1.3在輪輞缺陷檢測中的應用
隨著我國鐵路行車速度的提高，尤其是動車組的開行給行車安全提出新的考驗，轉向架關鍵部件如輪輞、車軸、軸承等局部位置承受更大的應力，要求檢測過程速度加快、檢測時間間隔變小、檢測范圍擴大，給鐵路無損檢測領域提出更高的技術要求。
根據輪輞缺陷裂紋的走向特點，將輪輞缺陷分為三類。
圖6 表面波傳播原理
(1) 周向缺陷：沿車輪踏面圓周方向并與踏面圓周方向平行：(2) 徑向缺陷：方向垂直踏面，與車輪直徑方向平行：(3) 軸向缺陷：輪輞內部與車軸方向平行。
在探傷實驗中，通過在樣板輪上打平底孔、刻槽的方式形成人工缺陷模擬輪輞的實際缺陷，平底孔的直徑或刻槽的寬度與實際裂紋尺寸成當量關系，相控陣探頭分別置于踏面( I) 和輪緣內側( II) 進行掃查，樣板輪工缺陷如圖7 所示，缺陷# 為距輪緣頂端40 mm且垂直輪輞側面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷? 為距踏面10 mm 垂直輪輞側面3 mm 深30 mm 的平底孔： 缺陷% 為距踏面50 mm 垂直輪輞側面 3 mm 深90 mm 的平底孔： 缺陷&為輪輞與輪輻交接區域，朝踏面方向3 mm、孔底距踏面40 mm 的平底孔： 缺陷為輪緣根部靠踏面側2 mm 深周向刻槽，槽寬小于等于2 mm。
根據超聲檢測脈沖回波反射的特點，周向缺陷采用縱波相控陣直探頭從踏面進行掃查： 徑向缺陷采用縱波相控陣直探頭在輪緣內側面進行掃查： 軸向缺陷采用縱波相控陣直探頭、橫波相控陣斜探頭均能掃查到 。