钢轨超声波探伤技术及设备介绍
铁路钢轨焊缝超声波探伤技术及便携式检测仪器分析
铁路钢轨焊缝超声波探伤技术及便携式检测仪器分析摘要：在我国铁路运输过程中，钢轨便携式检测仪对于保证运输的安全性具有非常重要的意义。
钢轨便携式检测仪自主化超声系统在硬件设计、软件信息处理、伤损识别、辅助设计等多个层面都可以被应用。
随着技术水平的提升，相关检测设备也在不断增多，提升了自主化超声系统在钢轨便携式检测仪中的应用效果，对其拓展使用频率，保证铁路运行的稳定性和安稳性等发挥了非常重要的作用。
基于此，本篇文章对铁路钢轨焊缝超声波探伤技术及便携式检测仪器进行研究，以供参考。
关键词：铁路钢轨焊缝；超声波；探伤技术；便携式检测仪器引言在铁路运营中，钢轨起着支撑列车的作用。
在列车运行过程中，钢轨不断受到摩擦、挤压、弯曲和冲击作用，再加上钢轨内部隐藏的核伤，会导致钢轨突然断裂，可能造成脱轨、倾覆等重大事故的产生。
因此，铁路系统要求定期对在役钢轨进行检测，以降低事故发生几率。
本文针对在役钢轨可能出现的断轨、裂缝、核伤等情况，利用超声波技术设计一款钢轨无损检测系统。
超声波试验是通过电脉冲激发换能器的超声波测压器，使其发出超声波。
定向发射的超声波束会传播到要测量的零件中，并在遇到缺陷时进行反射、传递和衰减。
利用超声波反射和传输特性，通过接收回波信号对损伤进行评估。
1探伤原理探伤是一种非破坏性检测方法，能够在不损伤被测件的前提下掌握其内部质量情况。
在探伤技术体系中，超声波检测技术已取得广泛应用，其依托于超声波的传播原理，在传播途径中遇界面时将发生反射，并由指定装置接收反射波，从而以此来揭露被测件的内部缺陷。
当前，超声波探伤原理包含如下三类：（1）脉冲反射检测原理。
超声波向被测件发射超声波，在传播途中若遇两种介质不同的交界面，则会出现反射现象；由于其仅需配置一个探头即可，因此可实现同步接收。
（2）脉冲投射检测原理。
在被测件的两侧分别设置发射探头和接收探头，通过脉冲波穿透被测件而实现检测。
（3）共振法检测原理。
被测件的厚度为关键参数，在该值达到超声波半波长的整数倍时，便会发生共振；在此基础上，可通过确定相邻共振差而得到工件厚度；同时能根据厚度来判断工件内部质量是否存在缺陷。
RT-18D型双轨式钢轨超声波探伤仪
设 备 于 ２ ０ １ ６年 ｌ Ｏ月 在 绥 德 工 务 段 太 ， 中 线 上 线 试 验 ， 截 止 目 前 已 完 成 管 内 正 ． 线 钢 轨 目 材 探 伤 ５ ７０ ｋ Ｈ１、 到 发 线 ４个 站 场 ． 探 伤 ｌ１．２８ｋｍ以 及 防 断 重 点 区 段 钢 轨 母 材 西铁 科 技Fra bibliotek总 第ｌ７３期
ＩＩ ＲＴ一１８Ｄ型 双 轨 式 钢 轨 超 声 波 探 伤 仪
“ １ ８Ｉ］型 双 轨 式 钢 轨 超 声 波 探 伤 仪 ” 是 西 安 铁 路 局 和 合 肥 超 科 电 子 有 限 公 司 联 合 攻 关 的 科 研 项 目 。 设 备 探 头 采 ： 用 轮 式 设 计 ， 共 ｌ ８个 通 道 ， 采 集 的 数 据 实 时 成 像 ， 作 为 检 测 员 分 析 判 断 钢 轨 状 况 的 依 据 。
钢轨探伤仪操作手册
现场探伤作业中遇到道岔时，按 ，仪器左侧信息栏标记后显示符号“C000”再按 输入百位道岔号；按 输入十位道岔号；按 输入个位道岔号。随探伤小车前行，在B型显示区的下方显示“Cxxx”，表示操作完成。计算机回放时将在此位置显示道岔号标记。
3.9 B
正常探伤界面按 键，再按 键，进入B超探伤数据回放界面。通过 可进行快速浏览回放；通过 进行精细连续播放。
■ 增益控制范围：0～80dB。
■ 探测灵敏度余量：执行TB/T 2340-2000
■ 动态范围：≥30dB(抑制小)，2～6dB(抑制大)。
■ 水平线性误差：≤2%
■ 垂直线性误差：≤5%
■ 增益控制范围：0～80dB
■ 衰减器误差：每20dB不大于（小于）1dB
■ 报警阈值：回波大于满幅度的50%（A～I通道反射式报警），回波小于回波满幅度的30%（0°或双45°通道穿透式报警）
同步调节I（0°）通道小闸门宽度。按 小闸门宽度压缩，按 小闸门宽度扩展。
A型脉冲显示方式选择（抑制或通常），按动该键时，显示屏左信息栏显示对应的信息：抑制开或抑制关。现场作业时一般应设置到抑制关。
选择被检测的钢轨类型。该键是循环键，按动该键，左信息栏可以按照43→50→60→75→43→50…显示方式转换。仪器根据操作者的设置，调整扫描、闸门等参数。
自动全程记录探伤数据功能（作业路线、探伤速度、时间、报警情况、灵敏度等），可连续记录保存60天的探伤数据。也可人工（手动）存储探伤数据。
配套的微机播放软件。探伤作业记录的数据可以通过播放软件进行连续播放和分析。
具有无线手机接口，可以实现GPS定位，可以通过互联网实现数据远程传输和控制。
8.4寸彩色漫反射显示屏，屏幕尺寸大，可以显示2.2米以上的B图像；亮度高，无需遮光罩，在阳光下清晰显示图像，各个通道的A型脉冲和B型图像用不同颜色分开，便于观察。
钢轨焊缝超声波探伤讲稿.
2、校验探伤灵敏度、评估缺陷大小。
3、测定和校验探伤仪和探头的性能。 探头的分类：1、标准试块：CSK-1A、CS-1-5; 2、对比试块：WGT-3、实物对比试块（CTS-60、 GHT-1）
钢轨焊缝超声波探伤
第一节 钢轨焊缝轨头探伤 焊缝轨头单探头法：
第四章
1、纵向移动扫查：K2.5探头置于轨顶面上，探头纵向中心 距边分别为16、26、36、46、56mm处，偏角为零度纵向 移动探头，移动区域为距焊缝中心0-150mm，本次扫查利 用一次波检出钢轨焊缝轨头中的缺陷。
2、硬度：金属材料抵抗另一种更硬物体压入骑表面的能力，布氏
硬度HB、洛氏硬度HRC。 3、塑性：金属材料在荷载作用下，产生显著的变形而不致破坏， 并在荷载取消后，仍能保持变行后的形状的能力，常用伸长率和断 面收缩率来表示。 4、韧性：金属材料抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。 5、疲劳：在交变荷载下，材料发生断裂的现象。
常在晶片前面附一层保护膜。
第二节 超声波探头
welcome to use these PowerPoint templates, New 4、连接线：探头须用高频电缆与探伤仪连接，常 Content design, 10 years experience 用同轴电缆作高频电缆，其作用是消除外来电波对 探头的影响，同时防止高频脉冲以电波形式向外辐
部分钢轨外形尺寸(mm)
P50 P60
钢轨高度a
152 70
132
176 73
150
轨头宽度b
轨底宽度d
横截面面积 65.8（平方厘米） 77.45 （平方厘米）
钢轨的出厂标志： 制造厂标、钢轨类型、钢种符号、制造年月、熔炼号、品级号。
钢轨的机械性能：
第6章超声波探伤设备简介
工作原理
播时间和回波强度相对应的图形，从而在扫描线 的相应位置上显示缺陷的深度和大小。此外，具 有报警和深度补偿功能的一起，也受到同步脉冲 的控制，产生报警和进行深度补偿。
1.同步电路（触发电路） 作用：产生数十～数千赫兹(Hz)的同步脉冲，作 为发射电路、扫描电路以及其他辅助电路的触发 脉冲，使各电路在时间上协调一致工作。 重复频率：每秒钟内发射同步脉冲的次数。
居里温度TC较高，声阻抗Z适当。
二、超声波探头的组成结构
压电换能器探头由压电晶片、阻尼块、接头、 电缆线、保护膜和外壳组成。斜探头有一个使 晶片与入射面成一定角度的斜楔块。
1. 压电晶片 接收和发射超声波，实现电声换能。晶片性能
决定探头性能。
晶片的尺寸和频率决定发射声场的强度、距离 波幅特性和指向性。晶片制作质量关系到探头 的声场对称型、分辨力、信噪比等特性。 单晶材料 压电晶片 多晶陶瓷材料 钛酸钡、钛酸铝等 石英、硫酸锂等
4.发射电路
作用：电脉冲信号发生器，产生高压电脉冲施 加到压电晶片上产生脉冲超声波。 电路形式有以下两种：
发射电路
调谐式：电路谐振频率由电路中的电感、电容 决定，发出的超声波脉冲频带较窄。谐振频率 调谐到与探头的固有频率相一致。
非调谐式：发射一短脉冲（尖脉冲或方波），
脉冲频带较宽，可适应不同频带范围的探头。
4.机电耦合系数 K: 表示压电材料机械能（声能） 与电能之间的转换效率。
转换的能量 K 输入的能量
正压电效应：
转换的电能 K 输入的机械能
逆压电效应：
转换的机械能 K 输入的电能
（声能→电能）
（电能→声能）
5.机械品质因子θm：压电晶片在谐振时储存的 机械能与在一个周期内损耗的能量之比。
第7章钢轨超声波探伤
（3）确定核伤中心在钢轨纵向位置（0点）。 用直尺确定B点到C点的中心O1点（核伤顶端在 轨面的位置）和A点到D点的中心O2点（核伤底 端在轨面的位置），取O1到O2的中心O点，即为 核伤中心在钢轨纵向的位置。如果在ABCD四点 中，A点到B点的距离与C点到D点的距离相同，
则说明核伤垂直于轨面， O1、O2两点是重合的
2. 第一螺孔和轨端探测 在钢轨端面、轨面状态和螺孔位置正常的情况
下，由于钢轨端面对超声波的反射作用，前后
37°探头探测范围与在第二、三螺孔上有所不 同。前37°探头能探本侧第一螺孔除I象限以外 裂纹、轨端上的裂纹和迎端轨第一螺孔II象限 裂纹,而后37°探头探测范围刚好弥补前37°探
头的不足。
三、37度螺孔裂纹探测波形显示 1. 裂纹波显示规律 螺孔向下斜裂纹： 前37°探头遇到IV象限向下斜裂纹，因为裂纹在 螺孔中心下方，反射面比螺孔声程更远，所以在 5.0以后先显示螺孔向下裂纹波，裂纹波消失后，
二、螺孔裂纹探测范围
1. 第二、三螺孔探测
将螺孔划成四个象限，各象限都有可能产生螺孔裂纹。按其 声束方向，前37°探头能发现II、IV象限的斜裂纹及I、IV
象限的水平裂纹；后37°探头能发现I、III象限斜裂纹及II
、III象限的水平裂纹。从图中可知，通过两个探头两个方 向的探测，能基本解决第二、三螺孔各个方向裂纹的检出。
范围包括了一次波束的扫查范围。
二次波
二次波
二次波
二、轨端回波显示
2
主视图 左视图 俯视图
1
0
9.2 探头在0
5.0
9.2
4.8 5.0 探头接近1
4.6 4.8 探头过1
1.0 4.6 探头在1－2
城市轨道交通钢轨的超声波检测技术研究与应用
城市轨道交通钢轨的超声波检测技术研究与应用引言随着城市轨道交通的快速发展和扩张，保障铁轨运行安全和稳定性成为了关键问题。
钢轨作为铁路交通运行的基础设施之一，其质量和完整性对乘客的出行安全至关重要。
因此，城市轨道交通钢轨的超声波检测技术应运而生，成为保障铁轨运行安全以及提高运输效率的重要手段。
一、超声波检测技术的原理及特点1. 原理超声波检测技术以超声波在材料中传播并与内部缺陷产生反射、散射、折射等现象为基础。
利用超声波传播速度和被检测材料中缺陷的反射、散射特性，可以判断缺陷的位置、类型、大小等相关信息。
2. 特点超声波检测技术具有无损检测、高灵敏度、高精度和实时性等特点。
通过超声波检测，可以对钢轨的内部缺陷进行精确的定位和评估，确保铁路运行安全。
二、钢轨超声波检测技术的应用1. 缺陷检测和评估钢轨在长期使用过程中容易出现疲劳裂纹、焊接处缺陷等问题。
超声波检测技术可以对钢轨进行全面检测，及时发现并评估潜在缺陷，为维修和更换提供依据。
2. 动态检测城市轨道交通的运行速度较快，要求钢轨具备良好的稳定性和承载力。
超声波检测技术能够对钢轨进行动态检测，实时监测钢轨的健康状况，从而预防和减少钢轨在使用过程中的故障，确保铁路运行的安全和效率。
3. 监测轨道变形城市轨道交通的车辆经过钢轨时会产生较大的载荷，长期累积可能导致钢轨变形。
超声波检测技术可以监测钢轨的变形情况，及时发现并采取相应的调整措施，保证铁路运行的平稳性和舒适性。
4. 提高运输效率超声波检测技术的应用可以提高城市轨道交通的运输效率。
通过对钢轨进行定期检测和评估，可以合理安排维修计划，及时修复潜在缺陷，减少因维修工作而导致的运输中断时间，提高轨道交通系统的稳定性和可靠性。
三、超声波检测技术的进展与挑战1. 技术进展目前，城市轨道交通钢轨的超声波检测技术已经取得了一定的突破。
超声波探头的材料和结构设计、信号处理算法的优化以及数据分析技术的提升等都为超声波检测提供了更好的工具和方法。
第4章 超声波探伤设备简介
第4章超声波探伤设备简介超声波探伤仪是利用超声波反射或透射原理检查工件缺陷的电子设备。
它的作用是产生电振荡并加于探头晶片，激励晶片发射超声波；同时将探头接收回来的电信号进行放大，通过一定的形式显示出来，从而得到被探工件内部有无缺陷及缺陷的位置和大小等信息。
超声波探伤仪的种类很多，分类的方法各不相同，若按缺陷的显示方式主要可分为以下两种：(一) A型显示通常所说的超声波探伤仪，就是指A型显示的脉冲反射式探伤仪。
它是以水平基线（X轴）表示距离和时间，用垂直于基线的偏转（Y轴）表示幅度的一种信号显示方式。
对同一种均匀介质而言，由于超声波传播时间与缺陷的埋藏深度成正比，因此，可以根据缺陷回波在荧光屏水平线上的位置确定缺陷的深度，用回波幅度的高低来衡量缺陷的大小。
（二）B型显示这是一种能够显示被检工件的横截面的图像，指示反射体的大致尺寸及其相对位置的超声信息显示方法,如图4-1 B型扫描示意图。
这种显示方法是将荧光屏上横坐标代表探头移动距离，纵坐标代表声波传播时间（或距离），基线随探头的移动和回波时间而变化，可直观了解探头移动下方横断面的缺陷分布和离探测面的深度，获得在探头扫查方向的断面图。
图4-1 B型扫描示意图1—探头；2—试件；3—缺陷；4—表面反射；5—底面反射；6—缺陷反射；7 -示波屏4.1 常用超声波探伤仪上海目前具有420公里的投入使用线路里程，但是目前上海地铁运营公司工务分公司只负责1～4号线四条线路的探伤检测工作，共148.53公里，只占上海地铁总里程的35%，其他的线路目前都委托外单位负责探伤检测，所以目前拥有的探伤设备数量不多，但是今后新线的陆续开通，外单位负责线路的接管，地铁工务负责的探伤里程会快速增加，对于钢轨探伤工作量增加的这种预期压力，上海地铁工务放弃增加设备和人员的做法，探讨研究使用大型钢轨探伤车，改变探伤模式，在不大幅增加设备和人员的情况下，提高探伤效率，以满足将来日常的对钢轨探伤检测要求。
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国外钢轨探伤情况
国外钢轨探伤部门与铁路部门一般是分离的，也就是说探 伤部门和铁路部门分属于不同的公司，铁路部门把探伤工 作以合同形式委托给探伤公司，铁路部门只负责提供必要 的探伤条件，探伤公司则要根据铁路部门的要求定期对钢 轨进行检验。这种做法的优点是责任明确，工作上避免人 为干扰，铁路部门可以不必配备大量探伤人员和设备，而 探伤部门则可按照探伤工作的固有规律开展工作、履行职 责。这样打破了探伤技术和设备的部门所有，有利干发挥 探伤人员的积极性，真正做到人尽其才，物尽其用，在激 烈的市场竞争中迫使探伤部门不断完善更新自己的探伤设 备和提高探伤人员的素质，有利干无损检测技术的发展和 探伤技术水平的提高。
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钢轨探伤对小型探伤仪的主要要求
针对目前钢轨探伤过程中存在的问题，小型探伤仪除满 足TB/T2340-2000、JJG（铁道）130-2003等标准和规 范的技术要求外，还应具有如下技术要求：
1. 操作简便，具有中文信息显示，伤损报警、报警类型及 仪器状态的中文信息提示；
2. 智能实时判别伤损，提高伤损识别能力,降低人为因素的 影响,不同类型的伤损具有不同的报警声音和信息提示；
➢ 大型探伤车 ➢ 小型探伤仪
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钢轨探伤特点
钢轨超声波探伤与其他一般工件探伤不同，具有 自己的特点：
➢ 钢轨不像其他一般工件那样可以移动，因此必须移动 探伤设备进行探伤；
➢ 钢轨探伤不能像其他探伤那样可以选择探测面，一般 只能从钢轨踏面进行探伤；
➢ 钢轨形状比较复杂，具有轨头、轨腰、轨底，单探头 不能覆盖钢轨整个横断面，因此需要不同角度的探头 同时探测钢轨的不同部位。
钢轨伤损是轨道交通中一个比较突出的问题,它与 行车安全、运输成本、钢材选用和设计制造都有 着密切的关系。钢轨伤损根据伤损程度可分为轻 伤、轻伤在发展、重伤和断轨。
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3
原因及探伤必要性（续）
我国铁路正在向高速、重载的方向发展。 超期服役的钢轨数量很大，线路上的钢轨 在承担繁重的运输任务过程中，不可避免 要产生各种损伤。因此，进行钢轨内部的 探伤对于保证铁路的正常运行具有举足轻 重的作用。
钢轨超声波探伤
技术及设备情况介绍
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钢轨伤损产生原因及探伤的必要性
在铁路运输系统中，钢轨起着支撑列车的作用。 列车在加速和制动过程中以及通过钢轨接缝、弯 道、和道岔时，对钢轨造成摩擦、挤压、弯曲和 冲击作用。在这些应力反复作用下，连同气候因 素如温度变化，雨雪冰霜以及消除它们所需的盐、 砂和除冰剂等，钢轨极易产生疲劳裂纹和腐蚀。 裂纹和腐蚀一旦产生就可能快速扩展，从而造成 钢轨折断等重大恶性事故。
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国内钢轨探伤情况
由于我国运输繁忙，车流密度大，探伤作业没能 固定时间，大型设备难以使用，因此钢轨探伤至 今仍以小车为主，这点与国外大不相同。我国的 探伤小车一般具有多个通道，可以携带多种探头 同时工作，有声光报警指示，可以利用列车行进 的间隙上道检查，实践证明这是一种比较符合我 国国情的高效率、低消耗的探伤设备。尽管我国 近几年进口了多台大型钢轨探伤车，但由于其探 伤速度仅为40~80km/h，难以在正线线路上使用， 因而至今仍未发挥正常作用，在今后相当长的时 间内，我国这种以小车为主的探伤格局将很难改 变。
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国外钢轨探伤情况（续）
国外钢轨探伤主要使用大型探伤车，小型 设备一般只用来复查大型探伤车的检验结 果。目前探伤车的探伤速度大多在 20~50km/h左右，较高一些的可达40 ~80km/h。探伤车的工作方式多为停顿式， 即探伤时线路是封闭的。发现伤损马上停 下来手工复查，一旦确认立即换轨，这一 点我国目前还很难做到。
3. 具有B扫描显示，以便直观地识别伤损。传统的A显示与 B显示相结合，两种显示模式的探伤结果可相互印证；
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超声波探伤
超声波探伤是国内外钢轨探伤的主要探伤方法。 伴随着对超声波技术的研究，使得对钢轨内部 探伤成为可能。超声波无损探伤技术是上世纪 50 年代发展起来的一种探伤方法。同时，计算 机技术、数字信号处理技术以及集成电路技术 的迅速发展，促进了超声波在无损探伤中的广 泛应用。
钢轨超声波探伤设备主要有二种：
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探伤工作中存在的问题（续）
在探伤工作中，还存在个别这样的情况：探伤班组不按规 定的周期检查钢轨，在探伤工作中走近路造成个别区段的 钢轨没有得到检查，或者以超过允许的速度进行探伤，都 会造成钢轨伤损的漏检，给行车安全带来隐患。
使用模拟式探伤仪进行探伤作业时,操作人员需要根据仪 器上的超声波回波信号进行判断和手工记录, 检测的准确 性和可靠性受人为因素影响很大。另外,由于钢轨探伤是 在野外作业,流动性强,管理部门对探伤作业的质量缺乏科 学有效的监控手段。因此，探伤仪具备超声波探伤信息的 自动记录和处理功能是十分必要的。
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原因及探伤必要性（续）
由干钢轨在使用过程中会因应力的作用而产生各 种疲劳缺陷，这些疲劳缺陷如不及时检出，会造 成钢轨折断以致引起列车颠覆、中断交通等恶性 事故，因而各国对钢轨探伤都十分重视，不惜投 入大量人力、物力，对在役钢轨进行定期检验， 以便及早发现疲劳伤损，防止断轨，确保安全。
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Байду номын сангаас 国内钢轨探伤情况（续）
我国钢轨探伤的基本特点是任务重、 要求严和条件差，这与我国有缝线路 多，钢轨质量差，车流密度大，钢轨 损伤快直接有关，长期以来，铁路运 输安全基本上是用提高探伤灵敏度和 增加探伤次数的方法来实现的。
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探伤工作中存在的问题
目前广泛使用的手推式钢轨探伤仪的探伤方法是： 仪器发出报警声音后，探伤工根据显示的波形判 别伤损。在钢轨探伤作业中，探伤的质量与探伤 工作人员的经验、技术素质和精神状态有着密切 关系，同时，也与探伤仪沿着钢轨推行的速度有 着密切的关系，在探伤仪推进速度过快的情况下， 由于探伤工作人员受大脑反应速度的限制，对一 些伤损波形来不及观察和判别，造成伤损的漏检， 同时，探伤的准确性随探伤仪的运行速度提高而 降低。