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原文传递基于超声TOFD检测技术的钢轨焊缝缺陷检测能力研究

论文题名：	基于超声TOFD检测技术的钢轨焊缝缺陷检测能力研究
关键词：	钢轨;超声TOFD检测;无缝线路;铝热焊焊缝;缺陷实时检测;反射法超声检测;TOFD图像
摘要：	本文以存在缺陷较多钢轨铝热焊接头为出发点，以解决铝热焊接头缺陷检测为目的，以闪光焊接头为实验对象，依托国家科技部项目《新一代钢轨探伤车智能深化研究与应用开发》，针对在役钢轨焊缝探伤存在的探伤任务重、探伤周期长的情况，经过对目前无损检测手段的检测原理以及检测能力的分析，发现超声TOFD检测技术较其他检测技术拥有更大的自动检测能力，为了探究超声TOFD检测技术用于钢轨焊缝自动检测的可行性，通过实验验证超声TOFD检测技术检测钢轨焊缝中缺陷的能力。　　为了验证超声TOFD检测技术检测缺陷的能力以及对缺陷深度的分辨力，探究使用超声TOFD检测技术检测钢轨焊缝缺陷可能存在的问题，采取人工试验验证。试验选用与钢轨材质相同的试块以线切割的方式模拟缺陷深度的变化，试块上布置三组声程不同的探头用以检测缺陷的扩展。试验结果表明超声TOFD检测对缺陷的变化具有很高的灵敏度及分辨力。且超声TOFD探头的声束角大，声场覆盖范围广，因而拥有很大的检测区域以及检测宽容度。但试验结果同样也暴露出超声TOFD检测由于直通波和底面回波的存在造成了在被检工件上下表面一定区域范围内存在盲区的问题。　　结合线切割试验的结果以及在役钢轨的实际工况，设计了一套由超声TOFD探头模块、检测设备、数据传输模块、终端分析模块、供电模块等组成的钢轨缺陷检测系统方案，针对预试验中遇到的直通波以及底面反射波盲区的问题，通过对超声TOFD探头的优化，成功将直通波以及底面反射波的影响区域缩小至距离上下表面4mm的区域内。根据在役钢轨（60轨）的形式尺寸，依据钢轨轨头、轨腰以及轨底三部分的特点设计了相应的探头布置方案。为了解决检测过程中超声TOFD探头与钢轨表面的耦合效果，提出了使用环氧树脂胶作为耦合剂的耦合方案，并设计了使用探头固定装置配合环氧树脂胶共同固定探头的探头固定方案。检测系统方案、探头布置方案、探头的耦合及固定方案这三组方案共同组成了本次钢轨焊缝内缺陷检测方案。　　为了研究该套钢轨焊缝内缺陷检测方案的可行性，综合考虑实际工况中钢轨焊缝处常见缺陷类型，决定选择一根带有焊缝的试验轨，在试验轨焊缝处的轨底底面加工刻槽型人工缺陷，并使用脉动式疲劳试验机对试验轨进行疲劳试验从而模拟真实工况下疲劳缺陷萌生与扩展的过程。选用轨底部分探头布置方案对缺陷扩展进行检测，并增加了八组超声反射法通道用以对比超声反射法与超声TOFD检测技术检测缺陷发展的效果。疲劳试验历时17.7小时试验轨发生断裂，通过对超声TOFD通道检测数据的分析，还原了裂纹的发展过程，且分析结果与试验轨断口宏观形貌分析结果高度吻合，证实了本次钢轨焊缝内缺陷检测方案的可行性。对比反射法超声通道的检测结果，证实了超声TOFD检测在缺陷扩展检测方面的优势。
作者：	李立凡
专业：	材料学
导师：	黄永巍
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2022