激光超声技术在钢轨探伤中的应用研究

激光超声技术在钢轨探伤中的应用研究

高天骁

朔黄铁路发展有限公司肃宁分公司 河北省沧州市 062350

摘要：本文主要讲述了激光超声技术的原理、研究现状，激光超声技术与钢轨探伤的应用分析。

关键词：钢轨探伤；激光超声波；激光超声探伤；应用

随着铁路运量、密度、速度及机车车辆轴重的不断增长，钢轨损伤成为铁路线路币：大的安全隐患。为提高工务线路养护的质量和效率，世界上许多发达国家均已大母使用钢轨探伤车。目前国内钢轨探伤主要是采用从美同进口的40km／h的探伤车，铁科院金属化学研究所于2001年自主研发了时速80km的钢轨探伤车，但由于采用的都是传统的水浸法电超声方式，需要向钢轨顶而喷水作为耦合剂，探伤速度难以冉提高，否则水膜难以形成。，尽管发达国家的铁路广泛使用探伤车作为线路钢轨内部伤损的检测下具，但各同对高速探伤牟的投入及火切程度远小如我同迫切。据有父资料显示，仅英、美和以色列等少数国家开展高系统，激光超声技术在钢轨探伤领域的应用，必将人人提高钢轨探伤技术的发展。

1 激光超声技术

激光超声技术是一种新的无损检测技术，因其具有常规超声优点的同时，还具有非接触、波模式丰富、频带宽、精度高及灵敏度高等特点，且缺陷检测方面表现出良好的性能，引起了广泛的关注。在钢轨缺陷的无损检测检测方面，因为非接触、频带宽、高精度等特点，在检测时无需耦合剂，所以检测速度不会受到声固耦合的影响，具备高度检测的条件，同时也不会存在声场盲区，可对表面及亚表面缺陷进行检测，并且也不会受到被检物体形状的限制，只要将激光光束照射在合理的位置，可以对轨头、轨腰及轨底进行全面检测。又因激光可以同时激发模式丰富的宽带超声波（可同时激发横波、纵波、表面波和体波等超声波），只需了解各模式超声波的传播特性，还可以对钢轨上不同类型的缺陷进行同步检测，特别适用于钢轨表面及内部存在多种复杂缺陷的检测。综上所述，对常规超声在缺陷检测上的缺点，激光超声检测技术具有补充的作用，因此研究激光超声的钢轨缺陷无损检测技术具有非常理想的工程意义。

1.1 原理

当液体、固体或气体受到强的激光(1aser)柬(脉冲的或连续调制的)照射，被照射处的电子吸收光了能最hg，跃迁至高能态。处于高能态的电子通过辐射跃迁一发光，无辐射跃迁与晶格碰撞把能量交给晶格，引起照射处温度升高，和化学作田光解等释放能量而返回基态。能量被吸收转化为热能，于是材料表而下的区域将迅速升温和膨胀，从而构成声源。若照射试样表而的激光光功率密度低于试样表面的损伤阈，这时形成的是对试样表面无损伤的热弹源，理论上相当于时间上是阶跃函数的切向力源；当激光光功率密度高于试样表面的损伤阈，这时i群被照射处出现熔融和溶蚀状态，伴有等离子体飞出，对试样产生法向冲力，形成了时间为脉冲函数的法向力源，称之为烧蚀激发源。激光可以发射超声波，用激光也可以接收超声，这样便可以不接触的远距离对样品发射和测量超声，由此构成一个完整独立的检测系统。利用激光超声进行材料杼I生的九损评估称为激光超声检测学，是一门涉及光学、声学、电学、材料科学等新型的交义学科，有着非常诱人的科学和应用前景。

1.2 研究现状

由于激光器的迅猛发展，很快被引入光声领域。1963 年，While通过对脉冲激光在固体中激发超声波的方法讨论和观察激光激发超声波的现象，首次提出了热弹机制及建立了激光超声理论，且这个理论很快就受到了广泛的关注，从此激光超声技术倍受瞩目。业界对激光超声技术的研究过程主要有激光超声的激励机理、超声信号的检测方法以及超声信号处理方法三大方面。对于激光与被测物体相互作用的机理和规律。早期实验主要集中于记录脉冲激光与固体相互作用产生的弹性波。随后开始了更加深入的研究，结合数学模型更完善地描述激光源。1971 年 Ready建立了激光辐照材料使材料发生变形的一维模型，分析了激光激励超声波的物理过程，但并没有对各模式波形进行有效区分。1980 年到 1982 年Scruby和 Dewhurst等人通过定量测量实验研究了激光未聚焦光束辐照金属表面在热弹机制下产生弹性波的过程，利用已校准的宽带检测系统结合电容传感器记录超声波波形，建立了正交力偶理论模型，并通过对金属块传递函数解卷积得到超声波，且将正确分了横波和纵波。Aindow等人利用调节的 Nd:YAG 激光器照射自由金属表面得到了横波、纵波和表面波等多种模式的超声波，提出了横波、纵波和表面波激发效率的定性模型。1984 年 Rose从体积源的一般表示定理出发，推导了近似的点源模型，并通过该模型得到了金属表面和沿对称轴方向的位移表达式，并根据横波、纵波以及表面波的能量配比得到各模式波形的方向性。就此激光辐照的热源与结构相互耦合的物理理论模型已较完善建立。

除了在激励机理的研究和检测方法的研究方面，激光超声在信号处理方面的研究中也有了进展。1999 年到 2002 年 Lévesque[51 52]等人提出了一种基于频域的 F-SAFT 数据处理方法特别适合激光超声数据。这种方法允许进一步改进激光超声对极小缺陷成像。2009 年 Yin[53]等人研究了一种基于小波变换的激光超声检测信号的去噪处理技术，大大提高信噪比，小波函数是由信号的波形特点选择，并采用软阈值去噪提取超声回波信号。 2015 年Wang[54]等人通过分离谱技术对激光超声表面波信号进行处理，提高了激光超声信号的信噪比及脉冲回波比。2017 年 Cao[55]等人提出了一种基于差分算法的激光超声测量和厚度特征的信号处理方法，能够提供良好的信号噪声比。

3 激光超声技术与钢轨探伤

3.1 应用分析

采用激光超卢探伤，检测将通过检测相同位置材料表面的位移或振速来实现。材料表面变成了传感器，而激光是否沿待测表面法线方向入射没有任何影Ⅱ向，因此，激光超声传感器和待测表面角度没有特殊的要求。激光在钢轨表面激发超声波，将同时产生超声纵波、横波和表面波，表面波已被证明对微裂纹有极好的检测能力。脉冲激光器发出高能量脉冲激光轰击钢轨表面，引起被照射区温度上升导敛局部热膨胀产生局郎应变，激光的功率密度达到一定值就能激发出可榆测的超声波，超声波在钢轨内部遇到缺陷将反射町波虿钢轨表面。另外一束连续的激光束照射在钢轨表面，由于超声波在钢轨中的传播包括缺陷引起的超声回波的传播造成钢轨表层微观介质振动，连续激光束的反射光束发生多普勒频移效应，因此其反射光束中包含了超声波的信息(载波)，町使用光干技术使该信号解调，从而获得钢轨巾传播的超声信息，实现钢轨的超声探伤检测。

3.2 激光超声波发生装置

探测激光选择脉冲Nd：YAG激光器，根据工作要求，为提高钢轨探伤车工作速度，需要激光脉冲有较高的重复频率。激光光束通过光纤送至监测处，两者之间最大距离不超过400mm．实际工作巾，检测处外部环境比较恶劣，通过光纤使得激光发生装置可以位于比较干净和容易控制的环境中。

4 结束语

激光超声榆测技术及其理论和实验研究都还不很深入，要将该技术大规模应用于生产实践，需要深入研究的内容很多，而且需要多种专业的科研人员合作开发。随着科学技术的不断发展，激光超声检测技术的不断成熟，激光超声检测技术在钢轨探伤领域的应用前景值得期待。

参考文献

[1]张银花，周清跃，陈朝阳，等．中国高速铁路用钢轨的质量现状及分析[J]．钢铁，2011，46(12)：1-14．

[2]钱梦骤．激光超声检测技术及其应用[J]．声学技术，2002，21：I