一 行業(yè)背景
螺栓在日常生活當(dāng)中和工業(yè)生產(chǎn)制造當(dāng)中，是不可或缺的緊固連接件，螺栓也被稱(chēng)為工業(yè)之米可見(jiàn)螺栓的運(yùn)用之廣泛。鐵路螺栓作為較為常見(jiàn)的緊固連接件，在高速行駛的列車(chē)和鐵軌不斷地接觸造成非常大的震動(dòng)下，螺栓一旦在運(yùn)行過(guò)程中突然斷裂失效或者在一些關(guān)鍵部位松脫，將會(huì)對(duì)高速鐵路的行駛造成極大的危險(xiǎn)。由于鐵路螺栓規(guī)格種類(lèi)多，數(shù)量龐大，因此，提供一種快速有效的檢測(cè)手段是鐵路螺栓質(zhì)量的重要保證。
二 鐵路螺栓的傳統(tǒng)檢測(cè)方法
鐵路螺栓無(wú)損檢測(cè)一般采用超聲波檢測(cè)、滲透檢測(cè)以及磁粉檢測(cè)等。
2.1 超聲檢測(cè)
螺栓的超聲波檢測(cè)可分為常規(guī)A掃超聲檢測(cè)以及常規(guī)相控陣超聲波檢測(cè)，常規(guī)超聲波檢測(cè)是根據(jù)超聲波在螺栓中傳播的過(guò)程中遇到異質(zhì)缺陷時(shí)產(chǎn)生的反射回波的波幅和位置來(lái)判斷缺陷的大小和位置。
圖1螺栓的常規(guī)超聲檢測(cè)
由于螺栓的結(jié)構(gòu)特殊以及材料的更新?lián)Q代，常規(guī)超聲檢測(cè)對(duì)缺陷波和干擾波的判別存在一定難度。而常規(guī)相控陣超聲波檢測(cè)技術(shù)是利用相控陣的線掃或扇掃覆蓋螺栓的螺紋區(qū)域，圖像化顯示螺栓內(nèi)部的檢測(cè)結(jié)果，均可有效檢出螺栓內(nèi)部的人工缺陷。
圖2 常規(guī)相控陣B掃超聲檢測(cè)
但是，在常規(guī)相控陣超聲檢測(cè)結(jié)果中，由于裂紋和螺栓絲扣之間的圖像特征區(qū)別不是非常明顯，有一定可能會(huì)導(dǎo)致缺陷誤判。
2.2 滲透檢測(cè)
螺栓的滲透檢測(cè)是將滲透劑施加在被檢螺栓工件表面上，在毛細(xì)作用下，滲透劑深入表面開(kāi)口的缺陷中去，然后去除被檢螺栓表面上多余的滲透劑，采用適當(dāng)?shù)娘@像方法后，在一定的光源下(黑光或白光)檢查出被檢螺栓的開(kāi)口缺陷。雖然螺栓的滲透檢測(cè)設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作，缺陷顯現(xiàn)直觀不受材料限制，但滲透檢測(cè)只能檢測(cè)螺栓表面的開(kāi)口性缺陷且對(duì)被檢螺栓的表面狀態(tài)或清潔度有一定要求。
2.3 磁粉檢測(cè)
螺栓的磁粉檢測(cè)是通過(guò)磁粉在缺陷附近漏磁場(chǎng)中的堆積以檢測(cè)鐵磁性材料表面或近表面處缺陷的一種無(wú)損檢測(cè)方法，雖然操作簡(jiǎn)單方便檢測(cè)成本低對(duì)螺栓的表面及近表面缺陷檢測(cè)靈敏度高，但只能檢測(cè)螺栓表面及近表面的缺陷，對(duì)表面光滑度要求高，對(duì)檢測(cè)人員的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)要求高，檢測(cè)范圍小及檢測(cè)速度慢。
綜上，螺栓的傳統(tǒng)檢測(cè)方法，常規(guī)超聲和常規(guī)相控陣均可以進(jìn)行在役檢測(cè)，但是對(duì)檢測(cè)人員要求高，人為因素影響比較大，而磁粉和滲透則不利于現(xiàn)場(chǎng)在役檢測(cè)。
三 鐵路螺栓的相控陣3D全聚焦（TFM）檢測(cè)方法
圖3 相控陣全聚焦實(shí)時(shí)3D超聲成像系統(tǒng)DSS-PA322T
鐵路螺栓檢測(cè)案例:
案例1：鐵路螺栓
為了校驗(yàn)探傷設(shè)備和檢驗(yàn)探傷結(jié)果可行性，根據(jù)螺栓尺寸，加工不同方向和位置，周向間隔120°加工橫向槽。采用3D全聚焦技術(shù)檢測(cè)高強(qiáng)度合金鋼螺栓(直徑25mm，長(zhǎng)度130mm)。
圖4 螺栓的3D全聚焦檢測(cè)圖像
DSS-PA322T系統(tǒng)配套面陣探頭，檢測(cè)螺栓時(shí)只需按規(guī)定操作，把探頭置于螺栓端部（兩端均可）不需要移動(dòng)探頭等操作，DSS-PA322T系統(tǒng)便能夠?qū)崟r(shí)采集被檢測(cè)螺栓內(nèi)部所有信息，并實(shí)時(shí)輸出被檢測(cè)螺栓的3D檢測(cè)圖像。
圖5 全方位旋轉(zhuǎn)觀察
圖6 分析存儲(chǔ)功能
3D全聚焦實(shí)時(shí)檢測(cè)成像可旋轉(zhuǎn)觀察，缺陷識(shí)別簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快，平均一根螺栓的檢測(cè)時(shí)間為2秒，檢測(cè)結(jié)果可靠、傷損容易觀察，可有效避免缺陷漏檢。不僅如此，系統(tǒng)提供缺陷分析存儲(chǔ)功能，能夠?qū)Ρ粰z測(cè)螺栓內(nèi)部缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確定位、定量測(cè)量。
案例2：平衡輪連接銷(xiāo)釘
當(dāng)平衡輪連接銷(xiāo)釘內(nèi)無(wú)缺陷存在只檢測(cè)到導(dǎo)線孔回波以及底波:
圖7 平衡輪連接銷(xiāo)釘(無(wú)缺陷)
平衡輪連接銷(xiāo)釘存在自然裂紋缺陷，裂紋較大，目視可見(jiàn)，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)物對(duì)比圖：
圖8 平衡輪連接銷(xiāo)釘(帶自然裂紋1)
平衡輪連接銷(xiāo)釘存在自然裂紋缺陷，裂紋較小，檢測(cè)結(jié)果與實(shí)物對(duì)比圖：
圖9 平衡輪連接銷(xiāo)釘(帶自然裂紋2)
平衡輪連接銷(xiāo)釘目視未見(jiàn)裂紋等缺陷，檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)有微小裂紋，檢測(cè)結(jié)果說(shuō)明探傷靈敏度較高:
圖10 平衡輪連接銷(xiāo)釘(帶自然裂紋3)
案例3：下錨支架連接銷(xiāo)釘
當(dāng)下錨支架連接銷(xiāo)釘內(nèi)無(wú)缺陷存在只檢測(cè)到導(dǎo)線孔回波以及底波:
圖11 下錨支架連接銷(xiāo)釘(無(wú)缺陷)
為了校驗(yàn)探傷設(shè)備和檢驗(yàn)探傷結(jié)果可行性，根據(jù)下錨支架連接銷(xiāo)釘?shù)某叽�，加工了不同深度的刻槽，槽�?mm：
圖12 下錨支架連接銷(xiāo)釘(帶人工缺陷)槽深1mm
案例4：平衡輪軸銷(xiāo)
當(dāng)平衡輪軸銷(xiāo)內(nèi)無(wú)缺陷存在只檢測(cè)到結(jié)構(gòu)波以及底波:
圖13 平衡輪軸銷(xiāo)(無(wú)缺陷)
根據(jù)平衡輪軸銷(xiāo)的尺寸，加工了不同深度、不同方向的兩個(gè)刻槽，槽深1mm：
圖14 平衡輪軸銷(xiāo)(帶人工缺陷槽深1mm)
由以上的案例通過(guò)A掃檢測(cè)圖、B掃成像圖和3D全聚焦技術(shù)檢測(cè)成像圖可知，在無(wú)缺陷存在的銷(xiāo)釘3D全聚焦成像圖只存在導(dǎo)線孔回波和底波且導(dǎo)線孔成像清晰。而存在缺陷的銷(xiāo)釘，通過(guò)3D全聚焦技術(shù)檢測(cè)成像圖可觀察到自然裂紋的回波波形、位置以及大小。
雖然A掃檢測(cè)圖可檢測(cè)出缺陷的位置、B掃成像圖與3D全聚焦成像圖均可清晰地顯示缺陷的波形，但是A掃檢測(cè)圖中結(jié)構(gòu)波和缺陷波只能通過(guò)回波的深度判斷，B掃檢測(cè)中結(jié)構(gòu)波和裂紋回波的特征區(qū)別不是非常明顯，這兩者均容易造成誤判或漏檢，而3D全聚焦成像圖可以明顯區(qū)分裂紋缺陷波和結(jié)構(gòu)波，成像圖立體，缺陷識(shí)別簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快，提高檢測(cè)的有效性。
3D全聚焦技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：
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基于二維面陣探頭在三維空間內(nèi)從各個(gè)不同空間角度采集被檢測(cè)工件內(nèi)部的缺陷信息，信息采集更充分，螺栓內(nèi)部缺陷一覽無(wú)余，成像直觀可靠避免缺陷漏檢
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無(wú)需移動(dòng)探頭可實(shí)現(xiàn)對(duì)螺栓整體的實(shí)時(shí)3D成像，且可旋轉(zhuǎn)觀察，檢測(cè)結(jié)果更直觀
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一根螺栓檢測(cè)時(shí)間不到2秒鐘檢測(cè)效率高
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多達(dá)65536聚焦點(diǎn)，圖像聚焦精度高
