鋼軌焊縫超聲波探傷方法的研究與應(yīng)用

李東俠，張大勇

(1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 132001;2.沈陽鐵路局長春工務(wù)段，長春 130012)

近年來，在鐵路發(fā)生的斷軌事故中，有近2/3的斷軌事故是發(fā)生在焊縫及熱影響區(qū)部位，鋼軌焊縫探傷已經(jīng)引起探傷人員足夠的重視。鋼軌焊縫探傷遠比普通鋼軌探傷困難，一是所用設(shè)備和方法都有實質(zhì)上的差別，而且焊縫探傷分布在整個斷面上;二是焊縫的缺陷情況十分復(fù)雜，有光斑、灰斑、過燒、夾渣、氣孔、疏松等，他們有的是體積狀的，有的是面積狀的，有些是在焊接過程中形成的，有些則是在使用中產(chǎn)生的，缺陷形狀各異，極難分辨檢測。因此，如何及早發(fā)現(xiàn)鋼軌焊縫傷損并采取適合的探傷方法，已成為維修養(yǎng)護單位的重要任務(wù)和研究課題。

1 焊縫探傷方法的選擇

由于鋼軌焊縫探傷缺陷定位、定量困難，因此要對一個焊縫實施檢測，最重要的是需要選擇一個合適的焊縫探傷方法，然而就現(xiàn)在鋼軌焊縫探傷方法來說，尚無統(tǒng)一的標準。

1998年長春工務(wù)段管內(nèi)哈長線基本完成了區(qū)間無縫線路的鋪設(shè)任務(wù)，探傷工區(qū)開始對焊縫熱影響區(qū)的軌頭、軌腰、軌底腳3個區(qū)域采用不同角度探頭進行探傷試驗。軌頭區(qū)域采用K2.5探頭，同時利用0O探頭進行輔助檢查;K2探頭用于軌腰斜裂紋、面積狀和體積狀缺陷的檢測;0O探頭則用于水平傷損的檢測;軌底腳區(qū)域采用K2和K2.5探頭進行加強檢測，防止漏檢。該套探傷方法在幾年的現(xiàn)場操作與運用中，取得了一定的效果，積累了一定的經(jīng)驗。但隨著焊軌質(zhì)量出現(xiàn)波動，缺陷種類及出現(xiàn)位置的多樣化，這種探測方法日益顯示出它的局限性。2002年長春工務(wù)段開始采用HFT-1型鋼軌焊縫探傷儀對鋼軌焊縫進行探傷，經(jīng)過一段時間的現(xiàn)場使用，該儀器探測基本上達到了全斷面探傷的目的，但在實際應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)如下問題:一是軌頭下顎圓弧區(qū)、軌腰與軌腳過渡圓弧面為該儀器的盲區(qū)，特別是對鋁熱焊縫下顎部位產(chǎn)生的飛邊引發(fā)的顎部疲勞傷損檢出困難;二是焊縫專用探傷儀對于平行于鋼軌垂直截面的傷損容易檢出，而對于傾斜于鋼軌截面的傷損則難以查出。因此，2006年開始采用數(shù)字式通用探傷儀對鋼軌焊縫進行探傷，有效地對焊縫及熱影響區(qū)部位進行全面探傷掃查，該探測儀彌補了焊縫專用探傷儀存在盲區(qū)的不足。

2 數(shù)字式通用探傷儀探傷方法

2.1 焊縫軌頭探傷

2.1.1 探傷掃查

為使鋼軌焊縫軌頭得到全面掃查，采用K2.5探頭在鋼軌頂面縱向移動和偏角縱向移動2種方式。

(1)縱向移動掃查。K2.5探頭置于軌面上，探頭縱向中心距邊分別為 16、26、36、46、56 mm 處，偏角為0°，縱向移動探頭，移動區(qū)域為距焊縫中心0～150 mm，利用一次波檢出鋼軌頭部焊縫中的缺陷。

(2)探頭偏角縱向移動。由于軌頭頂面作用邊呈圓弧狀，探頭接觸面過小，因此，采用偏角縱向移動法探測。K2.5探頭置軌面中心線上，以15°偏角縱向移動探頭，移動區(qū)域為距焊縫中心約100～250 mm，利用軌頦反射波檢出鋼軌內(nèi)外側(cè)部位的缺陷;掃查次數(shù)為焊縫內(nèi)外兩側(cè)共計4次。

2.1.2 正常回波顯示

探測鋁熱焊接頭時，探頭距焊縫中心80 mm左右，在熒光屏水平刻度4.0左右顯示焊筋輪廓波。其他形式焊縫如氣壓焊、閃光焊，軌頭下頦也存在不同厚度的焊筋，探傷時均會有一、二次波交替顯示焊筋輪廓波，由于各種焊筋厚度不規(guī)則，產(chǎn)生的回波幅度和位移會有差別。

2.1.3 缺陷回波顯示

焊縫軌頭缺陷回波顯示如圖1所示，在顯示缺陷回波的過程中夾有焊筋輪廓波。當缺陷直徑小于超聲波束寬度，且缺陷距軌頦較近時，超聲束可同時在缺陷和焊筋上產(chǎn)生反射，熒光屏上會同時出現(xiàn)缺陷波和焊筋輪廓波顯示現(xiàn)象;若缺陷距軌頦較遠時，缺陷波和焊筋輪廓波交替顯示。

當缺陷直徑大于超聲波束寬度，完全阻擋超聲波向前傳播，使熒光屏上只顯示缺陷波，不顯示焊筋輪廓波。

圖1 焊縫軌頭傷損波形顯示

2.1.4 缺陷定位定量

(1)缺陷定位。缺陷回波波峰前沿對準刻度值乘“25”，得出缺陷距探頭入射點的水平距離;乘“10”可得出缺陷距探測面的垂直距離。目前我單位使用的數(shù)字式通用探傷儀器，可直接讀數(shù)，非常方便，避免了繁瑣的公式計算。

(2)缺陷定量。缺陷直徑較小時，采用當量法確定缺陷大小，用焊縫試塊平底孔作為當量基準;缺陷直徑較大時，用延伸度法確定缺陷大小，根據(jù)缺陷波在熒光屏上位移量直接讀出缺陷的垂直高度，缺陷橫向?qū)挾瓤砂翠撥壓藗Ψ椒ù_定。

2.2 焊縫軌腰探傷

鋼軌焊縫軌腰缺陷的檢測，通常使用雙K1探頭進行“V”形穿透式探測和直探頭探測2種方法。

2.2.1 探傷掃查

(1)雙K1探頭“V”形穿透式探測。2個探頭入射點間距為鋼軌高度的2倍，探頭置于軌頭頂面中心線上縱向移動，利用2個K1探頭一發(fā)一收穿透式探傷法，檢出鋼軌軌腰投影范圍內(nèi)的缺陷，如圖2所示。

圖2 雙K1探頭“V”形穿透式探測示意

(2)直探頭探測。探頭置于軌面縱向中心，距焊縫中心兩邊各50 mm的區(qū)域內(nèi)，縱向緩慢移動探頭進行掃查，利用直探頭反射式探傷法，檢出焊縫中反射面與探測面平行的缺陷，也可利用穿透式探傷法，根據(jù)軌底波的變化情況，判斷焊縫軌腰投影范圍內(nèi)的缺陷。

2.2.2 正?；夭@示

(1)雙K1探頭正常回波。在正常焊縫檢查中，熒光屏刻度9.2左右顯示軌底反射波，為使正常軌底波不報警，應(yīng)將底波鎖在反報警小方門內(nèi)，如圖2所示。由于軌底焊筋對反射波的影響，探頭距焊縫中心150 mm左右會發(fā)生底波后移或波幅下降現(xiàn)象，因此對軌底三角區(qū)高約20 mm左右范圍內(nèi)缺陷檢測有一定影響。為判明是否存在缺陷，應(yīng)仔細觀察焊筋處底波變化，如果焊筋輪廓底波顯示，則軌底三角區(qū)無傷，若不顯示，應(yīng)適當提高增益，在排除外界因素后，仍無顯示，一般存在傷損。

(2)直探頭正?；夭āＬ筋^在焊縫探測移動過程中，熒光屏刻度7.0左右始終顯示軌底反射波。由于軌底焊筋呈凹型，對超聲波反射有聚焦作用，在探測過程中會出現(xiàn)軌底波幅增強現(xiàn)象。

2.2.3 缺陷回波顯示

(1)雙K1探頭探測軌底缺陷。缺陷在鋼軌底部時，儀器掃查過程中會產(chǎn)生一次失底波，失底波時探頭位移長度約為缺陷長度的1倍，見圖3。

圖3 軌底探測顯示(單位:mm)

(2)雙K1探頭探測軌腰缺陷。缺陷在軌腰部位時，儀器掃查過程中會產(chǎn)生二次失底波現(xiàn)象，失底波探頭位移長度與缺陷長度相對應(yīng)。檢查時，發(fā)射探頭剛過焊縫就產(chǎn)生報警，接著一段時間不報警，后又出現(xiàn)失波報警，則可認定軌腰有傷損，見圖4。

圖4 軌腰傷損的探測顯示(單位:mm)

(3)直探頭探測。直探頭探測焊縫探傷過程中，出現(xiàn)軌底波消失或在底波前顯示其他回波，說明焊縫中存在缺陷，但要注意觀察探頭位置是否偏離，軌腰焊筋不平整而產(chǎn)生的反射回波，可根據(jù)手摸來確定。

2.2.4 缺陷定位定量

雙K1探頭根據(jù)失底波時探頭在軌面上的位移量確定。軌底向上的缺陷，探頭位移量除以2;軌腰缺陷，二次失底波時探頭在軌面上的位移量之和除以2，所得值就是缺陷的垂直高度，但該值精確度受工件表面、儀器靈敏度、探傷耦合待多方因素影響。

直探頭根據(jù)缺陷回波幅度來確定缺陷大小，缺陷直徑較小時，用當量法確定，缺陷直徑較大時，用延伸度法確定。

2.3 焊縫軌底探傷

鋼軌焊縫軌底是常規(guī)探傷無法檢測的部位，通常使用通用探傷儀進行探測。

2.3.1 探傷掃查

將軌底分成兩大部分，一是軌底兩側(cè)(簡稱軌腳)，另一部分是軌腰與軌底連接部分(簡稱軌底三角區(qū))。根據(jù)軌腳和聲束寬度對應(yīng)關(guān)系，為確保軌腳得到全面掃查，又將軌腳劃分為6個探測區(qū)，使用1個K2.5探頭，分別按不同的偏角和位置進行縱向移動探頭掃查，利用二次波探測焊縫上半部分，一、三次波探測焊縫下半部分。

K2.5探頭掃查軌腳時，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域?qū)⑻筋^向外偏轉(zhuǎn)不同的角度;探測軌底三角區(qū)時，應(yīng)先將探頭與軌腰呈30°夾角進行擺動掃查，再與軌腰進行平行掃查。

2.3.2 正常回波顯示

由于軌腳1～3區(qū)厚度較薄，以及聲束縱向有一定寬度，所以焊筋上、下輪廓波常會同時顯示在掃描線上，隨探頭位移而移動。此外因焊筋幾何形狀不規(guī)則或推鎦方式不同，或有掃描線校正誤差，焊筋輪廓波的顯示位置和幅度略有差異。

2.3.3 缺陷回波顯示

(1)小缺陷波形顯示

缺陷直徑小于超聲波束寬度時，會出現(xiàn)缺陷波和焊筋輪廓波同時顯示，且缺陷波顯示于焊筋輪廓波之前。兩波間隔為1.0 m左右時，表示缺陷居中，如圖5(b)所示;如兩波間隔越小，則說明缺陷與對側(cè)焊筋越近，反之，則缺陷越靠近本側(cè)焊筋邊。缺陷波顯示在焊筋上輪廓波前，則缺陷在焊縫上方，如圖5(c)所示，若缺陷顯示在焊筋下輪廓波前，則缺陷在焊縫下方。

圖5 焊縫軌底傷損波形的顯示

(2)大缺陷波形顯示

由于缺陷對超聲束完全阻擋，熒光屏上只顯示缺陷波，而無焊筋輪廓波出現(xiàn)，如圖5(a)所示。

(3)熱影響區(qū)內(nèi)缺陷波形顯示

缺陷直徑小于聲束寬度時，熒光屏可同時顯示缺陷波和焊筋輪廓波，如缺陷在對側(cè)，則缺陷波顯示在焊筋輪廓波之后，如圖5(d)所示，這時可將探頭放置在焊縫另一邊，用二次波進一步復(fù)核確認;如缺陷在本側(cè)，缺陷波與焊筋輪廓波間隔距離達2.0 m及以上，如圖5(e)所示，可判斷在探測面軌底存在缺陷。

2.3.4 缺陷定位定量

(1)缺陷定位。目前使用的數(shù)字式探傷儀，有數(shù)據(jù)直讀功能，移動探頭找出缺陷回波最高位，從儀器上直接讀出水平距離，用鋼尺從探頭前沿測量出水平距離值，即為缺陷的中心位置。缺陷深度也可從儀器直接讀取，要注意是否一、二次波探測，如是一次波探測到，可直接讀取;如是二次波探測到，可用2倍工件厚度減去直讀深度即為缺陷距軌腳頂面垂直距離。缺陷距軌腳邊距離可在缺陷最高回波時將探頭橫向向軌腳邊移動至回波跌落，測出軌角邊距探頭中心的距離，另加上修正量，即為缺陷離軌腳邊的位置。

(2)缺陷定量。軌腳缺陷的定量可采用半波高度法進行測量，即探頭橫向從最高波向里、向外移動至半波位置，即為缺陷的橫向?qū)挾?探頭縱向從最高波向前、向后移動至半波位置，即為缺陷的縱向長度。采用此方法測量的焊縫缺陷當量為相對當量，不是缺陷的實際當量。

2.4 特殊部位探傷檢查

2.4.1 軌顎傷損

在對軌顎部位進行掃查時，要求探頭置于軌頭內(nèi)外口側(cè)面，從4個面掃查軌顎傷損，探頭要有13°左右的偏角，探頭入射點距傷損125 mm進行掃查。

2.4.2 軌底月牙形傷損

焊縫軌底橫向裂紋呈“月牙形”傷損(垂直于軌底，構(gòu)成裂紋與軌底面的直角反射)的探傷方法:可使用探頭K0.8～K1或鋼軌探傷儀37°探頭，結(jié)合現(xiàn)場鋼軌表面狀態(tài)及耦合情況檢測。

2.4.3 軌腰與軌底圓弧區(qū)斜向下傷損

從以往我段的焊縫斷軌斷面圖來看，軌腰與軌底圓弧區(qū)斜向下發(fā)展侵入Ⅱ區(qū)的傷損較多，而這又是各種檢測儀器的一個盲區(qū)，為此，經(jīng)多次實驗，總結(jié)出在軌底接近三角區(qū)部位使用K2.5斜探頭偏轉(zhuǎn)約30°，經(jīng)軌底反射區(qū)發(fā)現(xiàn)傷損，收到了較好效果。

3 結(jié)語

幾年來的研究實踐表明，檢查焊縫并確定傷損最重要的一點就是觀察波形，也就是仔細觀察各種傷損的出波位置，波動移位情況，波的形狀等。各種焊縫傷損的波形有一定的特點，要找出他們的不同之處，總結(jié)出規(guī)律。以鋁熱焊接為例，鋁熱焊接中的未焊透缺陷的反射波形多尖、波底較寬、幅度低、波峰強、位移短;夾雜缺陷的波形松散，波跟較寬;裂紋缺陷回波較長、位移強。

此外，在焊縫探傷中要特別注意對假象回波的鑒別。特別是鋁熱焊接頭，因為鋁熱焊接頭部位都有棱角波，這些棱角波的出波位置與實際傷損的位置相距很近，有的幾乎與傷損就在同一位置出波，極難分辨、極易誤判，這就要求探傷人員具備一定的焊縫判傷知識和經(jīng)驗。其實，假象回波也具有一定的規(guī)律性，例如軌底塌陷波，軌下臺階波等。這些波大都顯示于同一位置，可采用看聲程，沾油拍打等方法進行鑒別。

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