電纜與鋼軌焊接接頭的超聲波檢測

(中鐵檢驗認證中心有限公司，北京100081)

城市軌道交通中均流電纜、回流電纜、續流電纜及信號電纜大多采用放熱焊接的方式與鋼軌相連。放熱焊接是國內既有地鐵運營線路中廣泛應用的焊接方式，其主要通過在一定高溫的條件下，鋁與銅的氧化物發生還原反應，銅被鋁置換出來，變成高溫金屬銅熔液，在特制模具中將需要焊接的兩種金屬熔接在一起，形成穩固分子結合，該方式相比傳統的金屬連接工藝具有更強的耐腐蝕能力、過載能力以及熱穩定性，同時還具有焊接速度快、焊接牢固、維修工作量少、不易腐蝕、接觸電阻小、無需外加能源等優點[1-2]。

放熱焊在焊接過程中瞬間溫度較高，若操作不當會導致鋼軌內部產生缺陷，給城市軌道交通運行帶來安全隱患。超聲波檢測可以有效檢測鋼軌內部缺陷，國外目前尚無相關標準，國內大多采用YB/T951-2014《鋼軌超聲波探傷方法》對現有接頭進行檢測，但該標準僅適用于鋼軌檢測。標準中的檢測方法及標準試塊并沒有考慮到電纜與鋼軌焊接接頭的形狀、焊接工藝可能造成的組織變化及產生的缺陷，實際驗收過程中經常出現漏檢及誤檢的情況。圖1所示為采用K1橫波斜探頭檢測時常見的反射波曲線，檢測數據顯示該回波反射自焊接接頭區域。 對該處接頭進行射線檢測，結果如圖2所示，圖中未發現任何缺陷顯示，由此判斷該處回波是由接頭輪廓造成的，而不是缺陷引起的反射回波。

圖1 輪廓造成的反射波曲線

圖2 電纜與鋼軌焊接接頭射線檢測結果

因此，研究電纜與鋼軌焊接接頭的超聲波檢測方法并制定相應技術規范，對指導和驗收電纜與鋼軌焊接施工具有重要的意義。

1 電纜與鋼軌焊接接頭

圖3為常見電纜與鋼軌焊接接頭實物。鋼軌通常為50 kg·m-1鋼軌或60 kg·m-1鋼軌，電纜為用于均流、回流、續流供電及傳輸信號的銅質電纜，焊藥主要成分為銅的氧化物。

圖3 電纜與鋼軌焊接接頭實物

其焊接步驟如下：① 清潔并烘干模具；② 電纜剝皮并安裝銅套管；③ 打磨鋼軌軌腰待焊接表面；④ 安裝并調整焊接模具；⑤ 安裝待焊接電纜；⑥ 調整模具，使模具與鋼軌緊密貼合，用堵漏泥對縫隙處進行封堵；⑦ 預熱鋼軌；⑧ 將焊藥放入模具內，將點火器的接口與焊藥的接頭連接；⑨ 點燃焊藥；⑩ 模具拆卸。

焊藥反應過程的溫度可達到1 000 ℃以上，如果操作不當可能對鋼軌軌腰組織造成影響，如使其產生馬氏體組織甚至產生裂紋，一般采用超聲波檢測的方法對可能存在的缺陷進行檢測。

2 儀器設備及試塊

設備選用CTS-9006超聲波檢測儀，探頭選用K值為1、頻率為2.5 MHz的橫波斜探頭和頻率為5 MHz的雙晶探頭。針對電纜與鋼軌焊接接頭材料、結構，以及可能存在的缺陷設計了LG-1#試塊和LG-2#試塊。

圖4 LG-1#試塊結構示意

圖4為LG-1#試塊結構示意，試塊由焊接有電纜的鋼軌加工而成。鋼軌的軌腰一端焊接有電纜，另一端的斷面設有三個平底孔。焊接接頭的材料和焊接工藝與待測樣品的一致，且焊接接頭及附近熱影響區經射線檢測不存在缺陷。平底孔沿鋼軌的高度方向自上而下排列，平底孔的間距為20 mm，孔直徑均為2 mm，深度均為30 mm。銅焊點為半球形，半徑為20 mm。圖4中編號為2的平底孔的中心與銅焊點的中心在同一水平面，即該平底孔的中心距軌頂面的距離與待測鋼軌銅焊點中心距軌頂面的距離一致。

LG-2#試塊由鋼軌加工而成，鋼軌的軌腰一端設有3個橫通孔，另一端設有3個平底孔。橫通孔沿鋼軌的高度方向自上而下排列，間距為20 mm，孔直徑均為2 mm。平底孔沿鋼軌的長度方向自左向右排列，間距為20 mm，孔直徑均為2 mm，聲程分別為5,10,15 mm。平底孔的中心與圖5所示編號為2的橫通孔的中心在同一水平面，即這4個孔的中心距軌頂面的距離與待測鋼軌銅焊點中心距軌頂面的距離一致。

圖5 LG-2#試塊結構示意

3 檢測方法及檢測結果

利用上述試塊對電纜與鋼軌焊接接頭進行超聲波檢測，步驟如下：

(1) 選用K值為1，頻率為2.5 MHz的橫波斜探頭，在LG-1#試塊的軌頂面掃查銅焊點，記錄最強反射回波的位置及反射波強度，在實際檢測中,與該記錄信息一致的回波可判斷為輪廓波而非缺陷波。

(2) 選用K值為1，頻率為2.5 MHz的橫波斜探頭組成一發一收的雙探頭，在LG-1#試塊的軌頂面依次掃查3個平底孔，制作DAC曲線(距離-幅度曲線)，在待測鋼軌的軌頂面沿鋼軌縱向掃查焊接區域，通過待測鋼軌的缺陷反射波高與LG-1#試塊的標準缺陷反射波高進行比較確定待測鋼軌的缺陷當量尺寸，通過缺陷回波位置確定待測鋼軌的缺陷位置。

(3) 選用頻率為5 MHz的雙晶探頭，在LG-2#試塊的鋼軌軌腰處依次掃查3個平底孔，制作DAC曲線，在待測鋼軌的軌頂面沿鋼軌縱向掃查焊接區域，通過待測鋼軌的缺陷反射波高與LG-2#試塊的標準缺陷反射波高進行比較，確定待測鋼軌的缺陷當量尺寸，通過缺陷回波位置確定待測鋼軌的缺陷位置。

(4) 選用K值為1，頻率為2.5 MHz的橫波斜探頭，在LG-2#試塊的軌頂面依次掃查3個橫通孔，制作DAC曲線，在待測鋼軌的軌頂面沿鋼軌縱向掃查焊接區域，通過待測鋼軌的缺陷反射波高與LG-2#試塊的標準缺陷反射波高進行比較確定待測鋼軌的缺陷當量尺寸，通過缺陷回波位置確定待測鋼軌的缺陷位置。

為驗證該方法的有效性，利用鋼軌制作圖6所示驗證試塊。圖中A、B、C、D、E所示為5條不同方向的裂縫，裂縫寬度為0.5 mm，裂縫長度為5 mm，其中裂縫A、C垂直于軌底，裂縫B平行于軌底，裂縫D、E與軌底成45°角。

圖6 驗證試塊結構示意

檢測結果如表1所示，可以看出，5個方向的裂縫均可以檢出，未出現漏檢。其中，裂縫A、B、C、E深度偏差均在5 mm以內，裂縫D的偏差最大，達到了7 mm，這是輪廓波對該處裂縫的回波造成了一定的干擾所致。

表1 驗證試塊檢測結果

4 結論

(1) 與焊接電纜的無缺陷試塊進行對比,可以避免在檢測中將焊點的輪廓波誤判為缺陷波。

(2) 在試塊特定位置制作數量有限的標準缺陷，并用標準缺陷反射波高與實際缺陷反射波高進行比較確定缺陷當量尺寸，通過缺陷回波位置確定缺陷位置，可以解決軌腰焊接電纜的鋼軌缺陷的定位和定量,并能避免銅焊點輪廓波的干擾。

(3) 不同的掃查方式可以檢測出不同方向的裂紋及點狀缺陷，操作簡單，檢測結果準確。