鋼軌焊接接頭超聲探傷缺陷分析

□ 方延安 □ 黎 偉

中國鐵路武漢局集團有限公司武漢工務大修段 武漢 430070

1 鋼軌焊接接頭探傷概述

無縫線路是高鐵線路基礎的重要組成部分。隨著我國高鐵建設的日益發展,截止到2019年年底,我國高鐵總運營里程已達3.5萬km,累計鋼軌焊接接頭達66萬個,居世界第一。目前,無縫線路鋼軌焊接主要有閃光焊、氣壓焊、鋁熱焊三種不同的焊縫形式。由于焊接設備、工藝、鋼軌材質等多種因素的影響,鋼軌焊縫內部會出現危害性缺陷。如果缺陷未及時檢出并鋪設到高鐵線路上,可能造成鋼軌折斷,引發重大鐵路交通事故。統計表明,全路接近2/3的鋼軌折斷發生在鋼軌接頭區域,鋼軌接頭焊縫是無縫線路最薄弱的環節,加強鋼軌焊接接頭的探傷檢測是確保鐵道線路和高鐵運營安全的最有效方法。

目前,我國無縫線路鋼軌焊接接頭探傷的方式主要有磁粉探傷、渦流探傷、超聲探傷等,鋼軌固定式閃光焊接接頭一般使用超聲探傷。按超聲探傷設備與掃查方式的不同,超聲探傷分為人工手持超聲探傷儀探傷、相控陣探傷、自動掃查架探傷、探傷機探傷等。

2 超聲探傷原理和方法

鋼軌焊接接頭超聲探傷包括焊縫及焊縫熱影響區探傷。超聲探傷基于聲波在異質界面上的反射原理和在介質中傳播時的衰減原理進行探傷。聲波在鋼軌中傳播時,若遇有缺陷或界面,會產生反射,反射波帶有鋼軌內部的信息,由此可以判斷鋼軌焊接接頭缺陷的位置和大小等。

鋼軌焊接接頭內部缺陷按形狀分為體積狀缺陷和平面狀缺陷兩大類。體積狀缺陷一般采用單探頭法進行探測,平面狀缺陷平行于鋼軌焊縫,只能用橫波進行斜入射探傷。聲波斜入射時,反射波會按照反射定律在其它方向傳播,同一探頭無法收到反射波,所以平面狀缺陷一般使用雙探頭法進行探測。雙探頭法探測中,一個探頭發射信號,另一個探頭接收信號。兩個探頭在同一探測面上一前一后同向放置,以同樣的速度向同一方向掃查,稱為串列式掃查。兩個探頭分別在相對的兩個探測面上相向放置,以同樣的速度向同一方向掃查,稱為K型掃查。由于鋼軌截面為異形截面,按截面將鋼軌焊接接頭劃分為四個區域,不同區域采用不同的探頭和掃查方式進行探傷。鋼軌焊接接頭截面分區與掃查方式如圖1所示。K值為橫波在鋼軌中傳播時折射角的正切值,如圖2所示。

圖1 鋼軌焊接接頭截面分區與掃查方式

圖2 K值示意圖

1區為鋼軌軌腰及其延伸部分,從鋼軌踏面上對軌腰至軌底采用K=0.8～1橫波探頭進行串列式掃查,以及采用K=0.8～1橫波單探頭進行掃查。在焊軌基地,若鋼軌軌底允許放置探頭,也可采用K=0.8～1橫波探頭進行K型掃查。2區為鋼軌軌底部分,一般采用K=0.8～1橫波探頭進行K型掃查。3區為鋼軌底腳部分,一般采用K≥2橫波單探頭進行掃查,用一次波掃查鋼軌底腳下部,用二次波掃查鋼軌底腳上部。4區為鋼軌軌頭部分,可從軌頭兩側用K=0.8～1橫波探頭進行K型掃查,從鋼軌踏面或軌頭側面采用K≥2橫波單探頭進行掃查。

3 回波顯示與缺陷定位

武漢焊軌基地焊接的攀鋼U75V60N熱軋鋼軌焊接接頭,焊機為瑞士產GAAS80/580直流閃光焊機。鋼軌焊接接頭經粗銑、焊后熱處理、24 h時效熱處理、矯直、精銑后,進行超聲探傷。探傷儀器為CTS-1010HT型手工探傷儀,通過手工掃查方式探傷。

在1區,使用K=1橫波單探頭,從鋼軌踏面對軌腰及其延伸部分進行掃查,校準后探傷靈敏度為76 dB,缺陷回波為88%,缺陷位于鋼軌軌底,從鋼軌踏面向下175.8 mm的位置。超聲探傷缺陷回波圖像如圖3所示。

圖3 超聲探傷缺陷回波圖像

4 落錘試驗與斷口

落錘試驗是鋼軌焊接接頭斷口質量驗證常用的方法,按照TB/T 1632—2014《鋼軌焊接》規定的落錘試驗標準進行試驗。錘質量為1 000 kg,落錘高度為5.2 m,支距為1 m。試件長度為1.3 m,焊縫居中,試件溫度為25 ℃。落錘時一錘擊斷,落錘試驗結果不合格。落錘斷口宏觀形貌及斷裂起源分別如圖4、圖5所示。

圖4 落錘斷口宏觀形貌

圖5 落錘斷口斷裂起源

從斷口形貌可以看出,整個斷口平整,有明顯的脆性斷口特征。斷裂起源在鋼軌距離軌底表面1.5 mm,距離右側軌腳邊緣69 mm處。斷口斷裂起源的位置與探傷缺陷回波定位基本一致,缺陷回波深度定位與實際有1.3 mm誤差。斷裂起源處有放射狀紋路向四周擴展,為解理斷裂,缺陷所在處即為斷裂起源。

5 取樣分析

5.1 缺陷微觀與能譜分析

在鋼軌焊接接頭斷裂起源處取樣,經酒精清洗后在金相顯微鏡下進行觀察,如圖6所示。圖6(a)顯示斷裂起源部位整體向下凹陷,形成孔洞形貌。圖6(b)顯示斷裂起源及周邊區域可以觀察到自由表面特征,同時存在大量微裂紋。圖6(c)、圖6(d)顯示在斷裂起源處及微裂紋內都可以觀察到大量灰色片狀物。

圖6 斷裂起源微觀形貌

對鋼軌焊接接頭斷裂起源處的微裂紋內部進行能譜分析,如圖7所示。能譜分析結果顯示,微裂紋內部物質由氧、鐵、硅、錳等元素構成,是含有非金屬的復合氧化物。

圖7 斷裂起源能譜分析

5.2 金相組織分析

在鋼軌焊接接頭斷裂起源部位取縱截面金相試樣,經鑲嵌、打磨、拋光,將試樣放入3%硝酸溶液內浸蝕觀察,如圖8所示。由圖8(a)可見,斷裂起源位于鋼軌焊縫上。在金相顯微鏡下進行觀察,斷裂起源部位存在孔洞形貌,可見金相組織為珠光體,如圖8(b)所示。正常鋼軌焊接接頭處的組織為珠光體+鐵素體,如圖8(c)所示。在斷裂起源附近的鋼軌軌底表面處未觀察到組織流變特征,未見晶界熔化樣貌,如圖8(d)所示。過燒缺陷是鋼軌焊接常見的缺陷之一,過燒缺陷的明顯特征是黑色蜂窩狀,顯微組織觀察有晶界熔化特征。從金相組織分析來看,不存在過燒缺陷。

圖8 金相組織

在鋼軌焊接過程中,由于鋼軌焊接端面被氧化,形成了含有氧、硅、錳等元素的非金屬復合氧化物。非金屬復合氧化物熔點高,在焊縫組織冷卻結晶過程中,非金屬復合氧化物周圍的基體組織冷卻收縮,在非金屬復合氧化物周圍形成孔洞、微裂紋等缺陷,造成鋼軌焊縫金屬組織結構不連續。鋼軌焊接接頭的孔洞、微裂紋缺陷使超聲探傷產生缺陷回波,落錘一錘擊斷。

6 結論

對超聲探傷不合格鋼軌焊接接頭進行落錘驗證,落錘一錘擊斷。落錘斷口斷裂起源的位置與探傷缺陷回波定位基本一致。斷裂起源處有放射狀紋路向四周擴展,為解理斷裂。

落錘斷口取樣進行顯微組織分析,斷裂起源處存在孔洞與微裂紋,物質成分為非金屬復合氧化物。斷裂起源及附近未觀察到組織流變特征,未見晶界熔化樣貌,不存在過燒缺陷。

在鋼軌焊接過程中,氧化形成的高熔點非金屬復合氧化物殘留于鋼軌焊接接頭內,冷卻結晶過程中在高熔點非金屬復合氧化物周圍形成孔洞與微裂紋,最終形成缺陷。

通過增大焊接電流,可以提高焊接熱量輸入,增大頂鍛變形量,消除缺陷。