超聲波技術(shù)在高鐵鋼軌焊縫探傷中的應(yīng)用

李金川

（航宇救生裝備有限公司，湖北襄樊 441000）

0 引言

頻率＞20 kHz的機(jī)械波是超聲波。超聲波具有方向性集中，加速度大等特點(diǎn)，在不同的媒質(zhì)界面，超聲波的大部分能量會被反射。超聲波具有穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，幾乎可以在任何物體中傳播。

鋼軌焊縫質(zhì)量直接關(guān)系著鐵路運(yùn)輸安全，焊接工藝操作失誤等原因引起的焊縫缺陷，需利用無損檢測方法及時(shí)檢測，超聲波檢測是一種有效的檢測方式。近年來，超聲相控陣檢測技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域取得到良好應(yīng)用，應(yīng)用于鋼軌焊縫檢測可提高檢測效率，超聲相控陣束聚焦能量強(qiáng)，可避免常規(guī)超聲檢測中出現(xiàn)的漏檢情況。

利用超聲波探傷儀進(jìn)行鋼軌鋁熱焊焊縫探傷時(shí)，遇到鋼軌內(nèi)缺陷會發(fā)生相互作用，產(chǎn)生衍射波，從而檢測出其中缺陷。通常采用縱斜波探頭進(jìn)行探傷檢測，衍射信號更易被探頭接收。

1 高速鐵路鋼軌鋁熱焊探傷

高速鐵路鋼軌焊接主要有閃光焊、氣壓焊、鋁熱焊和電弧焊4種方法：閃光焊主要用于廠焊和基地焊；移動(dòng)閃光焊和移動(dòng)氣壓焊用于單元軌節(jié)現(xiàn)場焊；鋁熱焊和電弧焊用于現(xiàn)場鎖定焊、大修換軌和道岔焊接。閃光焊焊接接頭質(zhì)量和生產(chǎn)效率最佳，相對于閃光焊，氣壓焊在單元軌節(jié)焊接中成本優(yōu)勢明顯。鋁熱焊和電弧焊屬于鋼軌原位焊接，鋁熱焊操作簡單靈活，應(yīng)用范圍廣，但焊接接頭綜合性能較差。電弧焊在日本應(yīng)用廣泛，中國正在開展全自動(dòng)鋼軌窄間隙電弧焊設(shè)備的研究開發(fā)和應(yīng)用試驗(yàn)。由于鋁熱焊在高速鐵路鋼軌焊接中應(yīng)用廣泛且焊接接頭綜合性能較弱，因此需要加強(qiáng)對鋁熱焊焊縫的檢測。

對鋼軌焊縫進(jìn)行探傷時(shí)，除了會遇到疲勞缺陷，還會遇到如夾雜、氣孔、光斑等其他缺陷。光斑等缺陷因反射較弱，不易探測，鋼軌疲勞段因軌底嚴(yán)重銹蝕等原因造成陳舊性傷損。在氣壓焊與鋁熱焊縫邊緣，因應(yīng)力集中易產(chǎn)生軌底橫向裂紋。鋁熱焊縫邊緣在軌頭下與溢流飛邊交界處也易產(chǎn)生缺陷，該類型缺陷可直接造成鋼軌折斷，發(fā)展速度快，是最危險(xiǎn)的缺陷。

平面狀缺陷一般平行于焊縫或垂直于探測面。平面狀缺陷一般要用雙探頭進(jìn)行探測，因用橫波探頭探傷時(shí)，反射聲波無法直接返回探頭。常用探傷方法有單探頭法，K形掃查法與串聯(lián)式掃查法。鋼軌焊縫探傷時(shí)，一般將焊縫劃分為4個(gè)區(qū)（圖1）。1區(qū)一般采用45°串聯(lián)式做穿透式掃查，便于對損傷進(jìn)行定位定量。鋁熱焊軌底存在多余焊筋，對探測軌底三角區(qū)不利，應(yīng)仔細(xì)觀察焊筋輪廓底波，焊筋輪廓波顯示在正常波底后，如無顯示，排出外界因素?zé)o顯示，判為有傷。2區(qū)一般用K形掃查。3區(qū)一般采用單探頭掃查。4區(qū)可從軌頭兩側(cè)用K型方式進(jìn)行掃查。在軌頭檢測時(shí)，除因焊筋輪廓不規(guī)則外，大多為輪廓與木材料間存在損傷。

我國鋼軌鋁熱焊焊接技術(shù)研究始于20世紀(jì)60年代，該焊接工藝具有儀器易操作，焊接速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為我國無縫線路主要的焊接形式之一。鋁熱焊焊接比其他焊接方法更易形成大型的焊接不連續(xù)性。焊筋結(jié)構(gòu)反射回波會對超聲檢測造成嚴(yán)重干擾，因此對焊筋結(jié)構(gòu)反射回波的識別非常重要。

圖1 鋼軌焊縫分區(qū)

2 探傷原理與常用探傷方法

2.1 探傷原理

探傷是對材料工件組件進(jìn)行非破壞性檢測分析，探傷方法可分為6大類70多種。常用的有超聲，射線、滲透、磁粉與渦流等5種探傷方法。超聲波檢測利用超聲波在材料中傳播時(shí)，遇到界面反射的聲訊號，檢測被測物內(nèi)缺陷情況。超聲波探傷原理分為脈沖反射，投射與共振法。

（1）脈沖反射檢測原理。利用超聲波入射到2種不同介質(zhì)交界面發(fā)生反射?？刹捎猛惶筋^兼作發(fā)射接收。

（2）脈沖投射判斷缺陷。根據(jù)脈沖波或穿透工件的能量變化，脈沖投射將發(fā)射、接收探頭置于被檢測件兩側(cè)，保證探頭與試件間良好的聲耦合。

（3）共振法檢測原理。被檢測工件厚度為超聲波半波長整數(shù)倍時(shí)會引起共振，用相鄰共振差計(jì)算工件厚度。

2.2 常用探傷方法

目前鋼軌鋁熱焊焊縫探傷設(shè)備主要是數(shù)字焊縫通用探傷儀。該設(shè)備是一種掌上全數(shù)字化儀器，顯示屏大，功能全，重量輕，實(shí)用于工務(wù)系統(tǒng)的鋼軌焊縫與軌道車車軸探傷。主要用作接頭焊縫年檢與復(fù)查，可判斷焊縫損傷情況，可對已發(fā)生損傷精細(xì)定位定量探傷。

體積狀缺陷采用單探頭法，平面狀缺陷采用單、雙與和陣列探頭法。用K形與串列式掃查時(shí)，探頭相對或背向等速相對移動(dòng)，借助專門的掃查裝置，停頓下進(jìn)行探測。缺點(diǎn)是不能進(jìn)行連續(xù)掃查，難以對熱影響區(qū)進(jìn)行掃查。連續(xù)探傷法可對焊縫連續(xù)掃查，其工作原理是組成20個(gè)不同的探傷狀態(tài)，探頭不動(dòng)時(shí)，掃查到20個(gè)分立點(diǎn)，探頭移動(dòng)時(shí)，兩斜線隨之移動(dòng)，完成對焊縫的全部掃查。軌底與軌頭兩側(cè)仍需用手工或其他法進(jìn)行掃查。

采用鋼軌焊縫探傷掃查架探傷的優(yōu)勢：新線開通前利用鋼軌焊縫探傷掃查架探傷條件更佳?？衫娩撥壓缚p探傷掃查架探傷的地理?xiàng)l件與環(huán)境優(yōu)勢，施工作業(yè)方式采用夜間電客車停運(yùn)后封鎖區(qū)間作業(yè)，有利于進(jìn)行鋼軌焊縫探傷掃查架對高鐵鋼軌探傷。新開線開通前利用鋼軌焊縫探傷掃查架探傷，有利于精確檢測，利用鋼軌焊縫探傷掃查架探傷時(shí)能及時(shí)準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)缺陷，保證驗(yàn)收軌道鋼軌質(zhì)量。

3 焊縫全斷面探傷

3.1 焊縫軌頭探傷

一般用探頭在軌頂面進(jìn)行縱向移動(dòng)掃查，以得到焊縫軌頭全面掃查。由于探頭接觸面過小，可用偏角縱向移動(dòng)掃查焊縫軌頭。

探測焊縫軌頭時(shí)，探頭距焊縫中心80 mm，焊縫缺陷直徑＜超聲束寬度，超聲束可同時(shí)在缺陷與焊筋上反射，熒光屏同時(shí)顯示缺陷波與焊筋輪廓波。缺陷直徑＞超聲束寬度，熒光屏只顯示缺陷波。將探頭放在軌面中心移動(dòng)掃查，可發(fā)現(xiàn)軌頭下顎與軌腰連接圓弧處存在的缺陷。焊縫中損傷取向不同，為提高傷損檢出率，應(yīng)校對探頭側(cè)與鄂部。

兩斜探頭分別置于鋼軌軌頭兩側(cè)面，適用于缺陷反射面與探測垂直片狀缺陷檢測。探傷時(shí)兩探頭同時(shí)同速縱向移動(dòng)。一對探頭相對位置不變，可用兩探頭按一定規(guī)律放置的方式進(jìn)行掃查，完成整個(gè)橫截面探測。探傷前根據(jù)焊縫寬度、探頭聲束寬度、掃查密度等計(jì)算掃查頻次與入射點(diǎn)位置。

軌頭焊縫內(nèi)無缺陷，B探頭接受不到回波，A探頭發(fā)射的聲波經(jīng)軌頭側(cè)面向前反射，熒光屏無回波顯示。軌頭內(nèi)有垂直于縱向的片狀缺陷，A探頭發(fā)射的超聲波經(jīng)缺陷反射被B探頭接收，當(dāng)缺陷處于探頭掃查區(qū)外，無回波顯示。

3.2 焊縫軌腰探傷

（1）直探頭置于軌面縱向中部，縱向緩慢移動(dòng)探頭掃查，檢測焊縫中反射面與探測面平行的缺陷利用一次波檢出軌頭至軌底部焊縫中體積型缺陷。

（2）直探頭在焊縫探傷中，熒光屏除始波，會顯示軌底反射回波。焊縫軌腰中有較大平面狀缺陷，只有缺陷波顯示。

（3）鋁熱焊縫邊緣缺陷疲勞裂紋位于軌腰表面與溢流飛邊交界根部，在斷口疲勞紋源處取金相試樣檢測裂紋處金相組織與焊接質(zhì)量，分析母材料化學(xué)成分及組織。

（4）鋁熱焊縫中有粗晶等缺陷時(shí)，發(fā)生散射，使聲波無法在軌底產(chǎn)生足夠的反射能量。焊縫中存在傾斜片狀缺陷，造成軌底波消失。

（5）串列式反射法用于探測焊縫中垂直軌面片狀缺陷。兩探頭放置同一探測面，探傷時(shí)兩探頭保持一定距離同時(shí)縱向移動(dòng)。通過調(diào)整兩探頭間距完成全面掃查。

采集的鋼軌反射回波信息波形見圖2，波形圖上無法看出鋼軌缺陷。小波分析具有同時(shí)分析信號視域與頻域的功能，用小波分析技術(shù)變化檢測信號，重構(gòu)故障特征信號，通過希爾伯特解調(diào)細(xì)化頻譜分析，檢測鋼軌故障信息，判斷故障位置。

圖2 采集缺陷信號功率譜

3.3 焊縫軌底探傷

將軌底分為軌底兩側(cè)與軌腰與軌底連接部，根據(jù)軌底角與聲束對應(yīng)關(guān)系，將軌底角分為6個(gè)探測區(qū)，按不同偏角與位置進(jìn)行縱向移動(dòng)探頭檢查。1,3次波探測焊縫下半部，2次波探測焊縫上半部。（圖3）。掃查軌底角1～3區(qū)，探頭入射點(diǎn)距焊縫中心約65 mm，顯示焊筋上輪廓波。探頭距焊縫中心90 mm左右，顯示焊筋下輪廓波。掃查軌底角4～6區(qū)，熒光平水平刻度為2.5 mm左右。探頭距焊縫中心約95 mm。顯示焊筋上輪廓波。當(dāng)缺陷直徑＜超聲波束寬時(shí)，同時(shí)顯示焊筋波與缺陷波，兩波間隔為1 mm左右，兩波間隔小，說明缺陷與對側(cè)焊筋近。缺陷直徑＞聲波束寬，熒光屏只顯示缺陷波。軌底探傷與軌頭K形探傷相同，缺陷部位與傷損波形顯示和軌頭雙探頭法結(jié)果類似。

圖3 軌底探傷單探頭法操作

4 探傷過程注意事項(xiàng)

（1）掃查速度與力度。探頭在探測面移動(dòng)速度＜10 m/s，掃查速度過快，易造成焊縫內(nèi)缺陷漏檢。應(yīng)予以探頭一致的壓力，避免引起探傷靈敏度不穩(wěn)定。

（2）探傷靈敏度的調(diào)節(jié)。同鋼軌焊縫探傷前，先調(diào)節(jié)確定探傷靈敏度，探傷掃查應(yīng)在（4～6）dB，提高損傷檢出率。發(fā)現(xiàn)缺陷后進(jìn)行各項(xiàng)測量時(shí)，應(yīng)在規(guī)定探傷靈敏度下操作，減少缺陷定量誤差。

（3）探傷掃查寬度。鋁熱焊縫掃查應(yīng)遍及焊縫全寬度，對距焊縫中心≥200 mm的探測面進(jìn)行備制,使探測面粗糙度＜12.5 μm。提高探傷的可靠性。

（4）分析探傷儀回波顯示。軌頭探測要掌握內(nèi)外側(cè)焊筋波不同顯示規(guī)律，確定缺陷波與焊筋波，按水平計(jì)算值用鋼尺定位，防止漏檢與誤判。

（5）注意聲束范圍外的區(qū)域檢查。K形或串列式探傷中，軌頭上角、規(guī)定上部區(qū)域是探傷掃查困難處，應(yīng)采用其他方法進(jìn)行彌補(bǔ)探傷。

（6）注意探測面附近區(qū)域探傷。探測面附近存在探傷掃查不足區(qū)域，可采用單探頭或組合探頭自發(fā)自收方式，完成對探測面附近區(qū)域探傷。

焊縫不屬于鋼軌，是連接鋼軌的紐帶，易出現(xiàn)損傷，且比普通鋼軌探傷更困難。因此在實(shí)際焊縫探傷中，應(yīng)注意操作規(guī)范。

5 結(jié)語

近年的研究實(shí)踐證明，觀察波形是檢查焊縫確定損傷最重要的環(huán)節(jié)，仔細(xì)觀察各種損傷出波位置、波形、位移等，總結(jié)出各種焊縫損傷波形的規(guī)律。鋁熱焊接中未焊透缺陷反射波形多尖，幅度低、位移短、波峰長；裂紋缺陷回波較長、位移強(qiáng)、夾雜缺陷波形松散。

焊縫探傷中要注意假象回波的鑒別。鋁熱焊接頭有棱角波，有的幾乎與損傷在同一位置出波，極易誤判，探傷人員應(yīng)具備一定的焊縫判斷知識與經(jīng)驗(yàn)。假象回波也有一定規(guī)律性，如軌下臺階波等，可采用看聲程等方法進(jìn)行鑒別。