電纜與鋼軌焊接接頭的超聲波檢測(cè)

(中鐵檢驗(yàn)認(rèn)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(xù)流電纜及信號(hào)電纜大多采用放熱焊接的方式與鋼軌相連。放熱焊接是國(guó)內(nèi)既有地鐵運(yùn)營(yíng)線路中廣泛應(yīng)用的焊接方式，其主要通過(guò)在一定高溫的條件下，鋁與銅的氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，銅被鋁置換出來(lái)，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(wěn)固分子結(jié)合，該方式相比傳統(tǒng)的金屬連接工藝具有更強(qiáng)的耐腐蝕能力、過(guò)載能力以及熱穩(wěn)定性，同時(shí)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(wú)需外加能源等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。

放熱焊在焊接過(guò)程中瞬間溫度較高，若操作不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致鋼軌內(nèi)部產(chǎn)生缺陷，給城市軌道交通運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。超聲波檢測(cè)可以有效檢測(cè)鋼軌內(nèi)部缺陷，國(guó)外目前尚無(wú)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)大多采用YB/T951-2014《鋼軌超聲波探傷方法》對(duì)現(xiàn)有接頭進(jìn)行檢測(cè)，但該標(biāo)準(zhǔn)僅適用于鋼軌檢測(cè)。標(biāo)準(zhǔn)中的檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)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(chǎn)生的缺陷，實(shí)際驗(yàn)收過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)漏檢及誤檢的情況。圖1所示為采用K1橫波斜探頭檢測(cè)時(shí)常見的反射波曲線，檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示該回波反射自焊接接頭區(qū)域。 對(duì)該處接頭進(jìn)行射線檢測(cè)，結(jié)果如圖2所示，圖中未發(fā)現(xiàn)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(cè)結(jié)果

因此，研究電纜與鋼軌焊接接頭的超聲波檢測(cè)方法并制定相應(yīng)技術(shù)規(guī)范，對(duì)指導(dǎo)和驗(yàn)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(shí)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(xù)流供電及傳輸信號(hào)的銅質(zhì)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(shí)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(diào)整焊接模具；⑤ 安裝待焊接電纜；⑥ 調(diào)整模具，使模具與鋼軌緊密貼合，用堵漏泥對(duì)縫隙處進(jìn)行封堵；⑦ 預(yù)熱鋼軌；⑧ 將焊藥放入模具內(nèi)，將點(diǎn)火器的接口與焊藥的接頭連接；⑨ 點(diǎn)燃焊藥；⑩ 模具拆卸。

焊藥反應(yīng)過(guò)程的溫度可達(dá)到1 000 ℃以上，如果操作不當(dāng)可能對(duì)鋼軌軌腰組織造成影響，如使其產(chǎn)生馬氏體組織甚至產(chǎn)生裂紋，一般采用超聲波檢測(cè)的方法對(duì)可能存在的缺陷進(jìn)行檢測(cè)。

2 儀器設(shè)備及試塊

設(shè)備選用CTS-9006超聲波檢測(cè)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(duì)電纜與鋼軌焊接接頭材料、結(jié)構(gòu)，以及可能存在的缺陷設(shè)計(jì)了LG-1#試塊和LG-2#試塊。

圖4 LG-1#試塊結(jié)構(gòu)示意

圖4為L(zhǎng)G-1#試塊結(jié)構(gòu)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(shè)有三個(gè)平底孔。焊接接頭的材料和焊接工藝與待測(cè)樣品的一致，且焊接接頭及附近熱影響區(qū)經(jīng)射線檢測(cè)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(diǎn)為半球形，半徑為20 mm。圖4中編號(hào)為2的平底孔的中心與銅焊點(diǎn)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(cè)鋼軌銅焊點(diǎn)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(shè)有3個(gè)橫通孔，另一端設(shè)有3個(gè)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(zhǎng)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(hào)為2的橫通孔的中心在同一水平面，即這4個(gè)孔的中心距軌頂面的距離與待測(cè)鋼軌銅焊點(diǎn)中心距軌頂面的距離一致。

圖5 LG-2#試塊結(jié)構(gòu)示意

3 檢測(cè)方法及檢測(cè)結(jié)果

利用上述試塊對(duì)電纜與鋼軌焊接接頭進(jìn)行超聲波檢測(cè)，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(diǎn)，記錄最強(qiáng)反射回波的位置及反射波強(qiáng)度，在實(shí)際檢測(cè)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(fā)一收的雙探頭，在LG-1#試塊的軌頂面依次掃查3個(gè)平底孔，制作DAC曲線(距離-幅度曲線)，在待測(cè)鋼軌的軌頂面沿鋼軌縱向掃查焊接區(qū)域，通過(guò)待測(cè)鋼軌的缺陷反射波高與LG-1#試塊的標(biāo)準(zhǔn)缺陷反射波高進(jìn)行比較確定待測(cè)鋼軌的缺陷當(dāng)量尺寸，通過(guò)缺陷回波位置確定待測(cè)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(gè)平底孔，制作DAC曲線，在待測(cè)鋼軌的軌頂面沿鋼軌縱向掃查焊接區(qū)域，通過(guò)待測(cè)鋼軌的缺陷反射波高與LG-2#試塊的標(biāo)準(zhǔn)缺陷反射波高進(jìn)行比較，確定待測(cè)鋼軌的缺陷當(dāng)量尺寸，通過(guò)缺陷回波位置確定待測(cè)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(gè)橫通孔，制作DAC曲線，在待測(cè)鋼軌的軌頂面沿鋼軌縱向掃查焊接區(qū)域，通過(guò)待測(cè)鋼軌的缺陷反射波高與LG-2#試塊的標(biāo)準(zhǔn)缺陷反射波高進(jìn)行比較確定待測(cè)鋼軌的缺陷當(dāng)量尺寸，通過(guò)缺陷回波位置確定待測(cè)鋼軌的缺陷位置。

為驗(yàn)證該方法的有效性，利用鋼軌制作圖6所示驗(yàn)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(zhǎng)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(yàn)證試塊結(jié)構(gòu)示意

檢測(cè)結(jié)果如表1所示，可以看出，5個(gè)方向的裂縫均可以檢出，未出現(xiàn)漏檢。其中，裂縫A、B、C、E深度偏差均在5 mm以內(nèi)，裂縫D的偏差最大，達(dá)到了7 mm，這是輪廓波對(duì)該處裂縫的回波造成了一定的干擾所致。

表1 驗(yàn)證試塊檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 與焊接電纜的無(wú)缺陷試塊進(jìn)行對(duì)比,可以避免在檢測(cè)中將焊點(diǎn)的輪廓波誤判為缺陷波。

(2) 在試塊特定位置制作數(shù)量有限的標(biāo)準(zhǔn)缺陷，并用標(biāo)準(zhǔn)缺陷反射波高與實(shí)際缺陷反射波高進(jìn)行比較確定缺陷當(dāng)量尺寸，通過(guò)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(diǎn)輪廓波的干擾。

(3) 不同的掃查方式可以檢測(cè)出不同方向的裂紋及點(diǎn)狀缺陷，操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。