鋼軌閃光焊焊縫常見缺陷分析及探傷方法研究

凌文舉 中國鐵路上海局集團有限公司上海工務段

閃光焊是電阻焊的一種，它將兩個待焊接的鋼軌端固定在焊機夾具上，利用低電壓大電流加在被焊鋼軌上產生的電阻熱，使軌端加熱至表面融化狀態(tài)，然后立即斷電并加壓，在壓力下使兩鋼軌端面互相結晶，使兩節(jié)鋼軌焊接在一起。隨著科技發(fā)展，目前已經生產出適合現場焊接的移動式接觸焊，不僅能夠完成聯合接頭焊接、單元焊接，而且能夠完成鋼軌與道岔的閉合焊接。

1 閃光焊焊縫缺陷的種類及產生的原因

焊接設備、焊接材料、氣溫條件和操作工藝等因素都會影響焊接質量，在焊縫內產生缺陷（見表1）。

表1 鋼軌閃光焊焊縫缺陷

2 閃光焊焊縫缺陷分析

目前，評判焊接工藝參數的好壞，多是以落錘試驗結果作為質量評判方法。我們在參與滬寧城際、京滬高鐵和滬蘇通高鐵等線路的閃光焊焊縫落錘試驗中，發(fā)現閃光焊焊縫的微觀缺陷主要為灰斑引起的裂紋、其他裂紋和未焊合。

（1）灰斑引起的裂紋（見圖1）。

圖1 灰斑引起的裂紋

常見的裂紋就是軌腳端部焊縫裂紋。鋼軌閃光焊軌腳端部焊縫比較容易出現灰斑，軌腳邊緣裂紋位于焊縫中心，裂紋從表面沿焊縫中心一直延伸至內部，并且，裂紋兩邊并不是完全對應，局部較寬，這說明，裂紋是在焊接時形成的。這種裂紋的長度一般較長，超過一定時，有時會沿著整個端面開裂。由于裂紋的長度較長，危害性較大，有時焊接接頭水平方向的矯直過程中，就會引起鋼軌焊接接頭斷裂。

（2）其他裂紋

第一種：垂直焊縫的熱影響區(qū)裂紋（見圖2）。對推凸余量磨平后，回波峰值下降的鋼軌表面進行研磨，發(fā)現右側較白處為焊縫，左側為熱影響區(qū)。裂紋不在焊縫中心，而是位于熱影響區(qū)的過熱區(qū)。該裂紋的特點是裂紋沿焊縫邊緣的熱影響區(qū)的過熱區(qū)分布，并且位于焊縫一側（左邊），由此判斷，裂紋的產生與焊接推凸有一定關系。高溫下的過熱區(qū)是焊接接頭較為薄弱的區(qū)域，強度比其他區(qū)域低，隨著推凸進行，表面和表面近區(qū)金屬大角度彎曲變形，當超過極限值后，該區(qū)域就會產生裂紋。

圖2 垂直焊縫的熱影響區(qū)裂紋

第二種：與焊縫呈一定角度的熱影響區(qū)裂紋（見圖3）。從現場做落錘試驗發(fā)現裂紋沿著50°左右的方向擴展，裂紋也在過熱區(qū)。從裂紋方向可以看出，此裂紋與推凸方向正好相反，裂紋開裂方向和鋼軌內部的帶狀組織的方向一致。帶狀組織由于頂鍛變形，使得熱影響區(qū)金屬發(fā)生大角度的彎曲變形，而裂紋處的變形最大。在隨后的推凸過程中，裂紋處再次發(fā)生變形（靠近表面部位發(fā)生向右方向的彎曲）。在頂鍛和推凸雙重變形的作用下，該處產生微觀裂紋。

圖3 與焊縫呈一定角度的熱影響區(qū)裂紋

（3）未焊合缺陷（見圖4）

圖4 未焊合缺陷

未焊合缺陷的產生是由于焊接工藝方法使用不當，焊接參數使用不合適，燒化過程太弱或不穩(wěn)定，燒化過程結束到頂鍛開始之間的過渡不夠急速或有停頓，空氣侵入焊口，頂鍛速度太慢或帶電頂鍛不足，頂鍛留量過大，頂鍛壓力不足，使焊口封閉太慢或未能真正密合。缺陷多位于軌頭中心、軌底三角區(qū)。

3 探傷方法

3.1 儀器設備要求

（1）儀器

性能符合JB/T10061-1999 A 型脈沖反射式超聲波探傷儀通用技術條件并達到以下技術要求：

衰減器總量≥80 dB；

放大器帶寬不小于1 MHz～8 MHz；

靈敏度余量≥55 dB（2.5 MHz縱波）；

分辨率≥26 dB（2.5 MHz縱波）；

垂直線性誤差≤4%；

水平線性誤差≤2%；

阻塞范圍≤10 mm；

數字探傷儀采樣頻率≥100 MHz。

（2）探頭

2.5 MHz K2.5 探頭；2.5 MHz K1 探頭；2.5 MHz 直探頭；雙探頭（2.5 MHz K0.75～K1）。新焊閃光焊宜使用4 MHz 探頭。

上述超聲波探頭應符合如下要求：

①無雙峰和波形抖動現象，探頭前沿長度應滿足探傷掃查范圍的需要。

②回波頻率及其誤差：回波頻率誤差≤10%。

③折射角誤差：K1探頭≤1.5°；K2.5探頭≤2°

④橫波探頭分辨率：4 MHz探頭≥22 dB；2.5 MHz≥20 dB。

⑤橫波單探頭始脈沖寬度（R100 圓弧面增益40 dB）：4 MHz探頭≤20 mm；2.5 MHz探頭≤25 mm。

⑥相對靈敏度：縱波直探頭≥55 dB；2.5 MHz 橫波探頭≥65 dB；4 MHz橫波探頭≥60 dB。

（3）試塊

CSK-1A 標準試塊、CS-1-5 試塊、GHT-1、GHT-5 對比試塊。

3.2 探傷靈敏度調節(jié)

（1）K2.5探頭軌頭部位

將GHT-5試塊上B區(qū)5號（深60 mm）Φ3 mm橫孔反射波高調整到滿幅度的80%，作為K2.5探頭軌頭部位的探傷靈敏度基準。

（2）K2.5探頭軌底部位

將GHT-5 試塊上C 區(qū)2 號Φ4 mm 豎孔上棱角的二次反射波調整到滿幅度的80%，作為K2.5探頭軌底部位的探傷靈敏度基準。

（3）K1探頭

將GHT-5 試塊上B 區(qū)8 號（深160 mm）Φ3 mm 橫孔反射波高調整到滿幅度的80%作為K1探頭探傷靈敏度基準。

（4）0°探頭

將GHT-5 試塊上7 號（深160 mm）Φ5 mm 橫孔反射波幅度調整到滿幅度的80%作為0°探頭的探傷靈敏度基準。

（5）雙探頭串列式掃查

雙探頭串列式掃查探測GHT-1a 試塊4 號（距軌底面40 mm）φ3 mm 平底孔，調節(jié)平底孔波幅到80%作為探傷靈敏度基準。

（6）雙探頭軌頭部位K型掃查

探測GHT-1b 試塊上2 號φ3 mm 平底孔，調節(jié)波幅到80%作為探傷靈敏度基準。

3.3 探傷作業(yè)

（1）軌頭探傷（在焊后質量檢驗中，應增加軌頭兩側雙K1對軌頭進行K型掃查）

用K2.5 單斜探頭在軌頭踏面上作鋸齒形掃查（見圖5），掃查范圍要保證軌頭探測面全覆蓋。

圖5 鋸齒形掃查

根據缺陷存在的部位，鋼軌受力狀態(tài)和始波占寬影響必須運用偏20°角的二次波探測軌頭兩側上方缺陷。

用偏角掃查方式加強對頭腰結合部焊筋邊緣缺陷的探測（見圖6）。在焊后推瘤過程中往往由于推刀不夠鋒利形成下顎臺階，探傷檢驗中產生單一方向輪廓回波，可以通過打磨使之平順，探測回波消失，同時注重本側下顎部位的檢測，提高微裂紋的檢測能力。

圖6 軌頭軌腳偏角掃查

（2）軌腰探傷

用雙K0.8 串列式掃查架0 刻度對準焊縫中心進行正反向掃查，以檢測軌腰面積型缺陷和粗晶缺陷。

軌腰面積型缺陷可采用K2.5 單探頭在軌腰側面進行鋸齒形掃查，甄別缺陷是否存在。

要重視直探頭對焊縫的探測，靈敏度不可太高，以提高儀器發(fā)現焊縫粗晶等缺陷的能力。串列式掃查發(fā)現焊縫疑似粗晶，可以對焊縫進行二次正火使之晶粒細化。

（3）軌底探傷

K2.5 探頭檢測鋼軌軌底時，需按照探頭的掃查位置和掃查方向（軌底內側正向、軌底內側反向、軌底外側正向、軌底外側反向）對檢測過程進行區(qū)分。

要特別注意對焊縫軌底一、二檔部位焊縫缺陷的檢測。軌腳一、二檔應保證三、四次波探測，掃查距離不少于150 mm，以減少探測盲區(qū)。必須要重視對軌底熱影響區(qū)的探測。

要特別注意對焊縫軌底三、四檔部位焊縫缺陷的檢測。在焊縫本側軌底對側用偏角二次波掃查方式加強對底腰結合部焊筋邊緣上缺陷的探測（見圖7）。

圖7 本側和對側掃查

焊縫軌底角是灰斑多發(fā)區(qū)，探傷一側有一次波顯示另一側必然有二次波顯示，要仔細甄別。若一側有回波顯示往往是焊筋打磨不平順或咬角不平順引起的，可以通過打磨復探消除以提高缺陷的檢測能力。

4 結束語

本文通過對閃光焊焊縫缺陷的分析和現場實踐，初步掌握了閃光焊焊縫的探傷方法，可以為同類型的焊縫探傷提供一定的借鑒經驗。同時，在實際應用中也發(fā)現一些灰斑厚度極薄而形狀也無規(guī)則，當超聲波入射到該缺陷面時，有一部分聲波能量透過缺陷繼續(xù)向前傳播，一部分被反射回來，反射回來的能量往往很弱。因此，對于鋼軌閃光焊中的灰斑缺陷探測較有難度，還需要進行深入研究。