鋼軌焊縫超聲波探傷方法的研究與應(yīng)用

李東俠，張大勇

(1.吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 132001;2.沈陽鐵路局長(zhǎng)春工務(wù)段，長(zhǎng)春 130012)

近年來，在鐵路發(fā)生的斷軌事故中，有近2/3的斷軌事故是發(fā)生在焊縫及熱影響區(qū)部位，鋼軌焊縫探傷已經(jīng)引起探傷人員足夠的重視。鋼軌焊縫探傷遠(yuǎn)比普通鋼軌探傷困難，一是所用設(shè)備和方法都有實(shí)質(zhì)上的差別，而且焊縫探傷分布在整個(gè)斷面上;二是焊縫的缺陷情況十分復(fù)雜，有光斑、灰斑、過燒、夾渣、氣孔、疏松等，他們有的是體積狀的，有的是面積狀的，有些是在焊接過程中形成的，有些則是在使用中產(chǎn)生的，缺陷形狀各異，極難分辨檢測(cè)。因此，如何及早發(fā)現(xiàn)鋼軌焊縫傷損并采取適合的探傷方法，已成為維修養(yǎng)護(hù)單位的重要任務(wù)和研究課題。

1 焊縫探傷方法的選擇

由于鋼軌焊縫探傷缺陷定位、定量困難，因此要對(duì)一個(gè)焊縫實(shí)施檢測(cè)，最重要的是需要選擇一個(gè)合適的焊縫探傷方法，然而就現(xiàn)在鋼軌焊縫探傷方法來說，尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

1998年長(zhǎng)春工務(wù)段管內(nèi)哈長(zhǎng)線基本完成了區(qū)間無縫線路的鋪設(shè)任務(wù)，探傷工區(qū)開始對(duì)焊縫熱影響區(qū)的軌頭、軌腰、軌底腳3個(gè)區(qū)域采用不同角度探頭進(jìn)行探傷試驗(yàn)。軌頭區(qū)域采用K2.5探頭，同時(shí)利用0O探頭進(jìn)行輔助檢查;K2探頭用于軌腰斜裂紋、面積狀和體積狀缺陷的檢測(cè);0O探頭則用于水平傷損的檢測(cè);軌底腳區(qū)域采用K2和K2.5探頭進(jìn)行加強(qiáng)檢測(cè)，防止漏檢。該套探傷方法在幾年的現(xiàn)場(chǎng)操作與運(yùn)用中，取得了一定的效果，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。但隨著焊軌質(zhì)量出現(xiàn)波動(dòng)，缺陷種類及出現(xiàn)位置的多樣化，這種探測(cè)方法日益顯示出它的局限性。2002年長(zhǎng)春工務(wù)段開始采用HFT-1型鋼軌焊縫探傷儀對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行探傷，經(jīng)過一段時(shí)間的現(xiàn)場(chǎng)使用，該儀器探測(cè)基本上達(dá)到了全斷面探傷的目的，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)如下問題:一是軌頭下顎圓弧區(qū)、軌腰與軌腳過渡圓弧面為該儀器的盲區(qū)，特別是對(duì)鋁熱焊縫下顎部位產(chǎn)生的飛邊引發(fā)的顎部疲勞傷損檢出困難;二是焊縫專用探傷儀對(duì)于平行于鋼軌垂直截面的傷損容易檢出，而對(duì)于傾斜于鋼軌截面的傷損則難以查出。因此，2006年開始采用數(shù)字式通用探傷儀對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行探傷，有效地對(duì)焊縫及熱影響區(qū)部位進(jìn)行全面探傷掃查，該探測(cè)儀彌補(bǔ)了焊縫專用探傷儀存在盲區(qū)的不足。

2 數(shù)字式通用探傷儀探傷方法

2.1 焊縫軌頭探傷

2.1.1 探傷掃查

為使鋼軌焊縫軌頭得到全面掃查，采用K2.5探頭在鋼軌頂面縱向移動(dòng)和偏角縱向移動(dòng)2種方式。

(1)縱向移動(dòng)掃查。K2.5探頭置于軌面上，探頭縱向中心距邊分別為 16、26、36、46、56 mm 處，偏角為0°，縱向移動(dòng)探頭，移動(dòng)區(qū)域?yàn)榫嗪缚p中心0～150 mm，利用一次波檢出鋼軌頭部焊縫中的缺陷。

(2)探頭偏角縱向移動(dòng)。由于軌頭頂面作用邊呈圓弧狀，探頭接觸面過小，因此，采用偏角縱向移動(dòng)法探測(cè)。K2.5探頭置軌面中心線上，以15°偏角縱向移動(dòng)探頭，移動(dòng)區(qū)域?yàn)榫嗪缚p中心約100～250 mm，利用軌頦反射波檢出鋼軌內(nèi)外側(cè)部位的缺陷;掃查次數(shù)為焊縫內(nèi)外兩側(cè)共計(jì)4次。

2.1.2 正?；夭@示

探測(cè)鋁熱焊接頭時(shí)，探頭距焊縫中心80 mm左右，在熒光屏水平刻度4.0左右顯示焊筋輪廓波。其他形式焊縫如氣壓焊、閃光焊，軌頭下頦也存在不同厚度的焊筋，探傷時(shí)均會(huì)有一、二次波交替顯示焊筋輪廓波，由于各種焊筋厚度不規(guī)則，產(chǎn)生的回波幅度和位移會(huì)有差別。

2.1.3 缺陷回波顯示

焊縫軌頭缺陷回波顯示如圖1所示，在顯示缺陷回波的過程中夾有焊筋輪廓波。當(dāng)缺陷直徑小于超聲波束寬度，且缺陷距軌頦較近時(shí)，超聲束可同時(shí)在缺陷和焊筋上產(chǎn)生反射，熒光屏上會(huì)同時(shí)出現(xiàn)缺陷波和焊筋輪廓波顯示現(xiàn)象;若缺陷距軌頦較遠(yuǎn)時(shí)，缺陷波和焊筋輪廓波交替顯示。

當(dāng)缺陷直徑大于超聲波束寬度，完全阻擋超聲波向前傳播，使熒光屏上只顯示缺陷波，不顯示焊筋輪廓波。

圖1 焊縫軌頭傷損波形顯示

2.1.4 缺陷定位定量

(1)缺陷定位。缺陷回波波峰前沿對(duì)準(zhǔn)刻度值乘“25”，得出缺陷距探頭入射點(diǎn)的水平距離;乘“10”可得出缺陷距探測(cè)面的垂直距離。目前我單位使用的數(shù)字式通用探傷儀器，可直接讀數(shù)，非常方便，避免了繁瑣的公式計(jì)算。

(2)缺陷定量。缺陷直徑較小時(shí)，采用當(dāng)量法確定缺陷大小，用焊縫試塊平底孔作為當(dāng)量基準(zhǔn);缺陷直徑較大時(shí)，用延伸度法確定缺陷大小，根據(jù)缺陷波在熒光屏上位移量直接讀出缺陷的垂直高度，缺陷橫向?qū)挾瓤砂翠撥壓藗?duì)方法確定。

2.2 焊縫軌腰探傷

鋼軌焊縫軌腰缺陷的檢測(cè)，通常使用雙K1探頭進(jìn)行“V”形穿透式探測(cè)和直探頭探測(cè)2種方法。

2.2.1 探傷掃查

(1)雙K1探頭“V”形穿透式探測(cè)。2個(gè)探頭入射點(diǎn)間距為鋼軌高度的2倍，探頭置于軌頭頂面中心線上縱向移動(dòng)，利用2個(gè)K1探頭一發(fā)一收穿透式探傷法，檢出鋼軌軌腰投影范圍內(nèi)的缺陷，如圖2所示。

圖2 雙K1探頭“V”形穿透式探測(cè)示意

(2)直探頭探測(cè)。探頭置于軌面縱向中心，距焊縫中心兩邊各50 mm的區(qū)域內(nèi)，縱向緩慢移動(dòng)探頭進(jìn)行掃查，利用直探頭反射式探傷法，檢出焊縫中反射面與探測(cè)面平行的缺陷，也可利用穿透式探傷法，根據(jù)軌底波的變化情況，判斷焊縫軌腰投影范圍內(nèi)的缺陷。

2.2.2 正常回波顯示

(1)雙K1探頭正?；夭āＴ谡：缚p檢查中，熒光屏刻度9.2左右顯示軌底反射波，為使正常軌底波不報(bào)警，應(yīng)將底波鎖在反報(bào)警小方門內(nèi)，如圖2所示。由于軌底焊筋對(duì)反射波的影響，探頭距焊縫中心150 mm左右會(huì)發(fā)生底波后移或波幅下降現(xiàn)象，因此對(duì)軌底三角區(qū)高約20 mm左右范圍內(nèi)缺陷檢測(cè)有一定影響。為判明是否存在缺陷，應(yīng)仔細(xì)觀察焊筋處底波變化，如果焊筋輪廓底波顯示，則軌底三角區(qū)無傷，若不顯示，應(yīng)適當(dāng)提高增益，在排除外界因素后，仍無顯示，一般存在傷損。

(2)直探頭正?；夭āＬ筋^在焊縫探測(cè)移動(dòng)過程中，熒光屏刻度7.0左右始終顯示軌底反射波。由于軌底焊筋呈凹型，對(duì)超聲波反射有聚焦作用，在探測(cè)過程中會(huì)出現(xiàn)軌底波幅增強(qiáng)現(xiàn)象。

2.2.3 缺陷回波顯示

(1)雙K1探頭探測(cè)軌底缺陷。缺陷在鋼軌底部時(shí)，儀器掃查過程中會(huì)產(chǎn)生一次失底波，失底波時(shí)探頭位移長(zhǎng)度約為缺陷長(zhǎng)度的1倍，見圖3。

圖3 軌底探測(cè)顯示(單位:mm)

(2)雙K1探頭探測(cè)軌腰缺陷。缺陷在軌腰部位時(shí)，儀器掃查過程中會(huì)產(chǎn)生二次失底波現(xiàn)象，失底波探頭位移長(zhǎng)度與缺陷長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng)。檢查時(shí)，發(fā)射探頭剛過焊縫就產(chǎn)生報(bào)警，接著一段時(shí)間不報(bào)警，后又出現(xiàn)失波報(bào)警，則可認(rèn)定軌腰有傷損，見圖4。

圖4 軌腰傷損的探測(cè)顯示(單位:mm)

(3)直探頭探測(cè)。直探頭探測(cè)焊縫探傷過程中，出現(xiàn)軌底波消失或在底波前顯示其他回波，說明焊縫中存在缺陷，但要注意觀察探頭位置是否偏離，軌腰焊筋不平整而產(chǎn)生的反射回波，可根據(jù)手摸來確定。

2.2.4 缺陷定位定量

雙K1探頭根據(jù)失底波時(shí)探頭在軌面上的位移量確定。軌底向上的缺陷，探頭位移量除以2;軌腰缺陷，二次失底波時(shí)探頭在軌面上的位移量之和除以2，所得值就是缺陷的垂直高度，但該值精確度受工件表面、儀器靈敏度、探傷耦合待多方因素影響。

直探頭根據(jù)缺陷回波幅度來確定缺陷大小，缺陷直徑較小時(shí)，用當(dāng)量法確定，缺陷直徑較大時(shí)，用延伸度法確定。

2.3 焊縫軌底探傷

鋼軌焊縫軌底是常規(guī)探傷無法檢測(cè)的部位，通常使用通用探傷儀進(jìn)行探測(cè)。

2.3.1 探傷掃查

將軌底分成兩大部分，一是軌底兩側(cè)(簡(jiǎn)稱軌腳)，另一部分是軌腰與軌底連接部分(簡(jiǎn)稱軌底三角區(qū))。根據(jù)軌腳和聲束寬度對(duì)應(yīng)關(guān)系，為確保軌腳得到全面掃查，又將軌腳劃分為6個(gè)探測(cè)區(qū)，使用1個(gè)K2.5探頭，分別按不同的偏角和位置進(jìn)行縱向移動(dòng)探頭掃查，利用二次波探測(cè)焊縫上半部分，一、三次波探測(cè)焊縫下半部分。

K2.5探頭掃查軌腳時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域?qū)⑻筋^向外偏轉(zhuǎn)不同的角度;探測(cè)軌底三角區(qū)時(shí)，應(yīng)先將探頭與軌腰呈30°夾角進(jìn)行擺動(dòng)掃查，再與軌腰進(jìn)行平行掃查。

2.3.2 正?；夭@示

由于軌腳1～3區(qū)厚度較薄，以及聲束縱向有一定寬度，所以焊筋上、下輪廓波常會(huì)同時(shí)顯示在掃描線上，隨探頭位移而移動(dòng)。此外因焊筋幾何形狀不規(guī)則或推鎦方式不同，或有掃描線校正誤差，焊筋輪廓波的顯示位置和幅度略有差異。

2.3.3 缺陷回波顯示

(1)小缺陷波形顯示

缺陷直徑小于超聲波束寬度時(shí)，會(huì)出現(xiàn)缺陷波和焊筋輪廓波同時(shí)顯示，且缺陷波顯示于焊筋輪廓波之前。兩波間隔為1.0 m左右時(shí)，表示缺陷居中，如圖5(b)所示;如兩波間隔越小，則說明缺陷與對(duì)側(cè)焊筋越近，反之，則缺陷越靠近本側(cè)焊筋邊。缺陷波顯示在焊筋上輪廓波前，則缺陷在焊縫上方，如圖5(c)所示，若缺陷顯示在焊筋下輪廓波前，則缺陷在焊縫下方。

圖5 焊縫軌底傷損波形的顯示

(2)大缺陷波形顯示

由于缺陷對(duì)超聲束完全阻擋，熒光屏上只顯示缺陷波，而無焊筋輪廓波出現(xiàn)，如圖5(a)所示。

(3)熱影響區(qū)內(nèi)缺陷波形顯示

缺陷直徑小于聲束寬度時(shí)，熒光屏可同時(shí)顯示缺陷波和焊筋輪廓波，如缺陷在對(duì)側(cè)，則缺陷波顯示在焊筋輪廓波之后，如圖5(d)所示，這時(shí)可將探頭放置在焊縫另一邊，用二次波進(jìn)一步復(fù)核確認(rèn);如缺陷在本側(cè)，缺陷波與焊筋輪廓波間隔距離達(dá)2.0 m及以上，如圖5(e)所示，可判斷在探測(cè)面軌底存在缺陷。

2.3.4 缺陷定位定量

(1)缺陷定位。目前使用的數(shù)字式探傷儀，有數(shù)據(jù)直讀功能，移動(dòng)探頭找出缺陷回波最高位，從儀器上直接讀出水平距離，用鋼尺從探頭前沿測(cè)量出水平距離值，即為缺陷的中心位置。缺陷深度也可從儀器直接讀取，要注意是否一、二次波探測(cè)，如是一次波探測(cè)到，可直接讀取;如是二次波探測(cè)到，可用2倍工件厚度減去直讀深度即為缺陷距軌腳頂面垂直距離。缺陷距軌腳邊距離可在缺陷最高回波時(shí)將探頭橫向向軌腳邊移動(dòng)至回波跌落，測(cè)出軌角邊距探頭中心的距離，另加上修正量，即為缺陷離軌腳邊的位置。

(2)缺陷定量。軌腳缺陷的定量可采用半波高度法進(jìn)行測(cè)量，即探頭橫向從最高波向里、向外移動(dòng)至半波位置，即為缺陷的橫向?qū)挾?探頭縱向從最高波向前、向后移動(dòng)至半波位置，即為缺陷的縱向長(zhǎng)度。采用此方法測(cè)量的焊縫缺陷當(dāng)量為相對(duì)當(dāng)量，不是缺陷的實(shí)際當(dāng)量。

2.4 特殊部位探傷檢查

2.4.1 軌顎傷損

在對(duì)軌顎部位進(jìn)行掃查時(shí)，要求探頭置于軌頭內(nèi)外口側(cè)面，從4個(gè)面掃查軌顎傷損，探頭要有13°左右的偏角，探頭入射點(diǎn)距傷損125 mm進(jìn)行掃查。

2.4.2 軌底月牙形傷損

焊縫軌底橫向裂紋呈“月牙形”傷損(垂直于軌底，構(gòu)成裂紋與軌底面的直角反射)的探傷方法:可使用探頭K0.8～K1或鋼軌探傷儀37°探頭，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鋼軌表面狀態(tài)及耦合情況檢測(cè)。

2.4.3 軌腰與軌底圓弧區(qū)斜向下傷損

從以往我段的焊縫斷軌斷面圖來看，軌腰與軌底圓弧區(qū)斜向下發(fā)展侵入Ⅱ區(qū)的傷損較多，而這又是各種檢測(cè)儀器的一個(gè)盲區(qū)，為此，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出在軌底接近三角區(qū)部位使用K2.5斜探頭偏轉(zhuǎn)約30°，經(jīng)軌底反射區(qū)發(fā)現(xiàn)傷損，收到了較好效果。

3 結(jié)語

幾年來的研究實(shí)踐表明，檢查焊縫并確定傷損最重要的一點(diǎn)就是觀察波形，也就是仔細(xì)觀察各種傷損的出波位置，波動(dòng)移位情況，波的形狀等。各種焊縫傷損的波形有一定的特點(diǎn)，要找出他們的不同之處，總結(jié)出規(guī)律。以鋁熱焊接為例，鋁熱焊接中的未焊透缺陷的反射波形多尖、波底較寬、幅度低、波峰強(qiáng)、位移短;夾雜缺陷的波形松散，波跟較寬;裂紋缺陷回波較長(zhǎng)、位移強(qiáng)。

此外，在焊縫探傷中要特別注意對(duì)假象回波的鑒別。特別是鋁熱焊接頭，因?yàn)殇X熱焊接頭部位都有棱角波，這些棱角波的出波位置與實(shí)際傷損的位置相距很近，有的幾乎與傷損就在同一位置出波，極難分辨、極易誤判，這就要求探傷人員具備一定的焊縫判傷知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。其實(shí)，假象回波也具有一定的規(guī)律性，例如軌底塌陷波，軌下臺(tái)階波等。這些波大都顯示于同一位置，可采用看聲程，沾油拍打等方法進(jìn)行鑒別。

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