渦流檢測技術(shù)在鋼軌焊縫探傷中的應(yīng)用

段春輝，石洪生

（1. 中國鐵路太原局集團有限公司 工務(wù)處，山西 太原 030013；2. 大秦鐵路股份有限公司 茶塢工務(wù)段，北京 101402）

0 引言

鋼軌焊縫是無縫線路的重要組成部分，是確保鋼軌連續(xù)性、平順性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但也是鋼軌軌條的薄弱處所，是鋼軌傷損頻發(fā)的重災(zāi)區(qū)和斷軌的高發(fā)區(qū)[1]。尤其是鋁熱焊縫，受焊接工藝所限，其強度僅相當于鋼軌母材的60%～70%，自身不足再加上外觀復(fù)雜的幾何形狀及焊接過程中復(fù)雜的應(yīng)力，使鋁熱焊成為傷損頻發(fā)或折斷的高發(fā)區(qū)。以中國鐵路太原局集團有限公司（簡稱太原局集團公司）為例，2017年全局檢查發(fā)現(xiàn)重傷鋼軌4 261處，其中重傷焊縫2 931處（見圖1），占重傷總數(shù)的68.8%；2017年斷軌情況見圖2。焊縫傷損引發(fā)的斷軌數(shù)占斷軌總數(shù)的78%，而焊縫斷軌中鋁熱焊占比則高達89%。從以上數(shù)據(jù)不難看出，鋁熱焊的質(zhì)量檢測是防斷工作的根本。

1 現(xiàn)狀分析

當前鋼軌焊縫探傷主要采用超聲波探傷方式。超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強、成本低廉、技術(shù)成熟等優(yōu)勢，在鋼軌防斷工作中發(fā)揮了重要作用[2-3]，但超聲波探傷在焊縫探傷的實際應(yīng)用中也暴露出以下3方面問題：

圖1 2017年度太原局集團公司鋼軌傷損數(shù)據(jù)

圖2 2017年太原局集團公司斷軌情況

（1）超聲波探傷自身存在不足。受檢測工件探測面耦合狀態(tài)、超聲波自身近場區(qū)干擾和阻塞效應(yīng)的影響，超聲波探傷對于工件近表面的微小裂紋不敏感，而太原局集團公司為貨運大局、重載大局，盡管現(xiàn)場焊探傷周期較《鐵路線路修理規(guī)則》（簡稱《修規(guī)》）進行了加密（《修規(guī)》規(guī)定現(xiàn)場焊探傷周期為2遍/年，實際加密為3遍/年），但探傷周期仍達到4個月，重載鐵路運輸繁忙，沒有給探傷人員觀察傷損發(fā)展的時間，一些微小裂紋如不能及時發(fā)現(xiàn)就可能發(fā)生斷軌。

（2）超聲波探傷對探傷人員素質(zhì)要求較高。由于焊縫尤其是鋁熱焊縫焊筋粗大，焊渣、痂皮等附著物較多，超聲波反射嚴重，需要探傷人員主觀判定反射波是傷損還是雜波，尤其是焊筋邊緣部位傷損分辨較困難，現(xiàn)場應(yīng)用中經(jīng)常出現(xiàn)漏判和誤判情況，這也是中國鐵路總公司要求焊縫探傷人員必須持有探傷2級證的原因所在。

（3）超聲波探傷對部分傷損無法獨立完成判別，必須借助其他手段進行輔助。在焊縫探傷過程中，有時會出現(xiàn)焊縫軌底部位兩側(cè)探傷時均定位在焊筋邊緣的回波顯示，通常是一強一弱，用手沾耦合劑進行拍打，探傷儀波形均有跳動，即使有經(jīng)驗的探傷人員也無法判別此種情況是焊縫夾角部位殘留焊渣導(dǎo)致的焊筋前后輪廓波，還是焊筋邊緣存在暗裂。通常需對軌底焊筋進行打磨，通過打磨后波形的變化判別是否為傷損。但該方法費時耗力、涉及面廣、周期較長，現(xiàn)場運用較少，一般還是采取多周期繼續(xù)觀察波形發(fā)展變化的方法，但無疑增加了傷損長期在線的安全風(fēng)險[4]。

2 渦流檢測技術(shù)優(yōu)勢

基于焊縫探傷超聲波檢測存在的不足，結(jié)合鋁熱焊斷軌情況的統(tǒng)計分析，對焊縫探傷采取以超聲波檢測為主、渦流檢測為輔的方式，將渦流檢測技術(shù)引入焊縫探傷中。

2.1 焊縫折斷數(shù)據(jù)分析

通過對多年焊縫折斷情況的分析，認為渦流檢測技術(shù)可以幫助檢測出絕大多數(shù)的焊縫傷損，從而減少斷軌的發(fā)生。以太原局集團公司2017年焊縫折斷情況為例，在傷損導(dǎo)致的焊縫折斷中，除1處為鋁熱焊內(nèi)部疏松缺陷渦流檢測無法發(fā)現(xiàn)外，其余導(dǎo)致焊縫折斷的傷損均為渦流探傷可檢測的開口型傷損（與空氣相連接），占焊縫傷損導(dǎo)致斷軌總數(shù)的92%（見圖3）。幾種典型傷損導(dǎo)致的焊縫折斷見圖4—圖9。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢分析

渦流檢測是一種利用電磁感應(yīng)原理檢測金屬材料表面缺陷的探傷方法，其基本原理是用激磁線圈使導(dǎo)電構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生渦電流，借助探測線圈測定渦電流的變化量，從而獲得構(gòu)件缺陷的有關(guān)信息。渦流檢測是一種應(yīng)用較廣泛的常規(guī)無損檢測技術(shù)，在國內(nèi)外鋼軌探傷中已有應(yīng)用，但主要應(yīng)用于鋼軌母材魚鱗傷的檢測，尚無在焊縫探傷應(yīng)用的先例[5]。渦流檢測技術(shù)在焊縫探傷中應(yīng)用的優(yōu)勢如下：

圖3 2017年太原局集團公司焊縫折斷情況

圖4 無明顯傷損的焊縫脆斷

圖5 軌底上表面?zhèn)麚p

圖6 軌底下表面?zhèn)麚p

圖7 軌頭顎部傷損

圖8 軌腰傷損

圖9 軌腰與軌底過渡圓弧處傷損

（1）適用于表面、近表面缺陷檢測，與超聲波檢測形成有效互補。在日常焊縫探傷過程中，焊縫內(nèi)部缺陷大多會被超聲波探傷及時、準確發(fā)現(xiàn)。造成斷軌的焊縫傷損主要集中在焊縫表面、近表面的3個區(qū)域：一是軌底傷損（見圖6），二是軌頭顎部傷損（見圖7），三是軌腰與軌底過渡圓弧處傷損（見圖9）。這些部位傷損產(chǎn)生的原因均為焊筋邊緣的溢流飛邊打磨不徹底，與鋼軌表面形成類似折疊裂紋的夾縫，造成應(yīng)力集中，形成疲勞裂紋，最終導(dǎo)致焊縫折斷。其共同特點是均為表面、近表面?zhèn)麚p（焊筋下），這是渦流檢測應(yīng)用于焊縫探傷的直接原因。

（2）檢測效率高，可應(yīng)用于日常焊縫檢測。經(jīng)實測，在日常焊縫探傷過程中使用渦流探傷儀增加1遍對焊縫軌頭鄂部、軌腰與軌底過渡圓弧處及軌底的掃查，檢測時間增加不大于30 s，完全可在日常焊縫探傷中應(yīng)用。而校對超聲波無法確定的表面、近表面缺陷則效率優(yōu)勢更加明顯，以往超聲波校對短則需要10余分鐘，如對軌底進行打磨驗證，甚至需要幾天的時間，而渦流檢測僅需十幾秒就可輕松驗證，且結(jié)果明確、定位精準，這是渦流檢測應(yīng)用于焊縫探傷的主要原因。

（3）渦流探頭可在狹窄區(qū)域進行檢測。與超聲波探頭和工件的面接觸不同，渦流探頭與工件為點接觸，探頭可根據(jù)檢測場所要求定制不同的形狀（見圖10）。在以往日常探傷工作中，當無砟軌道地段焊縫軌底出現(xiàn)疑似傷損時，由于軌底空間不足，無法進行打磨確認，探傷人員往往處于“判則可能造成誤判，不判則可能造成漏檢”的兩難局面，而使用渦流專用探頭可輕松、快捷、準確地判定軌底是否存在開口型缺陷。

（4）對焊縫探測面要求不高，無需使用耦合劑。渦流檢測無需制備工件的探測面，可省去以往焊縫探傷除銹、除塵、涂抹和擦拭耦合劑等工序，更加方便快捷。

圖10 渦流探傷儀用于檢測不同部位焊縫的探頭

（5）檢測結(jié)果直觀，對作業(yè)人員要求不高。渦流檢測結(jié)果直觀，是典型的“傻瓜”式探傷方法。

3 試塊檢驗

鋁熱焊疑難傷損試塊（YN-1試塊）是在鋁熱焊縫易發(fā)生焊接缺陷和疲勞傷損的部位制作人工模擬傷損，以檢驗探傷人員和焊縫探傷儀器對焊縫傷損的綜合檢測能力。YN-1試塊1#—8#槽長度≥10 mm、寬度≥0.25 mm、深度≥5 mm，實測誤差≤0.05 mm。YN-1試塊圖紙見圖11。

使用渦流檢測儀，配備焊縫探頭和軌底探頭對YN-1試塊1#槽（軌頭下顎）、2#槽（軌腰與軌底過渡圓?。?、7#槽（軌底）進行檢測（見圖12—圖14）。

4 實際應(yīng)用

4.1 鋼軌焊補修磨

對鋼軌軌頭剝離掉塊進行焊補修磨是保證線路平順性的重要手段。由于對軌頭破損處修磨不徹底，在鋼軌母材往往仍存有肉眼不可見微裂紋的情況就進行焊補，為傷損的產(chǎn)生埋下隱患。而超聲波探傷受自身局限及探測面狀況的影響，無法對這些微小裂紋進行檢測，磁粉探傷雖然可檢測到這些微小缺陷，但磁粉又會對焊補工作面造成二次污染，所以也未在實際焊補工作中普及，而渦流檢測則可以很好地發(fā)揮對表面和近表面缺陷檢測靈敏度高的探傷優(yōu)勢，且渦流檢測對探測面狀況要求不高，無需接觸檢測，也不需要耦合劑，更不會對探測面造成二次污染，可以邊修磨邊探傷，直到裂紋完全打磨干凈，從而徹底解決上述問題。

圖11 YN-1試塊圖紙

圖12 焊縫探頭掃查軌頭下顎

圖13 焊縫探頭掃查軌腰與軌底過渡圓弧

圖14 軌底探頭掃查軌底下表面

4.2 焊縫表面裂紋缺陷檢測

鋁熱焊表面和近表面不規(guī)則的夾渣、夾砂和推凸打磨造成的細微裂紋（見圖15）都能被渦流檢測發(fā)現(xiàn)。超聲波探傷檢查鋁熱焊表面細微裂紋見圖16，渦流探傷檢查鋁熱焊表面細微裂紋見圖17，渦流探傷檢查鋁熱焊軌顎傷損見圖18。

5 結(jié)束語

焊縫斷軌頻發(fā)、焊縫探傷粗放、檢測方式單一使焊縫探傷的現(xiàn)狀已不能適應(yīng)鐵路重載化、快速化和高安全性的要求。在焊縫探傷設(shè)備尚無跨越式發(fā)展和根本性改進的情況下，要確保防斷安全，必須多管齊下，尋找不同的探傷方法補齊鋼軌防斷工作中的短板。渦流檢測就是一種較好的焊縫探傷方法，將其與超聲波探傷相配合，可以優(yōu)勢互補，實現(xiàn)對焊縫傷損的及早及小發(fā)現(xiàn)，快速精準判傷，有效消除斷軌隱患，同時最大程度避免漏判和誤判情況。目前，太原局集團公司已為每個探傷車間配備了渦流探傷儀，應(yīng)用效果良好。

圖15 鋁熱焊表面推凸打磨造成的細微裂紋

圖16 超聲波探傷檢查鋁熱焊表面細微裂紋

圖17 渦流探傷檢查鋁熱焊表面細微裂紋

圖18 渦流探傷檢查鋁熱焊軌顎傷損