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(huì)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(wú)損檢測(cè)方法及時(shí)檢測(cè)，超聲波檢測(cè)是一種有效的檢測(cè)方式。近年來(lái)，超聲相控陣檢測(cè)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(cè)可提高檢測(cè)效率，超聲相控陣束聚焦能量強(qiáng)，可避免常規(guī)超聲檢測(cè)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(huì)發(fā)生相互作用，產(chǎn)生衍射波，從而檢測(cè)出其中缺陷。通常采用縱斜波探頭進(jìn)行探傷檢測(cè)，衍射信號(hào)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(chǎng)焊；鋁熱焊和電弧焊用于現(xiàn)場(chǎng)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(duì)于閃光焊，氣壓焊在單元軌節(jié)焊接中成本優(yōu)勢(shì)明顯。鋁熱焊和電弧焊屬于鋼軌原位焊接，鋁熱焊操作簡(jiǎn)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(guó)正在開(kāi)展全自動(dòng)鋼軌窄間隙電弧焊設(shè)備的研究開(kāi)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(duì)鋁熱焊焊縫的檢測(cè)。

對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行探傷時(shí)，除了會(huì)遇到疲勞缺陷，還會(huì)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(cè)，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(lèi)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(cè)面。平面狀缺陷一般要用雙探頭進(jìn)行探測(cè)，因用橫波探頭探傷時(shí)，反射聲波無(wú)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(duì)損傷進(jìn)行定位定量。鋁熱焊軌底存在多余焊筋，對(duì)探測(cè)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(wú)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(cè)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(guó)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(guó)無(wú)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(huì)對(duì)超聲檢測(cè)造成嚴(yán)重干擾，因此對(duì)焊筋結(jié)構(gòu)反射回波的識(shí)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(duì)材料工件組件進(jìn)行非破壞性檢測(cè)分析，探傷方法可分為6大類(lèi)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(cè)利用超聲波在材料中傳播時(shí)，遇到界面反射的聲訊號(hào)，檢測(cè)被測(cè)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(cè)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。可采用同一探頭兼作發(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(cè)件兩側(cè)，保證探頭與試件間良好的聲耦合。

（3）共振法檢測(cè)原理。被檢測(cè)工件厚度為超聲波半波長(zhǎng)整數(shù)倍時(shí)會(huì)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(chē)車(chē)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(duì)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(duì)或背向等速相對(duì)移動(dòng)，借助專(zhuān)門(mén)的掃查裝置，停頓下進(jìn)行探測(cè)。缺點(diǎn)是不能進(jìn)行連續(xù)掃查，難以對(duì)熱影響區(qū)進(jìn)行掃查。連續(xù)探傷法可對(duì)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(duì)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(shì)：新線開(kāi)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(shì)，施工作業(yè)方式采用夜間電客車(chē)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(duì)高鐵鋼軌探傷。新開(kāi)線開(kāi)通前利用鋼軌焊縫探傷掃查架探傷，有利于精確檢測(cè)，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(guò)小，可用偏角縱向移動(dòng)掃查焊縫軌頭。

探測(cè)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(duì)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(cè)垂直片狀缺陷檢測(cè)。探傷時(shí)兩探頭同時(shí)同速縱向移動(dòng)。一對(duì)探頭相對(duì)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(cè)。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(wú)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(wú)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(wú)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(cè)焊縫中反射面與探測(cè)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(huì)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(cè)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(wú)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(cè)焊縫中垂直軌面片狀缺陷。兩探頭放置同一探測(cè)面，探傷時(shí)兩探頭保持一定距離同時(shí)縱向移動(dòng)。通過(guò)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(jiàn)圖2，波形圖上無(wú)法看出鋼軌缺陷。小波分析具有同時(shí)分析信號(hào)視域與頻域的功能，用小波分析技術(shù)變化檢測(cè)信號(hào)，重構(gòu)故障特征信號(hào)，通過(guò)希爾伯特解調(diào)細(xì)化頻譜分析，檢測(cè)鋼軌故障信息，判斷故障位置。

圖2 采集缺陷信號(hào)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(duì)應(yīng)關(guān)系，將軌底角分為6個(gè)探測(cè)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(cè)焊縫下半部，2次波探測(cè)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(shuō)明缺陷與對(duì)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(lèi)似。

圖3 軌底探傷單探頭法操作

4 探傷過(guò)程注意事項(xiàng)

（1）掃查速度與力度。探頭在探測(cè)面移動(dòng)速度＜10 m/s，掃查速度過(guò)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(cè)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(duì)距焊縫中心≥200 mm的探測(cè)面進(jìn)行備制,使探測(cè)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(cè)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(cè)面附近區(qū)域探傷。探測(cè)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(duì)探測(cè)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(yǔ)

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(zhǎng)；裂紋缺陷回波較長(zhǎng)、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(shí)與經(jīng)驗(yàn)。假象回波也有一定規(guī)律性，如軌下臺(tái)階波等，可采用看聲程等方法進(jìn)行鑒別。