钢轨焊缝超声波探伤方法的研究与应用

李东侠，张大勇

(1.吉林铁道职业技术学院，吉林 132001;2.沈阳铁路局长春工务段，长春 130012)

近年来，在铁路发生的断轨事故中，有近2/3的断轨事故是发生在焊缝及热影响区部位，钢轨焊缝探伤已经引起探伤人员足够的重视。钢轨焊缝探伤远比普通钢轨探伤困难，一是所用设备和方法都有实质上的差别，而且焊缝探伤分布在整个断面上;二是焊缝的缺陷情况十分复杂，有光斑、灰斑、过烧、夹渣、气孔、疏松等，他们有的是体积状的，有的是面积状的，有些是在焊接过程中形成的，有些则是在使用中产生的，缺陷形状各异，极难分辨检测。因此，如何及早发现钢轨焊缝伤损并采取适合的探伤方法，已成为维修养护单位的重要任务和研究课题。

1 焊缝探伤方法的选择

由于钢轨焊缝探伤缺陷定位、定量困难，因此要对一个焊缝实施检测，最重要的是需要选择一个合适的焊缝探伤方法，然而就现在钢轨焊缝探伤方法来说，尚无统一的标准。

1998年长春工务段管内哈长线基本完成了区间无缝线路的铺设任务，探伤工区开始对焊缝热影响区的轨头、轨腰、轨底脚3个区域采用不同角度探头进行探伤试验。轨头区域采用K2.5探头，同时利用0O探头进行辅助检查;K2探头用于轨腰斜裂纹、面积状和体积状缺陷的检测;0O探头则用于水平伤损的检测;轨底脚区域采用K2和K2.5探头进行加强检测，防止漏检。该套探伤方法在几年的现场操作与运用中，取得了一定的效果，积累了一定的经验。但随着焊轨质量出现波动，缺陷种类及出现位置的多样化，这种探测方法日益显示出它的局限性。2002年长春工务段开始采用HFT-1型钢轨焊缝探伤仪对钢轨焊缝进行探伤，经过一段时间的现场使用，该仪器探测基本上达到了全断面探伤的目的，但在实际应用过程中，发现如下问题:一是轨头下颚圆弧区、轨腰与轨脚过渡圆弧面为该仪器的盲区，特别是对铝热焊缝下颚部位产生的飞边引发的颚部疲劳伤损检出困难;二是焊缝专用探伤仪对于平行于钢轨垂直截面的伤损容易检出，而对于倾斜于钢轨截面的伤损则难以查出。因此，2006年开始采用数字式通用探伤仪对钢轨焊缝进行探伤，有效地对焊缝及热影响区部位进行全面探伤扫查，该探测仪弥补了焊缝专用探伤仪存在盲区的不足。

2 数字式通用探伤仪探伤方法

2.1 焊缝轨头探伤

2.1.1 探伤扫查

为使钢轨焊缝轨头得到全面扫查，采用K2.5探头在钢轨顶面纵向移动和偏角纵向移动2种方式。

(1)纵向移动扫查。K2.5探头置于轨面上，探头纵向中心距边分别为 16、26、36、46、56 mm 处，偏角为0°，纵向移动探头，移动区域为距焊缝中心0～150 mm，利用一次波检出钢轨头部焊缝中的缺陷。

(2)探头偏角纵向移动。由于轨头顶面作用边呈圆弧状，探头接触面过小，因此，采用偏角纵向移动法探测。K2.5探头置轨面中心线上，以15°偏角纵向移动探头，移动区域为距焊缝中心约100～250 mm，利用轨颏反射波检出钢轨内外侧部位的缺陷;扫查次数为焊缝内外两侧共计4次。

2.1.2 正常回波显示

探测铝热焊接头时，探头距焊缝中心80 mm左右，在荧光屏水平刻度4.0左右显示焊筋轮廓波。其他形式焊缝如气压焊、闪光焊，轨头下颏也存在不同厚度的焊筋，探伤时均会有一、二次波交替显示焊筋轮廓波，由于各种焊筋厚度不规则，产生的回波幅度和位移会有差别。

2.1.3 缺陷回波显示

焊缝轨头缺陷回波显示如图1所示，在显示缺陷回波的过程中夹有焊筋轮廓波。当缺陷直径小于超声波束宽度，且缺陷距轨颏较近时，超声束可同时在缺陷和焊筋上产生反射，荧光屏上会同时出现缺陷波和焊筋轮廓波显示现象;若缺陷距轨颏较远时，缺陷波和焊筋轮廓波交替显示。

当缺陷直径大于超声波束宽度，完全阻挡超声波向前传播，使荧光屏上只显示缺陷波，不显示焊筋轮廓波。

图1 焊缝轨头伤损波形显示

2.1.4 缺陷定位定量

(1)缺陷定位。缺陷回波波峰前沿对准刻度值乘“25”，得出缺陷距探头入射点的水平距离;乘“10”可得出缺陷距探测面的垂直距离。目前我单位使用的数字式通用探伤仪器，可直接读数，非常方便，避免了繁琐的公式计算。

(2)缺陷定量。缺陷直径较小时，采用当量法确定缺陷大小，用焊缝试块平底孔作为当量基准;缺陷直径较大时，用延伸度法确定缺陷大小，根据缺陷波在荧光屏上位移量直接读出缺陷的垂直高度，缺陷横向宽度可按钢轨核伤校对方法确定。

2.2 焊缝轨腰探伤

钢轨焊缝轨腰缺陷的检测，通常使用双K1探头进行“V”形穿透式探测和直探头探测2种方法。

2.2.1 探伤扫查

(1)双K1探头“V”形穿透式探测。2个探头入射点间距为钢轨高度的2倍，探头置于轨头顶面中心线上纵向移动，利用2个K1探头一发一收穿透式探伤法，检出钢轨轨腰投影范围内的缺陷，如图2所示。

图2 双K1探头“V”形穿透式探测示意

(2)直探头探测。探头置于轨面纵向中心，距焊缝中心两边各50 mm的区域内，纵向缓慢移动探头进行扫查，利用直探头反射式探伤法，检出焊缝中反射面与探测面平行的缺陷，也可利用穿透式探伤法，根据轨底波的变化情况，判断焊缝轨腰投影范围内的缺陷。

2.2.2 正常回波显示

(1)双K1探头正常回波。在正常焊缝检查中，荧光屏刻度9.2左右显示轨底反射波，为使正常轨底波不报警，应将底波锁在反报警小方门内，如图2所示。由于轨底焊筋对反射波的影响，探头距焊缝中心150 mm左右会发生底波后移或波幅下降现象，因此对轨底三角区高约20 mm左右范围内缺陷检测有一定影响。为判明是否存在缺陷，应仔细观察焊筋处底波变化，如果焊筋轮廓底波显示，则轨底三角区无伤，若不显示，应适当提高增益，在排除外界因素后，仍无显示，一般存在伤损。

(2)直探头正常回波。探头在焊缝探测移动过程中，荧光屏刻度7.0左右始终显示轨底反射波。由于轨底焊筋呈凹型，对超声波反射有聚焦作用，在探测过程中会出现轨底波幅增强现象。

2.2.3 缺陷回波显示

(1)双K1探头探测轨底缺陷。缺陷在钢轨底部时，仪器扫查过程中会产生一次失底波，失底波时探头位移长度约为缺陷长度的1倍，见图3。

图3 轨底探测显示(单位:mm)

(2)双K1探头探测轨腰缺陷。缺陷在轨腰部位时，仪器扫查过程中会产生二次失底波现象，失底波探头位移长度与缺陷长度相对应。检查时，发射探头刚过焊缝就产生报警，接着一段时间不报警，后又出现失波报警，则可认定轨腰有伤损，见图4。

图4 轨腰伤损的探测显示(单位:mm)

(3)直探头探测。直探头探测焊缝探伤过程中，出现轨底波消失或在底波前显示其他回波，说明焊缝中存在缺陷，但要注意观察探头位置是否偏离，轨腰焊筋不平整而产生的反射回波，可根据手摸来确定。

2.2.4 缺陷定位定量

双K1探头根据失底波时探头在轨面上的位移量确定。轨底向上的缺陷，探头位移量除以2;轨腰缺陷，二次失底波时探头在轨面上的位移量之和除以2，所得值就是缺陷的垂直高度，但该值精确度受工件表面、仪器灵敏度、探伤耦合待多方因素影响。

直探头根据缺陷回波幅度来确定缺陷大小，缺陷直径较小时，用当量法确定，缺陷直径较大时，用延伸度法确定。

2.3 焊缝轨底探伤

钢轨焊缝轨底是常规探伤无法检测的部位，通常使用通用探伤仪进行探测。

2.3.1 探伤扫查

将轨底分成两大部分，一是轨底两侧(简称轨脚)，另一部分是轨腰与轨底连接部分(简称轨底三角区)。根据轨脚和声束宽度对应关系，为确保轨脚得到全面扫查，又将轨脚划分为6个探测区，使用1个K2.5探头，分别按不同的偏角和位置进行纵向移动探头扫查，利用二次波探测焊缝上半部分，一、三次波探测焊缝下半部分。

K2.5探头扫查轨脚时，应根据不同区域将探头向外偏转不同的角度;探测轨底三角区时，应先将探头与轨腰呈30°夹角进行摆动扫查，再与轨腰进行平行扫查。

2.3.2 正常回波显示

由于轨脚1～3区厚度较薄，以及声束纵向有一定宽度，所以焊筋上、下轮廓波常会同时显示在扫描线上，随探头位移而移动。此外因焊筋几何形状不规则或推镏方式不同，或有扫描线校正误差，焊筋轮廓波的显示位置和幅度略有差异。

2.3.3 缺陷回波显示

(1)小缺陷波形显示

缺陷直径小于超声波束宽度时，会出现缺陷波和焊筋轮廓波同时显示，且缺陷波显示于焊筋轮廓波之前。两波间隔为1.0 m左右时，表示缺陷居中，如图5(b)所示;如两波间隔越小，则说明缺陷与对侧焊筋越近，反之，则缺陷越靠近本侧焊筋边。缺陷波显示在焊筋上轮廓波前，则缺陷在焊缝上方，如图5(c)所示，若缺陷显示在焊筋下轮廓波前，则缺陷在焊缝下方。

图5 焊缝轨底伤损波形的显示

(2)大缺陷波形显示

由于缺陷对超声束完全阻挡，荧光屏上只显示缺陷波，而无焊筋轮廓波出现，如图5(a)所示。

(3)热影响区内缺陷波形显示

缺陷直径小于声束宽度时，荧光屏可同时显示缺陷波和焊筋轮廓波，如缺陷在对侧，则缺陷波显示在焊筋轮廓波之后，如图5(d)所示，这时可将探头放置在焊缝另一边，用二次波进一步复核确认;如缺陷在本侧，缺陷波与焊筋轮廓波间隔距离达2.0 m及以上，如图5(e)所示，可判断在探测面轨底存在缺陷。

2.3.4 缺陷定位定量

(1)缺陷定位。目前使用的数字式探伤仪，有数据直读功能，移动探头找出缺陷回波最高位，从仪器上直接读出水平距离，用钢尺从探头前沿测量出水平距离值，即为缺陷的中心位置。缺陷深度也可从仪器直接读取，要注意是否一、二次波探测，如是一次波探测到，可直接读取;如是二次波探测到，可用2倍工件厚度减去直读深度即为缺陷距轨脚顶面垂直距离。缺陷距轨脚边距离可在缺陷最高回波时将探头横向向轨脚边移动至回波跌落，测出轨角边距探头中心的距离，另加上修正量，即为缺陷离轨脚边的位置。

(2)缺陷定量。轨脚缺陷的定量可采用半波高度法进行测量，即探头横向从最高波向里、向外移动至半波位置，即为缺陷的横向宽度;探头纵向从最高波向前、向后移动至半波位置，即为缺陷的纵向长度。采用此方法测量的焊缝缺陷当量为相对当量，不是缺陷的实际当量。

2.4 特殊部位探伤检查

2.4.1 轨颚伤损

在对轨颚部位进行扫查时，要求探头置于轨头内外口侧面，从4个面扫查轨颚伤损，探头要有13°左右的偏角，探头入射点距伤损125 mm进行扫查。

2.4.2 轨底月牙形伤损

焊缝轨底横向裂纹呈“月牙形”伤损(垂直于轨底，构成裂纹与轨底面的直角反射)的探伤方法:可使用探头K0.8～K1或钢轨探伤仪37°探头，结合现场钢轨表面状态及耦合情况检测。

2.4.3 轨腰与轨底圆弧区斜向下伤损

从以往我段的焊缝断轨断面图来看，轨腰与轨底圆弧区斜向下发展侵入Ⅱ区的伤损较多，而这又是各种检测仪器的一个盲区，为此，经多次实验，总结出在轨底接近三角区部位使用K2.5斜探头偏转约30°，经轨底反射区发现伤损，收到了较好效果。

3 结语

几年来的研究实践表明，检查焊缝并确定伤损最重要的一点就是观察波形，也就是仔细观察各种伤损的出波位置，波动移位情况，波的形状等。各种焊缝伤损的波形有一定的特点，要找出他们的不同之处，总结出规律。以铝热焊接为例，铝热焊接中的未焊透缺陷的反射波形多尖、波底较宽、幅度低、波峰强、位移短;夹杂缺陷的波形松散，波跟较宽;裂纹缺陷回波较长、位移强。

此外，在焊缝探伤中要特别注意对假象回波的鉴别。特别是铝热焊接头，因为铝热焊接头部位都有棱角波，这些棱角波的出波位置与实际伤损的位置相距很近，有的几乎与伤损就在同一位置出波，极难分辨、极易误判，这就要求探伤人员具备一定的焊缝判伤知识和经验。其实，假象回波也具有一定的规律性，例如轨底塌陷波，轨下台阶波等。这些波大都显示于同一位置，可采用看声程，沾油拍打等方法进行鉴别。

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