李 培，石永生，張玉華，馬運(yùn)忠，鐘艷春，熊龍輝

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081;2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)中心, 北京 100081)

在焊接過(guò)程中，受焊接設(shè)備、焊接材料、溫度和操作工藝等因素的影響，焊縫容易產(chǎn)生缺陷。文獻(xiàn)[1]研究了大秦重載鐵路2011-2016年的鋼軌缺陷，研究表明大秦重載鐵路的鋼軌缺陷主要是焊接缺陷，約占總?cè)毕莸?0%72%。為了保障鐵路線路的安全，對(duì)焊縫進(jìn)行超聲檢測(cè)非常重要。

鋼軌探傷車(chē)采用超聲波輪式探頭對(duì)鋼軌進(jìn)行連續(xù)高速檢測(cè)，檢測(cè)效率較高。鋼軌探傷車(chē)通常用于鋼軌母材的檢測(cè)，但焊縫結(jié)構(gòu)反射方式復(fù)雜、材料晶粒粗大等會(huì)降低鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率。

為了研究鋼軌探傷車(chē)的焊縫檢測(cè)能力，對(duì)比了鋼軌探傷車(chē)的檢測(cè)工藝與焊縫全斷面檢測(cè)工藝，分析了鋼軌探傷車(chē)焊縫檢測(cè)的難點(diǎn)；由于鋼軌探傷車(chē)標(biāo)定線沒(méi)有焊縫缺陷，所以重新設(shè)計(jì)了人工模擬焊縫缺陷鋼軌，使用鋼軌探傷車(chē)對(duì)其進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析了焊縫缺陷的檢出率和變化規(guī)律；通過(guò)線路檢測(cè)試驗(yàn)跟蹤研究了鋼軌探傷車(chē)檢出的實(shí)際焊縫缺陷，分析了焊縫缺陷的圖譜及特點(diǎn)。

1 鋼軌焊縫的檢測(cè)方法

1.1 鋼軌焊縫的分類(lèi)

我國(guó)鐵路鋼軌焊接主要有接觸焊(又稱(chēng)為閃光焊)、氣壓焊和鋁熱焊等3種焊接工藝。接觸焊、氣壓焊屬于鍛造焊，焊縫由鋼軌母材熔化再結(jié)晶形成，其極限強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等均能達(dá)到母材的90%以上。鋁熱焊屬于鑄造焊，該焊縫是由氧化鐵粉、鋁粉以及一定比例的合金顆粒經(jīng)鋁熱反應(yīng)形成的金屬結(jié)晶，鋁熱焊焊縫的極限強(qiáng)度只達(dá)到母材的70%左右，其疲勞強(qiáng)度僅達(dá)到母材的45%～70%，其屈服強(qiáng)度與接觸焊焊縫的接近[2]。鋁熱焊焊縫為鑄造組織，容易含有鑄造缺陷，一旦內(nèi)部存在超標(biāo)缺陷則會(huì)嚴(yán)重削弱焊接接頭的性能。

1.2 焊縫的全斷面檢測(cè)工藝

焊縫的全斷面檢測(cè)可分為焊縫軌頭檢測(cè)、焊縫軌腰檢測(cè)和焊縫軌底檢測(cè)等3個(gè)部分[3]。

焊縫軌頭的檢測(cè)工藝分為單探頭法和多探頭K型掃查法兩種。單探頭法使用K2.5(鋼軌內(nèi)折射角為68.2°)單探頭進(jìn)行檢測(cè)，可發(fā)現(xiàn)軌頭體積狀缺陷和片狀缺陷。K型掃查法使用2個(gè)或多個(gè)探頭(通常采用K1探頭，其鋼軌內(nèi)折射角為45°)對(duì)稱(chēng)布置在軌頭側(cè)面，一側(cè)發(fā)射一側(cè)接收。檢測(cè)時(shí)兩個(gè)探頭按預(yù)先設(shè)計(jì)好的掃查次數(shù)和入射位置完成軌頭橫截面的檢測(cè)，可實(shí)現(xiàn)與檢測(cè)面垂直的片狀缺陷檢測(cè)。

焊縫軌腰體積狀缺陷使用單探頭法或雙K1探頭“V”形穿透檢測(cè)工藝；對(duì)片狀缺陷，可使用雙探頭串列式檢測(cè)工藝。軌腰的單探頭檢測(cè)采用直探頭(鋼軌內(nèi)折射角為0°)置于鋼軌軌面中心，在距焊縫中心兩邊各50 mm區(qū)域內(nèi)沿鋼軌縱向緩慢移動(dòng)探頭，利用直探頭反射檢測(cè)原理，檢出焊縫中反射面與軌面平行的缺陷；利用直探頭穿透式檢測(cè)原理，檢測(cè)出焊縫中的粗晶、縮松。焊縫軌腰的雙探頭串列式檢測(cè)使用兩個(gè)探頭縱向排列置于軌頭頂面中心處，兩個(gè)探頭一發(fā)一收，利用軌底反射的超聲波來(lái)檢測(cè)軌腰中的缺陷。為了保證兩個(gè)探頭保持一定的間距并同時(shí)縱向移動(dòng)，檢測(cè)過(guò)程中通常使用焊縫掃查架裝置。

焊縫軌底檢測(cè)主要有軌底角K2.5單探頭檢測(cè)工藝和軌底角側(cè)面多探頭K型掃查檢測(cè)工藝。軌底角K2.5單探頭檢測(cè)工藝使用K2.5探頭以一定偏角和入射位置分6次完成軌底角的檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)沿鋼軌縱向移動(dòng)探頭，利用二次波檢測(cè)焊縫上半部分，利用一、三次波檢測(cè)焊縫下半部分。軌底角側(cè)面多探頭K型掃查檢測(cè)工藝使用組合探頭分別放在軌底兩側(cè)，采用六發(fā)六收或十二發(fā)十二收組合探頭，可實(shí)現(xiàn)軌底部分端面的缺陷檢出。

1.3 鋼軌探傷車(chē)的檢測(cè)工藝

鋼軌探傷車(chē)采用輪式探頭，內(nèi)部包含多個(gè)角度固定的超聲波換能器，外部包裹柔性外膜，在鋼軌上連續(xù)滾動(dòng)完成檢測(cè)。鋼軌探傷車(chē)采用反射式檢測(cè)原理，并沒(méi)有為焊縫單獨(dú)增加特定的檢測(cè)工藝。鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)工藝示意如圖1所示，一根鋼軌上共有3個(gè)0°探頭，2個(gè)37.5°探頭，6個(gè)70°探頭和2個(gè)斜70°探頭(鋼軌內(nèi)側(cè)斜15°)。

圖1 鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)工藝示意

1.4 鋼軌探傷車(chē)焊縫檢測(cè)難點(diǎn)

鋼軌探傷車(chē)的有效檢測(cè)范圍包括鋼軌軌頭、軌腰及投影區(qū)，無(wú)法檢測(cè)鋼軌軌底角。鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)工藝與全斷面檢測(cè)工藝的區(qū)別如表1所示。

表1 鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)工藝與全斷面檢測(cè)工藝的區(qū)別

圖2 鋁熱焊焊筋回波B顯圖

鋼軌探傷車(chē)對(duì)焊縫檢測(cè)的難點(diǎn)主要有：① 輪式探頭超聲波在鋼軌的入射位置局限于鋼軌軌面，超聲覆蓋范圍有限，檢測(cè)盲區(qū)大；② 受焊縫的寬度、軌顎焊筋、軌底焊筋、焊渣、耦合條件不良等因素的影響，焊縫波形易受干擾，探傷車(chē)B掃描中出現(xiàn)粗大的焊筋波，傷損圖形與焊筋圖形重疊在一起不易分辨(見(jiàn)圖2)；③ 由于鋁熱焊焊縫是鑄造組織，材料晶粒粗大，故超聲波易發(fā)生散射，焊縫缺陷的檢測(cè)靈敏度降低，從而在B顯圖形中出現(xiàn)0°底波消失和軌頭70°雜散雜波(見(jiàn)圖3)；④ 高速檢測(cè)時(shí)，探傷車(chē)超聲掃查間距為5.6 mm[4]，30 mm寬的焊縫僅能被掃查5～8次，焊縫B顯圖不清晰，不易分辨焊縫結(jié)構(gòu)和缺陷圖形。另外，在高速檢測(cè)時(shí)不能通過(guò)視覺(jué)及時(shí)觀察到焊筋寬度，在B顯圖中也不易分辨缺陷圖形和焊筋圖形。

圖3 鋁熱焊焊縫0°底波消失B顯圖

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 人工模擬焊縫缺陷標(biāo)定試驗(yàn)

鋼軌探傷車(chē)標(biāo)定線由10根25 m長(zhǎng)的鋼軌連續(xù)鋪設(shè)而成，每根鋼軌上布置了不同類(lèi)型的人工缺陷。為了研究鋼軌探傷車(chē)對(duì)焊縫的檢測(cè)能力，新設(shè)計(jì)了1根人工模擬焊縫缺陷軌道。軌道長(zhǎng)25 m，由3段短軌通過(guò)鋁熱焊焊接在一起，焊縫上加工了3個(gè)人工模擬缺陷，缺陷布置如圖4所示，缺陷規(guī)格及探頭類(lèi)型如表2所示。

圖4 鋼軌上的人工模擬焊縫缺陷布置示意

表2 人工模擬焊縫缺陷規(guī)格及檢測(cè)探頭類(lèi)型

鋼軌探傷車(chē)對(duì)人工模擬焊縫缺陷軌道進(jìn)行檢測(cè)標(biāo)定試驗(yàn)，以40，50，60，70，75 km·h-1的速度各標(biāo)定6次，統(tǒng)計(jì)各缺陷的檢出率。

2.2 已有線路的焊縫缺陷檢測(cè)

鋼軌探傷車(chē)在某鐵路線路執(zhí)行周期性檢測(cè)任務(wù)時(shí)，檢測(cè)人員跟蹤了鋼軌探傷車(chē)檢出的焊縫缺陷，分析了已有線路焊縫缺陷的特點(diǎn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 人工模擬焊縫缺陷檢出統(tǒng)計(jì)及分析

鋼軌探傷車(chē)在不同標(biāo)定速度下對(duì)3處人工焊縫缺陷的檢出次數(shù)和檢出率如表3所示。

由表3可知，在鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)工藝能夠覆蓋焊縫的有效檢測(cè)區(qū)域內(nèi)，3處人工模擬焊縫缺陷的平均檢出率為97.2%。檢測(cè)速度為40 km·h-1～75 km·h-1時(shí)，鋼軌探傷車(chē)對(duì)焊縫軌頭、軌腰φ 5 mm橫通孔當(dāng)量的體積型人工缺陷的檢出率可達(dá)到100%。焊縫軌頭、軌腰的體積型缺陷的超聲波B顯圖與鋼軌母材缺陷的類(lèi)似(見(jiàn)圖5，6)。檢測(cè)速度低于60 km·h-1時(shí)，焊縫軌顎φ 3 mm橫通孔當(dāng)量的體積型缺陷的檢出率為100%，隨著車(chē)速的增加而出現(xiàn)了漏檢，其體積型缺陷B顯圖如圖7所示。漏檢的原因有：① 探傷車(chē)采用變距式發(fā)射模式[4]，掃查間距隨車(chē)速的增加而增大，造成高速檢測(cè)時(shí)缺陷對(duì)波的反射次數(shù)減少；② 與軌頭、軌腰的人工缺陷尺寸相比，焊縫軌顎處人工模擬缺陷的尺寸小，反射當(dāng)量面積??；③ 軌顎焊筋圖形與缺陷圖形疊加、重合，影響判斷。

表3 人工模擬焊縫缺陷檢出次數(shù)和檢出率 %

圖5 焊縫軌頭體積型缺陷B顯圖

圖6 焊縫軌腰體積型缺陷B顯圖

圖7 焊縫軌顎體積型缺陷B顯圖

3.2 已有線路焊縫缺陷分析

3.2.1 接觸焊、氣壓焊焊縫缺陷

鋼軌探傷車(chē)在已有線路檢出的接觸焊焊縫缺陷B顯圖如圖8所示。氣壓焊焊縫軌腰出現(xiàn)片狀分離時(shí)的缺陷圖形如圖9所示。接觸焊、氣壓焊屬于鍛造焊，焊縫材料取自于母材，晶粒更加均勻，焊筋較小。接觸焊、氣壓焊軌頭疲勞缺陷的反射圖形與鋼軌母材缺陷圖形類(lèi)似。

圖8 已有線路檢出的接觸焊焊縫缺陷B顯圖

圖9 已有線路檢出的氣壓焊焊縫缺陷B顯圖

3.2.2 鋁熱焊焊縫缺陷

鋼軌探傷車(chē)在已有線路檢出的鋁熱焊焊縫軌頭缺陷B顯圖如圖10所示。鋁熱焊材料晶粒粗大，會(huì)造成超聲波散射，鋁熱焊焊縫的B顯圖中能明顯看到軌頭區(qū)域70°通道的雜散圖形。當(dāng)雜散圖形中有連續(xù)的、向軌腰延伸的B顯圖時(shí)，就可以判為鋁熱焊焊縫缺陷。

圖10 鋼軌探傷車(chē)檢出的鋁熱焊焊縫軌頭缺陷B顯圖

4 結(jié)語(yǔ)

介紹了鋼軌焊縫的類(lèi)型，分析了鋼軌焊縫的檢測(cè)方法，對(duì)比了鋼軌探傷車(chē)的檢測(cè)工藝與焊縫全斷面檢測(cè)工藝，并分析了鋼軌探傷車(chē)焊縫檢測(cè)的難點(diǎn)。設(shè)計(jì)了人工模擬焊縫缺陷軌道，使用鋼軌探傷車(chē)進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析了焊縫缺陷的檢出率和變化規(guī)律。