钢轨焊缝超声波探伤系统设计分析

钢轨焊缝超声波探伤系统设计分析

赵宏程

内蒙古呼和浩特铁路局集团集通公司大板综合维修段检查监控车间 内蒙古赤峰 025150

摘要：铁路无缝线路的接头少，节省了大量的接头零件和线路维修工作量，减少了列车在接缝处的震动，降低了噪声，使列车运行更加平稳，同时增加了列车的使用年限。然而钢轨在焊接过程中由于设备的不稳定和焊接工艺参数的变化，以及钢轨化学成分偏离等原因，在焊缝内部容易产生灰斑、光斑、过烧、裂纹和晶粒粗大等危险性缺陷，这些缺陷降低了焊缝的强度和韧性，容易造成断轨事故。因此对钢轨焊缝部位进行定期检测是保证行车安全最直接、最有效的技术方法。本文基于钢轨焊缝超声波探伤系统设计分析展开论述。

关键词：钢轨焊缝；超声波探伤；系统设计分析

引言

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钢轨铝热焊探伤

高速铁路钢轨焊接主要有闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊4种方法：闪光焊主要用于厂焊和基地焊；移动闪光焊和移动气压焊用于单元轨节现场焊；铝热焊和电弧焊用于现场锁定焊、大修换轨和道岔焊接。闪光焊焊接接头质量和生产效率最佳，相对于闪光焊，气压焊在单元轨节焊接中成本优势明显。铝热焊和电弧焊属于钢轨原位焊接，铝热焊操作简单灵活，应用范围广，但焊接接头综合性能较差。电弧焊在日本应用广泛，中国正在开展全自动钢轨窄间隙电弧焊设备的研究开发和应用试验。由于铝热焊在高速铁路钢轨焊接中应用广泛且焊接接头综合性能较弱，因此需要加强对铝热焊焊缝的检测。对钢轨焊缝进行探伤时，除了会遇到疲劳缺陷，还会遇到如夹杂、气孔、光斑等其他缺陷。光斑等缺陷因反射较弱，不易探测，钢轨疲劳段因轨底严重锈蚀等原因造成陈旧性伤损。在气压焊与铝热焊缝边缘，因应力集中易产生轨底横向裂纹。铝热焊缝边缘在轨头下与溢流飞边交界处也易产生缺陷，该类型缺陷可直接造成钢轨折断，发展速度快，是最危险的缺陷。平面状缺陷一般平行于焊缝或垂直于探测面。平面状缺陷一般要用双探头进行探测，因用横波探头探伤时，反射声波无法直接返回探头。常用探伤方法有单探头法，K形扫查法与串联式扫查法。钢轨焊缝探伤时，一般将焊缝划分为4个区。1区一般采用45°串联式做穿透式扫查，便于对损伤进行定位定量。铝热焊轨底存在多余焊筋，对探测轨底三角区不利，应仔细观察焊筋轮廓底波，焊筋轮廓波显示在正常波底后，如无显示，排出外界因素无显示，判为有伤。2区一般用K形扫查。3区一般采用单探头扫查。4区可从轨头两侧用K型方式进行扫查。在轨头检测时，除因焊筋轮廓不规则外，大多为轮廓与木材料间存在损伤。我国钢轨铝热焊焊接技术研究始于20世纪60年代，该焊接工艺具有仪器易操作，焊接速度快等优点，成为我国无缝线路主要的焊接形式之一。铝热焊焊接比其他焊接方法更易形成大型的焊接不连续性。焊筋结构反射回波会对超声检测造成严重干扰，因此对焊筋结构反射回波的识别非常重要。

2探伤原理

探伤检查是对材料工件组件的无损检测分析，缺陷检测方法大致可分为6个类别70多种。有五种探伤方法:常用的超声波、射线、渗透、磁粉和涡流。超声波检查使用超声波在材料内传播时，会遇到在界面反射的声音信号，检测受试者的缺陷情况。超声探伤原理分为脉冲反射、投影和共振法。(1)脉冲反射检测原理。使用超声波在两个不同的介质界面上发生反射。您可以使用相同的探针作为发送接收。(2)脉冲投影判断缺陷。根据脉冲波或穿透工件的能量变化，脉冲投影将发射和接收探针放置在主体的两侧，以确保探针和诗篇之间的良好声音结合。(3)共振检测原理。如果检测到的工件厚度是超声波半波整数倍，则会发生共振，并且工件厚度计算为相邻共振差。

3运用注意要点

使用超声波探伤无损检测技术时，在应用过程中要小心总体应用率，根据焊缝长度的百分比确定总体计算标准，同时在焊缝检测时要确保焊缝长度超过220mm。如果在测试过程中发现焊接缺陷，则在检测缺陷的同时，必须相应地扩展长度，以确保增量长度在焊接长度的一定比例内。利用该技术进行探伤检查时，还要注意各结构的探伤时间。例如，碳结构钢需要自然冷却，在达到环境温度后检查12h，以提高总体检测效率并保证总体试验质量。

4超声波探伤的运行方式和操作技术

对附件焊接质量进行检测时，借助超声波原理，将不同频率的声波发送到检测位置。检测位置反弹声波后，会接收到不同振动信号的声波，并根据声学原理判断附件结构内存在的质量问题。检测过程中，由压电晶片发出超声波，附件受超声波作用后，自身结构内部存在的缺陷会将超声波形成反射波，将反射波以脉冲的形式出现在检测设备上。此时，检测人员可根据脉冲波形确定附件内存在缺陷的位置和规格。

目前，以超声波为原理研制的检测技术可分为四种。第一，穿透法。借助设备发出的脉冲波，形成持续的传播信号作用在附件上，附件将传播信号转换成能量，工作人员根据能量的变化确定附件内的缺陷位置和规格。使用穿透法对附件进行检测时，工作人员将两个探头放置在设备和附件上作为信号发射设备和信号接收设备。第二，脉冲反射法。工作人员通过产生的发射波检测附件存在的缺陷。检测过程以缺陷回波法为主，工作人员通过仪器即可获得相关信息。第三，共振法。通过共振法会在附件的内部形成声波，声波半波长为附件厚度整数倍时，仪器会显示信号产生的共振频率，以此确定附件内存在缺陷的位置和规格。第四，TOFD法。使用该方法，工作人员使用多个探头将产生的声波营造成一个检测环境，将附件放置在该环境内，若附件结构内存在缺陷，会产生反射声波和衍射波。工作人员计算反射时间，并按照三角方程原理确定附件内缺陷的位置和规格。现阶段，在飞机附件检测过程中，通常会使用脉冲发射法。

结束语

钢轨焊缝质量直接关系着铁路运输安全，焊接工艺操作失误等原因引起的焊缝缺陷，需利用无损检测方法及时检测，超声波检测是一种有效的检测方式。近年来，超声相控阵检测技术在工业领域取得到良好应用，应用于钢轨焊缝检测可提高检测效率，超声相控阵束聚焦能量强，可避免常规超声检测中出现的漏检情况。利用超声波探伤仪进行钢轨铝热焊焊缝探伤时，遇到钢轨内缺陷会发生相互作用，产生衍射波，从而检测出其中缺陷。通常采用纵斜波探头进行探伤检测，衍射信号更易被探头接收。

参考文献

[1]丁爱香.超声波无损检测技术在建筑钢结构焊缝检测中的应用[J].建材与装饰,2019(19):63-64.

[2]张广兴.管道横向裂纹超声波检测及应用[J].焊接技术,2019,48(05):105-108.

[3]杨勇平,李真,黄胜伟.钻杆焊缝自动超声波探伤机的研制与应用[J].设备管理与维修,2019(10):124-126.

[4]吴员,张天江,张利园,史学材,权利.相控阵超声波技术在奥氏体不锈钢管道环焊缝检测中的运用[J].电子技术与软件工程,2019(09):96.

[5]王锐.未来聚变堆真空室复杂焊缝相控阵超声检测关键技术研究[D].中国科学技术大学,2019.