钢轨焊接接头超声探伤缺陷分析

钢轨焊接接头超声探伤缺陷分析

候博，侯登亮

中国铁路呼和浩特局集团有限公司集宁工务段

内蒙古乌兰察布市 012000

摘要：中国铁路已经进入高铁时代，快速度、大运量给线路维修检测提出了更高的要求。由于钢轨探伤技术具有无损伤，灵敏度高，反应快捷等优点，被广泛应用于线路维修检测领域内。无损探伤在钢轨现场焊接中是最主要的检测方法，如何准确地判定伤损，既负责对焊接质量的控制，又承担着对生产成本，提高项目效益的控制。超声波从一种介质传播到另一种介质时，在两种介质的分界面上，部分能量反射回原介质内，称为反射波，另有一部分能量透过界面进入另一种介质，称为透射波。作为现场焊接的最终检测手段，超声波探伤起着至关重要的意义。通过正确分析钢轨现场焊中常用的闪光焊和铝热焊中存在的几种伤损的形成机理和产生原因，有助于我们更准确地判别伤损类型。

关键词：钢轨焊接接头；超声探伤缺陷

前言：

钢轨现场焊接分为闪光焊、铝热焊两种（气压焊已明令禁止），两种不同的焊接方法，各具有其独特的优点。但由于焊接工艺、材料、机械设备、工人操作及环境气候等因素的影响，经常会出现一些焊接缺陷，而两种焊接方法形成缺陷的机理又各有不同。

一、 钢轨焊接接头超声探伤缺陷形成机理

1.闪光焊。闪光焊是国内外钢轨焊接的主要方法之一，也是目前中国铁路总公司大力推广的一种钢轨焊接方法。在正常情况下与气压焊和铝热焊相比，钢轨的闪光焊接头强度较高，线路上断头率约为 0.5/10000 。研究钢轨闪光焊接头的缺陷特征、产生机理，有助于排除探伤干扰和及时正确地发现焊接缺陷，而闪光焊接头中存在的缺陷一般有灰斑夹杂、裂纹、未焊合等。在工艺参数调设过程中，以落锤次数和灰斑面积为研究重点，通过落锤试验检查焊接接头的断口，灰斑缺陷一般出现在钢轨底部，轨腰偶见，轨头极少。虽然灰斑在超声波探伤中极难发现，但通过我们多年的落锤试验和断面分析证明，在工艺参数接近最佳时，灰斑往往是影响接头断裂的主要原因，灰斑的形成机理现在比较统一的看法是，由于钢轨闪光焊对焊接金属高温熔化时，形成的氧化物或硅酸盐夹杂，因未完全从焊缝中挤掉而留在焊缝区域，形成沿熔合线方向分布的不规则块状夹杂物。上述夹杂物分布于焊缝处，沿钢轨横截面方向分布，含有 Mn、Si 等元素，属于焊接缺陷性质。裂纹一般可能出现在钢轨焊接接头的个别部分，轨底出现的几率要大些，我们施工中经探伤不合格锯下的接头轨底打磨后肉眼看到的裂纹。裂纹缺陷的出现原因是多方面的，但主要是设备原因，工艺参数调设好以后，设备由于液压系统失常、焊接次级回路阻抗异常和电极打滑等原因，导致焊接末期的顶锻无力或加热不足冷顶现象，两个端面的焊缝金属未能充分融合而留有经打磨后肉眼可以看到一条缝隙。未焊合缺陷，主要表现在：从断面看，整个断面很平，撕裂状很不明显。我们探伤发现缺陷后未及时处理，低温缩轨拉断照片，可见整个断面很平，正火后轨头撕裂状也不明显。未焊合的形成机理主要是焊接过程中由于设备故障或工艺参数原因导致的热输入量严重不足或者顶锻量严重过大，造成未形成好的温度梯度或将好的温度端面挤出而形成接头冷顶锻状态，焊缝金属没能结晶造成的。严格来说，粗晶不能作为一种焊接缺陷来评判，但在探伤过程中，粗晶往往严重干扰我们的探伤结果，故粗晶应及时处理避免造成接头探伤的误判和错判。粗晶存在的主要原因是正火操作不当造成，目前现场焊接的正火主要采用火焰正火方法，由于乙炔质量、加热器和人为操作等原因造成钢轨心部位置不能达到规定要求的温度。

2.铝热焊。无缝线路在现场焊接中，铝热焊具有设备简单、快速方便及成本较低，焊接过程中钢轨没有烧损，接头平直度高，施工方便，工人容易掌握等优点，得到广泛应用。一般铝热焊焊接过程中出现的焊缝缺陷有气孔、夹渣、缩孔、疏松、咬边和未熔合等。其中夹渣是最为常见的一种缺陷，某条线路的钢轨铝热焊接头曾出现过大范围的夹渣缺陷，缺陷呈不规则状，大部分出现在轨腰焊筋边缘与母材接触处。夹渣形成的原因：淤自熔塞打开过早使焊渣未来得及与钢水分离；于轨端不洁，有熔渣；盂封箱过程中，上完砂模后未及时覆盖模口使杂物进入砂模；榆预热时间过长或预热过火，使轨端“滴泪”；虞镇静时间不够，反应未完成就浇注，在型腔内继续反应生成熔渣，由于凝固快，熔渣来不及浮出就形成夹渣。夹渣多出现在轨腰和轨头，但也有出现在轨底的另类情况。

二、钢轨焊接接头超声探伤原理和方法

1.钢轨焊接接头超声探伤包括焊缝及焊缝热影响区探伤。超声探伤基于声波在异质界面上的反射原理和在介质中传播时的衰减原理进行探伤。声波在钢轨中传播时，若遇有缺陷或界面，会产生反射，反射波带有钢轨内部的信息，由此可以判断钢轨焊接接头缺陷的位置和大小等。钢轨焊接接头内部缺陷按形状分为体积状缺陷和平面状缺陷两大类。体积状缺陷一般采用单探头法进行探测，平面状缺陷平行于钢轨焊缝，只能用横波进行斜入射探伤。声波斜入射时，反射波会按照反射定律在其它方向传播，同一探头无法收到反射波，所以平面状缺陷一般使用双探头法进行探测。双探头法探测中，一个探头发射信号，另一个探头接收信号。两个探头在同一探测面卜一前一后同向放置，以同样的速度向同一方向扫查，称为串列式扫查。两个探头分别在相对的两个探测面上相向放置，以同样的速度向同一方向扫查，称为K型扫查。由于钢轨截面为异形截面，按截面将钢轨焊接接头划分为四个区域，不同区域采用不同的探头和扫查方式进行探伤取样分析缺陷微观与能谱分析在钢轨焊接接头断裂起源处取样，经酒精清洗后在金相显微镜下进行观察，显示断裂起源部位整体向下凹陷，形成洞形貌。断裂起源及周边区域叮以观察到自由表面特征，同时存在大量微裂纹。在断裂起源处及微裂纹内都可以观察到大量灰色片状物。对钢轨焊接接头断裂起源处的微裂纹内部进行能谱分析，能谱分析结果显示，微裂纹内部物质由氧、铁、硅、锰等元素构成，是含有非金属的复合氧化物。

2.金相组织分析。在钢轨焊接接头断裂起源部位取纵截面金相试样，经镶嵌、打磨、抛光，将试样放入3％硝酸溶液内浸蚀观察，断裂起源位于钢轨焊缝上。在金相显微镜下进行观察，断裂起源部位存在形貌，可见金相组织为珠光体正常钢轨焊接接头处的组织为珠光体+铁素体，在断裂起源附近的钢轨轨底表面处未观察到组织流变特征，未见晶界熔化样貌，过烧缺陷是钢轨焊接常见的缺陷之一，过烧缺陷的明显特征是黑色蜂窝状，显微组织观察有晶界熔化特征。从金相组织分析来看，在钢轨闪光焊过程中，钢轨端部温度分布不均匀，轨头温度高，热量聚集快，闪光烧化时在轨头区域形成杂质元素富集，顶锻变形量不足，使轨头焊缝部位碳等元素偏析，形成易脆相网状二次渗碳体，造成静力弯曲试验时焊接接头解理穿晶脆性断裂。不存在过烧缺陷。在钢轨焊接过程中，由于钢轨焊接端面被氧化，形成了含有氧、硅、锰等元素的非金属复合氧化物。非金属复合氧化物熔点高，在焊缝组织冷却结晶过程中，非金属复合氧化物周围的基体组织冷却收缩，在非金属复合氧化物周围形成孔洞、微裂纹等缺陷，造成钢轨焊缝金属组织结构不连续。钢轨焊接接头的孔洞、微裂纹缺陷使超声探伤产生缺陷回波，落锤一锤击断。

结束语：

结合超声波探伤检测中经常出现的伤损图形和疑似伤损图形。通过分析各种伤损的超声波探伤仪反射回波，防止了有伤接头的漏判和无伤接头的误判。既保证了钢轨现场焊接接头的焊接质量，也为企业节约了大量的成本。

参考文献：

[1]望超.浅谈钢轨探伤技术在线路维修检测中的应用[J].工程技术，2019（11）：33.

[2]李晓娜.一种无损检测方法：超声波探伤[J].现代焊接，2021（11）：26-27.