鐵路無縫線路焊縫探傷實物對比試塊的研發與應用

王澤

（北京鐵路局北京工務段，北京 100021）

1 課題背景

隨著中國鐵路事業的蓬勃發展，“高鐵”一詞早已深入人心，中國高鐵更是成為引領時代潮流的名片之一。隨著“復興號”動車組的問世，代表著中國獨立知識產權的高鐵技術正式突破運營時速400公里大關，鑄就世界陸上運輸行業的最新里程碑。

高鐵提速的背后沉淀著無數的技術創新與設備升級，除了標志性的輕型動力車組技術，保障列車運行安全的自動、半自動化無縫線路設備的升級更新同樣是里程碑式的成就。所謂無縫線路，是指將線路鋼軌通過焊接成為一體，經接觸網通電后成為自動閉塞區段，實現區間內的設備情況被調度指揮中心實時掌握。自動閉塞區間看似容易實現，事實上將25m或50m長的鋼軌焊接成數百甚至數千公里長的整體,并實現實時監控是一項極為浩大的工程，任一處銜接不上都將導致區間斷路形成紅光帶，調度指揮中心將失去對區間以及區間內行駛列車的監控，引發不可測的后果。

將鋼軌經過焊接處理的部位叫做焊縫，焊接方式根據不同原理分為閃光焊、氣壓焊及鋁熱焊等數種，目前我國應用最普遍的線上焊接方式為鋁熱焊。由于受焊接工藝、焊接材料及操作人員技術素質等多方面的影響，鋼軌在焊接過程中往往會產生各種微小缺陷，列車在通過焊縫部位時會對焊口形成較大的沖擊力，導致微小缺陷會緩慢擴大；焊縫在各種應力作用下也會逐漸產生各種疲勞傷損，傷損發展到一定程度后會對整個焊縫部位造成破壞[1]，導致閉塞區間斷路形成紅光帶。因此，鋼軌焊縫不僅對焊接工藝有嚴格的要求，在服役過程中也要定期進行檢測。我國主要采用超聲波焊縫探傷儀對鋼軌焊縫進行檢測，利用超聲波的反射與折射原理進行無損探傷檢查，對焊縫內部的細微缺陷進行判定，是否影響行車安全。

鋁熱焊縫經過高溫處理后會對鋼軌材質造成影響，它的形狀復雜及特殊的焊接工藝，長期以來在鋼軌探傷領域一直是一個難點，尤其是對焊筋波的有效區分存在一定難度。由于鋁熱焊構造較其他部位復雜，在檢測時除了缺陷回波外，還會產生各種非缺陷引起的焊筋波形。如果不能更好地了解波形顯示規律及特征，將缺陷回波誤認為是焊筋回波，就會造成焊筋內缺陷的漏檢。歷年來焊縫部位斷軌數量占全路鋼軌折斷總數的60%以上。因此，研發焊縫實物對比試塊，檢定出焊筋波的特定波形，制定成熟、完善的探傷工藝，能有效地解決以上技術問題。

2 國內現狀

目前國內焊縫探傷作業，對儀器、探頭的各項指標的檢測均為鋼軌母材標準試塊（GHT-1.GHT-5），缺少鋼軌焊縫的檢測試塊，由于無法模擬焊縫且檢測不出焊縫波形圖表，無法描述模擬焊縫中的傷損狀態。因此，有必要開發制造焊縫檢測標準試塊，作為對比試塊提高一線工人檢測焊縫傷損的實操能力。

3 研發過程

①制作圖紙，計算所需人工缺陷的各種規格及當量值（A-A）。

圖1 A-A剖視圖

技術要求：

圖中 1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#，11#，12# 為 φ3 平底孔，8#為φ3橫通孔，9#、10#為φ4豎孔。

13#槽的寬度為0.3mm。

②以德式鋁熱焊接（施密特）Z100規格的焊劑焊接60kg/m鋼軌（焊道兩側各預留出焊縫全斷面探傷長度）,要求：焊接良好；鋼軌頂面、軌鄂和軌底面打磨徹底、順坡良好（A-B）（見圖2）。

圖2A-B

③根據圖紙，在已焊好的鋁熱焊焊道中用人工鉆頭從軌頭側面、軌腰部位、軌底正中及軌底角部位，分別鉆入直徑為3～4mm的平底孔、豎孔和寬度為0.3mm切割槽。

④根據焊縫試塊制作出來人工傷損進行校對，各部位人工傷損都能在焊縫探傷儀中顯示傷損回波。

經過以上步驟，制作出了復核技術預期的焊縫探傷實物對比試塊樣本，見圖3。

圖3

4 成果應用

通過試塊樣本，對國內使用的超聲波焊縫探傷儀進行靈敏度及其他各項指標的校正，要求：超聲波探傷靈敏度準確率高，誤差小；能夠正確區分焊筋波與傷波的存在；直觀地判定現場鋁熱焊縫傷損定量[2]，從而大大提高了現場鋁熱焊傷損檢出率。

4.1 單探頭靈敏度校準

①軌頭和軌腰部位。將焊縫實物對比試塊上距軌面140mm的8#橫通孔反射波高調整到滿幅度的80%，然后根據探測面情況進行適當表面耦合補償，一般2dB～6dB,作為單探頭軌頭和軌腰部位的探傷靈敏度。②軌底部位。將焊縫實物對比試塊上軌底10#豎孔上棱角的二次反射波高調整到滿幅度的80%，然后根據探測面情況進行適當表面耦合補償，一般2dB～6dB,作為單探頭軌底部位的探傷靈敏度。③軌底角部位。將焊縫實物對比試塊上軌底10#豎孔上棱角的二次反射波高調整到滿幅度的80%，然后根據探測面情況進行適當表面耦合補償，一般6dB～8dB,作為單探頭軌底角部位（約20mm范圍）的探傷靈敏度。④軌底中心部位。將焊縫實物對比試塊上距軌底中心的13#切割槽反射波高調整到滿幅度的80%，然后根據探測面情況進行適當表面耦合補償，一般2dB～6dB,作為軌底中心裂紋部位的探傷靈敏度。

4.2 雙探頭靈敏度校準

①軌頭部位K型掃查。將焊縫實物對比試塊上距軌面20mm的3#平底孔反射波高調整到滿幅度的80%，然后根據探測面情況進行適當表面耦合補償，一般2dB～6dB,作為軌頭部位的探傷靈敏度。②軌腰部位。K型掃查：將焊縫實物對比試塊上距軌面90mm的7#平底孔反射波高調整到滿幅度的80%，然后根據探測面情況進行適當表面耦合補償，一般2dB～6dB,作為軌腰部位的探傷靈敏度。串列式掃查：將焊縫實物對比試塊上距軌面140mm的8#橫通孔反射波高調整到滿幅度的80%，然后根據探測面情況進行適當表面耦合補償，一般2dB～6dB,作為軌腰部位的探傷靈敏度。③軌底部位K型掃查。將焊縫實物對比試塊上距軌底中心的11#平底孔反射波高調整到滿幅度的80%，然后根據探測面情況進行適當表面耦合補償，一般2dB～6dB,作為軌底部位的探傷靈敏度。

結果表明，經過焊縫探傷實物對比試塊對焊縫探傷儀器靈敏度的校驗，既方便又準確，能夠正確區分焊筋波與傷波的存在，可直觀地對鋁熱焊縫傷損進行定量,可以對既有線、提速線上的所有鋁焊縫進行探傷檢查，大大提高傷損檢出率，為焊縫探傷儀器對鋁熱焊縫的判傷定量帶來可靠依據。