超聲波技術在高鐵鋼軌焊縫探傷中的應用

李金川

（航宇救生裝備有限公司，湖北襄樊 441000）

0 引言

頻率＞20 kHz的機械波是超聲波。超聲波具有方向性集中，加速度大等特點，在不同的媒質界面，超聲波的大部分能量會被反射。超聲波具有穿透力強的特點，幾乎可以在任何物體中傳播。

鋼軌焊縫質量直接關系著鐵路運輸安全，焊接工藝操作失誤等原因引起的焊縫缺陷，需利用無損檢測方法及時檢測，超聲波檢測是一種有效的檢測方式。近年來，超聲相控陣檢測技術在工業領域取得到良好應用，應用于鋼軌焊縫檢測可提高檢測效率，超聲相控陣束聚焦能量強，可避免常規超聲檢測中出現的漏檢情況。

利用超聲波探傷儀進行鋼軌鋁熱焊焊縫探傷時，遇到鋼軌內缺陷會發生相互作用，產生衍射波，從而檢測出其中缺陷。通常采用縱斜波探頭進行探傷檢測，衍射信號更易被探頭接收。

1 高速鐵路鋼軌鋁熱焊探傷

高速鐵路鋼軌焊接主要有閃光焊、氣壓焊、鋁熱焊和電弧焊4種方法：閃光焊主要用于廠焊和基地焊；移動閃光焊和移動氣壓焊用于單元軌節現場焊；鋁熱焊和電弧焊用于現場鎖定焊、大修換軌和道岔焊接。閃光焊焊接接頭質量和生產效率最佳，相對于閃光焊，氣壓焊在單元軌節焊接中成本優勢明顯。鋁熱焊和電弧焊屬于鋼軌原位焊接，鋁熱焊操作簡單靈活，應用范圍廣，但焊接接頭綜合性能較差。電弧焊在日本應用廣泛，中國正在開展全自動鋼軌窄間隙電弧焊設備的研究開發和應用試驗。由于鋁熱焊在高速鐵路鋼軌焊接中應用廣泛且焊接接頭綜合性能較弱，因此需要加強對鋁熱焊焊縫的檢測。

對鋼軌焊縫進行探傷時，除了會遇到疲勞缺陷，還會遇到如夾雜、氣孔、光斑等其他缺陷。光斑等缺陷因反射較弱，不易探測，鋼軌疲勞段因軌底嚴重銹蝕等原因造成陳舊性傷損。在氣壓焊與鋁熱焊縫邊緣，因應力集中易產生軌底橫向裂紋。鋁熱焊縫邊緣在軌頭下與溢流飛邊交界處也易產生缺陷，該類型缺陷可直接造成鋼軌折斷，發展速度快，是最危險的缺陷。

平面狀缺陷一般平行于焊縫或垂直于探測面。平面狀缺陷一般要用雙探頭進行探測，因用橫波探頭探傷時，反射聲波無法直接返回探頭。常用探傷方法有單探頭法，K形掃查法與串聯式掃查法。鋼軌焊縫探傷時，一般將焊縫劃分為4個區（圖1）。1區一般采用45°串聯式做穿透式掃查，便于對損傷進行定位定量。鋁熱焊軌底存在多余焊筋，對探測軌底三角區不利，應仔細觀察焊筋輪廓底波，焊筋輪廓波顯示在正常波底后，如無顯示，排出外界因素無顯示，判為有傷。2區一般用K形掃查。3區一般采用單探頭掃查。4區可從軌頭兩側用K型方式進行掃查。在軌頭檢測時，除因焊筋輪廓不規則外，大多為輪廓與木材料間存在損傷。

我國鋼軌鋁熱焊焊接技術研究始于20世紀60年代，該焊接工藝具有儀器易操作，焊接速度快等優點，成為我國無縫線路主要的焊接形式之一。鋁熱焊焊接比其他焊接方法更易形成大型的焊接不連續性。焊筋結構反射回波會對超聲檢測造成嚴重干擾，因此對焊筋結構反射回波的識別非常重要。

圖1 鋼軌焊縫分區

2 探傷原理與常用探傷方法

2.1 探傷原理

探傷是對材料工件組件進行非破壞性檢測分析，探傷方法可分為6大類70多種。常用的有超聲，射線、滲透、磁粉與渦流等5種探傷方法。超聲波檢測利用超聲波在材料中傳播時，遇到界面反射的聲訊號，檢測被測物內缺陷情況。超聲波探傷原理分為脈沖反射，投射與共振法。

（1）脈沖反射檢測原理。利用超聲波入射到2種不同介質交界面發生反射。可采用同一探頭兼作發射接收。

（2）脈沖投射判斷缺陷。根據脈沖波或穿透工件的能量變化，脈沖投射將發射、接收探頭置于被檢測件兩側，保證探頭與試件間良好的聲耦合。

（3）共振法檢測原理。被檢測工件厚度為超聲波半波長整數倍時會引起共振，用相鄰共振差計算工件厚度。

2.2 常用探傷方法

目前鋼軌鋁熱焊焊縫探傷設備主要是數字焊縫通用探傷儀。該設備是一種掌上全數字化儀器，顯示屏大，功能全，重量輕，實用于工務系統的鋼軌焊縫與軌道車車軸探傷。主要用作接頭焊縫年檢與復查，可判斷焊縫損傷情況，可對已發生損傷精細定位定量探傷。

體積狀缺陷采用單探頭法，平面狀缺陷采用單、雙與和陣列探頭法。用K形與串列式掃查時，探頭相對或背向等速相對移動，借助專門的掃查裝置，停頓下進行探測。缺點是不能進行連續掃查，難以對熱影響區進行掃查。連續探傷法可對焊縫連續掃查，其工作原理是組成20個不同的探傷狀態，探頭不動時，掃查到20個分立點，探頭移動時，兩斜線隨之移動，完成對焊縫的全部掃查。軌底與軌頭兩側仍需用手工或其他法進行掃查。

采用鋼軌焊縫探傷掃查架探傷的優勢：新線開通前利用鋼軌焊縫探傷掃查架探傷條件更佳。可利用鋼軌焊縫探傷掃查架探傷的地理條件與環境優勢，施工作業方式采用夜間電客車停運后封鎖區間作業，有利于進行鋼軌焊縫探傷掃查架對高鐵鋼軌探傷。新開線開通前利用鋼軌焊縫探傷掃查架探傷，有利于精確檢測，利用鋼軌焊縫探傷掃查架探傷時能及時準確發現缺陷，保證驗收軌道鋼軌質量。

3 焊縫全斷面探傷

3.1 焊縫軌頭探傷

一般用探頭在軌頂面進行縱向移動掃查，以得到焊縫軌頭全面掃查。由于探頭接觸面過小，可用偏角縱向移動掃查焊縫軌頭。

探測焊縫軌頭時，探頭距焊縫中心80 mm，焊縫缺陷直徑＜超聲束寬度，超聲束可同時在缺陷與焊筋上反射，熒光屏同時顯示缺陷波與焊筋輪廓波。缺陷直徑＞超聲束寬度，熒光屏只顯示缺陷波。將探頭放在軌面中心移動掃查，可發現軌頭下顎與軌腰連接圓弧處存在的缺陷。焊縫中損傷取向不同，為提高傷損檢出率，應校對探頭側與鄂部。

兩斜探頭分別置于鋼軌軌頭兩側面，適用于缺陷反射面與探測垂直片狀缺陷檢測。探傷時兩探頭同時同速縱向移動。一對探頭相對位置不變，可用兩探頭按一定規律放置的方式進行掃查，完成整個橫截面探測。探傷前根據焊縫寬度、探頭聲束寬度、掃查密度等計算掃查頻次與入射點位置。

軌頭焊縫內無缺陷，B探頭接受不到回波，A探頭發射的聲波經軌頭側面向前反射，熒光屏無回波顯示。軌頭內有垂直于縱向的片狀缺陷，A探頭發射的超聲波經缺陷反射被B探頭接收，當缺陷處于探頭掃查區外，無回波顯示。

3.2 焊縫軌腰探傷

（1）直探頭置于軌面縱向中部，縱向緩慢移動探頭掃查，檢測焊縫中反射面與探測面平行的缺陷利用一次波檢出軌頭至軌底部焊縫中體積型缺陷。

（2）直探頭在焊縫探傷中，熒光屏除始波，會顯示軌底反射回波。焊縫軌腰中有較大平面狀缺陷，只有缺陷波顯示。

（3）鋁熱焊縫邊緣缺陷疲勞裂紋位于軌腰表面與溢流飛邊交界根部，在斷口疲勞紋源處取金相試樣檢測裂紋處金相組織與焊接質量，分析母材料化學成分及組織。

（4）鋁熱焊縫中有粗晶等缺陷時，發生散射，使聲波無法在軌底產生足夠的反射能量。焊縫中存在傾斜片狀缺陷，造成軌底波消失。

（5）串列式反射法用于探測焊縫中垂直軌面片狀缺陷。兩探頭放置同一探測面，探傷時兩探頭保持一定距離同時縱向移動。通過調整兩探頭間距完成全面掃查。

采集的鋼軌反射回波信息波形見圖2，波形圖上無法看出鋼軌缺陷。小波分析具有同時分析信號視域與頻域的功能，用小波分析技術變化檢測信號，重構故障特征信號，通過希爾伯特解調細化頻譜分析，檢測鋼軌故障信息，判斷故障位置。

圖2 采集缺陷信號功率譜

3.3 焊縫軌底探傷

將軌底分為軌底兩側與軌腰與軌底連接部，根據軌底角與聲束對應關系，將軌底角分為6個探測區，按不同偏角與位置進行縱向移動探頭檢查。1,3次波探測焊縫下半部，2次波探測焊縫上半部。（圖3）。掃查軌底角1～3區，探頭入射點距焊縫中心約65 mm，顯示焊筋上輪廓波。探頭距焊縫中心90 mm左右，顯示焊筋下輪廓波。掃查軌底角4～6區，熒光平水平刻度為2.5 mm左右。探頭距焊縫中心約95 mm。顯示焊筋上輪廓波。當缺陷直徑＜超聲波束寬時，同時顯示焊筋波與缺陷波，兩波間隔為1 mm左右，兩波間隔小，說明缺陷與對側焊筋近。缺陷直徑＞聲波束寬，熒光屏只顯示缺陷波。軌底探傷與軌頭K形探傷相同，缺陷部位與傷損波形顯示和軌頭雙探頭法結果類似。

圖3 軌底探傷單探頭法操作

4 探傷過程注意事項

（1）掃查速度與力度。探頭在探測面移動速度＜10 m/s，掃查速度過快，易造成焊縫內缺陷漏檢。應予以探頭一致的壓力，避免引起探傷靈敏度不穩定。

（2）探傷靈敏度的調節。同鋼軌焊縫探傷前，先調節確定探傷靈敏度，探傷掃查應在（4～6）dB，提高損傷檢出率。發現缺陷后進行各項測量時，應在規定探傷靈敏度下操作，減少缺陷定量誤差。

（3）探傷掃查寬度。鋁熱焊縫掃查應遍及焊縫全寬度，對距焊縫中心≥200 mm的探測面進行備制,使探測面粗糙度＜12.5 μm。提高探傷的可靠性。

（4）分析探傷儀回波顯示。軌頭探測要掌握內外側焊筋波不同顯示規律，確定缺陷波與焊筋波，按水平計算值用鋼尺定位，防止漏檢與誤判。

（5）注意聲束范圍外的區域檢查。K形或串列式探傷中，軌頭上角、規定上部區域是探傷掃查困難處，應采用其他方法進行彌補探傷。

（6）注意探測面附近區域探傷。探測面附近存在探傷掃查不足區域，可采用單探頭或組合探頭自發自收方式，完成對探測面附近區域探傷。

焊縫不屬于鋼軌，是連接鋼軌的紐帶，易出現損傷，且比普通鋼軌探傷更困難。因此在實際焊縫探傷中，應注意操作規范。

5 結語

近年的研究實踐證明，觀察波形是檢查焊縫確定損傷最重要的環節，仔細觀察各種損傷出波位置、波形、位移等，總結出各種焊縫損傷波形的規律。鋁熱焊接中未焊透缺陷反射波形多尖，幅度低、位移短、波峰長；裂紋缺陷回波較長、位移強、夾雜缺陷波形松散。

焊縫探傷中要注意假象回波的鑒別。鋁熱焊接頭有棱角波，有的幾乎與損傷在同一位置出波，極易誤判，探傷人員應具備一定的焊縫判斷知識與經驗。假象回波也有一定規律性，如軌下臺階波等，可采用看聲程等方法進行鑒別。