鋼軌閃光焊焊縫常見缺陷分析及探傷方法研究

凌文舉 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海工務(wù)段

閃光焊是電阻焊的一種，它將兩個(gè)待焊接的鋼軌端固定在焊機(jī)夾具上，利用低電壓大電流加在被焊鋼軌上產(chǎn)生的電阻熱，使軌端加熱至表面融化狀態(tài)，然后立即斷電并加壓，在壓力下使兩鋼軌端面互相結(jié)晶，使兩節(jié)鋼軌焊接在一起。隨著科技發(fā)展，目前已經(jīng)生產(chǎn)出適合現(xiàn)場(chǎng)焊接的移動(dòng)式接觸焊，不僅能夠完成聯(lián)合接頭焊接、單元焊接，而且能夠完成鋼軌與道岔的閉合焊接。

1 閃光焊焊縫缺陷的種類及產(chǎn)生的原因

焊接設(shè)備、焊接材料、氣溫條件和操作工藝等因素都會(huì)影響焊接質(zhì)量，在焊縫內(nèi)產(chǎn)生缺陷（見表1）。

表1 鋼軌閃光焊焊縫缺陷

2 閃光焊焊縫缺陷分析

目前，評(píng)判焊接工藝參數(shù)的好壞，多是以落錘試驗(yàn)結(jié)果作為質(zhì)量評(píng)判方法。我們?cè)趨⑴c滬寧城際、京滬高鐵和滬蘇通高鐵等線路的閃光焊焊縫落錘試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)閃光焊焊縫的微觀缺陷主要為灰斑引起的裂紋、其他裂紋和未焊合。

（1）灰斑引起的裂紋（見圖1）。

圖1 灰斑引起的裂紋

常見的裂紋就是軌腳端部焊縫裂紋。鋼軌閃光焊軌腳端部焊縫比較容易出現(xiàn)灰斑，軌腳邊緣裂紋位于焊縫中心，裂紋從表面沿焊縫中心一直延伸至內(nèi)部，并且，裂紋兩邊并不是完全對(duì)應(yīng)，局部較寬，這說(shuō)明，裂紋是在焊接時(shí)形成的。這種裂紋的長(zhǎng)度一般較長(zhǎng)，超過(guò)一定時(shí)，有時(shí)會(huì)沿著整個(gè)端面開裂。由于裂紋的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，危害性較大，有時(shí)焊接接頭水平方向的矯直過(guò)程中，就會(huì)引起鋼軌焊接接頭斷裂。

（2）其他裂紋

第一種：垂直焊縫的熱影響區(qū)裂紋（見圖2）。對(duì)推凸余量磨平后，回波峰值下降的鋼軌表面進(jìn)行研磨，發(fā)現(xiàn)右側(cè)較白處為焊縫，左側(cè)為熱影響區(qū)。裂紋不在焊縫中心，而是位于熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)。該裂紋的特點(diǎn)是裂紋沿焊縫邊緣的熱影響區(qū)的過(guò)熱區(qū)分布，并且位于焊縫一側(cè)（左邊），由此判斷，裂紋的產(chǎn)生與焊接推凸有一定關(guān)系。高溫下的過(guò)熱區(qū)是焊接接頭較為薄弱的區(qū)域，強(qiáng)度比其他區(qū)域低，隨著推凸進(jìn)行，表面和表面近區(qū)金屬大角度彎曲變形，當(dāng)超過(guò)極限值后，該區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生裂紋。

圖2 垂直焊縫的熱影響區(qū)裂紋

第二種：與焊縫呈一定角度的熱影響區(qū)裂紋（見圖3）。從現(xiàn)場(chǎng)做落錘試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂紋沿著50°左右的方向擴(kuò)展，裂紋也在過(guò)熱區(qū)。從裂紋方向可以看出，此裂紋與推凸方向正好相反，裂紋開裂方向和鋼軌內(nèi)部的帶狀組織的方向一致。帶狀組織由于頂鍛變形，使得熱影響區(qū)金屬發(fā)生大角度的彎曲變形，而裂紋處的變形最大。在隨后的推凸過(guò)程中，裂紋處再次發(fā)生變形（靠近表面部位發(fā)生向右方向的彎曲）。在頂鍛和推凸雙重變形的作用下，該處產(chǎn)生微觀裂紋。

圖3 與焊縫呈一定角度的熱影響區(qū)裂紋

（3）未焊合缺陷（見圖4）

圖4 未焊合缺陷

未焊合缺陷的產(chǎn)生是由于焊接工藝方法使用不當(dāng)，焊接參數(shù)使用不合適，燒化過(guò)程太弱或不穩(wěn)定，燒化過(guò)程結(jié)束到頂鍛開始之間的過(guò)渡不夠急速或有停頓，空氣侵入焊口，頂鍛速度太慢或帶電頂鍛不足，頂鍛留量過(guò)大，頂鍛壓力不足，使焊口封閉太慢或未能真正密合。缺陷多位于軌頭中心、軌底三角區(qū)。

3 探傷方法

3.1 儀器設(shè)備要求

（1）儀器

性能符合JB/T10061-1999 A 型脈沖反射式超聲波探傷儀通用技術(shù)條件并達(dá)到以下技術(shù)要求：

衰減器總量≥80 dB；

放大器帶寬不小于1 MHz～8 MHz；

靈敏度余量≥55 dB（2.5 MHz縱波）；

分辨率≥26 dB（2.5 MHz縱波）；

垂直線性誤差≤4%；

水平線性誤差≤2%；

阻塞范圍≤10 mm；

數(shù)字探傷儀采樣頻率≥100 MHz。

（2）探頭

2.5 MHz K2.5 探頭；2.5 MHz K1 探頭；2.5 MHz 直探頭；雙探頭（2.5 MHz K0.75～K1）。新焊閃光焊宜使用4 MHz 探頭。

上述超聲波探頭應(yīng)符合如下要求：

①無(wú)雙峰和波形抖動(dòng)現(xiàn)象，探頭前沿長(zhǎng)度應(yīng)滿足探傷掃查范圍的需要。

②回波頻率及其誤差：回波頻率誤差≤10%。

③折射角誤差：K1探頭≤1.5°；K2.5探頭≤2°

④橫波探頭分辨率：4 MHz探頭≥22 dB；2.5 MHz≥20 dB。

⑤橫波單探頭始脈沖寬度（R100 圓弧面增益40 dB）：4 MHz探頭≤20 mm；2.5 MHz探頭≤25 mm。

⑥相對(duì)靈敏度：縱波直探頭≥55 dB；2.5 MHz 橫波探頭≥65 dB；4 MHz橫波探頭≥60 dB。

（3）試塊

CSK-1A 標(biāo)準(zhǔn)試塊、CS-1-5 試塊、GHT-1、GHT-5 對(duì)比試塊。

3.2 探傷靈敏度調(diào)節(jié)

（1）K2.5探頭軌頭部位

將GHT-5試塊上B區(qū)5號(hào)（深60 mm）Φ3 mm橫孔反射波高調(diào)整到滿幅度的80%，作為K2.5探頭軌頭部位的探傷靈敏度基準(zhǔn)。

（2）K2.5探頭軌底部位

將GHT-5 試塊上C 區(qū)2 號(hào)Φ4 mm 豎孔上棱角的二次反射波調(diào)整到滿幅度的80%，作為K2.5探頭軌底部位的探傷靈敏度基準(zhǔn)。

（3）K1探頭

將GHT-5 試塊上B 區(qū)8 號(hào)（深160 mm）Φ3 mm 橫孔反射波高調(diào)整到滿幅度的80%作為K1探頭探傷靈敏度基準(zhǔn)。

（4）0°探頭

將GHT-5 試塊上7 號(hào)（深160 mm）Φ5 mm 橫孔反射波幅度調(diào)整到滿幅度的80%作為0°探頭的探傷靈敏度基準(zhǔn)。

（5）雙探頭串列式掃查

雙探頭串列式掃查探測(cè)GHT-1a 試塊4 號(hào)（距軌底面40 mm）φ3 mm 平底孔，調(diào)節(jié)平底孔波幅到80%作為探傷靈敏度基準(zhǔn)。

（6）雙探頭軌頭部位K型掃查

探測(cè)GHT-1b 試塊上2 號(hào)φ3 mm 平底孔，調(diào)節(jié)波幅到80%作為探傷靈敏度基準(zhǔn)。

3.3 探傷作業(yè)

（1）軌頭探傷（在焊后質(zhì)量檢驗(yàn)中，應(yīng)增加軌頭兩側(cè)雙K1對(duì)軌頭進(jìn)行K型掃查）

用K2.5 單斜探頭在軌頭踏面上作鋸齒形掃查（見圖5），掃查范圍要保證軌頭探測(cè)面全覆蓋。

圖5 鋸齒形掃查

根據(jù)缺陷存在的部位，鋼軌受力狀態(tài)和始波占寬影響必須運(yùn)用偏20°角的二次波探測(cè)軌頭兩側(cè)上方缺陷。

用偏角掃查方式加強(qiáng)對(duì)頭腰結(jié)合部焊筋邊緣缺陷的探測(cè)（見圖6）。在焊后推瘤過(guò)程中往往由于推刀不夠鋒利形成下顎臺(tái)階，探傷檢驗(yàn)中產(chǎn)生單一方向輪廓回波，可以通過(guò)打磨使之平順，探測(cè)回波消失，同時(shí)注重本側(cè)下顎部位的檢測(cè)，提高微裂紋的檢測(cè)能力。

圖6 軌頭軌腳偏角掃查

（2）軌腰探傷

用雙K0.8 串列式掃查架0 刻度對(duì)準(zhǔn)焊縫中心進(jìn)行正反向掃查，以檢測(cè)軌腰面積型缺陷和粗晶缺陷。

軌腰面積型缺陷可采用K2.5 單探頭在軌腰側(cè)面進(jìn)行鋸齒形掃查，甄別缺陷是否存在。

要重視直探頭對(duì)焊縫的探測(cè)，靈敏度不可太高，以提高儀器發(fā)現(xiàn)焊縫粗晶等缺陷的能力。串列式掃查發(fā)現(xiàn)焊縫疑似粗晶，可以對(duì)焊縫進(jìn)行二次正火使之晶粒細(xì)化。

（3）軌底探傷

K2.5 探頭檢測(cè)鋼軌軌底時(shí)，需按照探頭的掃查位置和掃查方向（軌底內(nèi)側(cè)正向、軌底內(nèi)側(cè)反向、軌底外側(cè)正向、軌底外側(cè)反向）對(duì)檢測(cè)過(guò)程進(jìn)行區(qū)分。

要特別注意對(duì)焊縫軌底一、二檔部位焊縫缺陷的檢測(cè)。軌腳一、二檔應(yīng)保證三、四次波探測(cè)，掃查距離不少于150 mm，以減少探測(cè)盲區(qū)。必須要重視對(duì)軌底熱影響區(qū)的探測(cè)。

要特別注意對(duì)焊縫軌底三、四檔部位焊縫缺陷的檢測(cè)。在焊縫本側(cè)軌底對(duì)側(cè)用偏角二次波掃查方式加強(qiáng)對(duì)底腰結(jié)合部焊筋邊緣上缺陷的探測(cè)（見圖7）。

圖7 本側(cè)和對(duì)側(cè)掃查

焊縫軌底角是灰斑多發(fā)區(qū)，探傷一側(cè)有一次波顯示另一側(cè)必然有二次波顯示，要仔細(xì)甄別。若一側(cè)有回波顯示往往是焊筋打磨不平順或咬角不平順引起的，可以通過(guò)打磨復(fù)探消除以提高缺陷的檢測(cè)能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)閃光焊焊縫缺陷的分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，初步掌握了閃光焊焊縫的探傷方法，可以為同類型的焊縫探傷提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)一些灰斑厚度極薄而形狀也無(wú)規(guī)則，當(dāng)超聲波入射到該缺陷面時(shí)，有一部分聲波能量透過(guò)缺陷繼續(xù)向前傳播，一部分被反射回來(lái)，反射回來(lái)的能量往往很弱。因此，對(duì)于鋼軌閃光焊中的灰斑缺陷探測(cè)較有難度，還需要進(jìn)行深入研究。