钢轨接触焊接头超声波探伤方法

高光

中国铁路 呼和浩特铁路局集团有限 公司集宁工务段 内蒙古自治区乌兰察布市 012000

摘要：我国铁路已经进入了高速铁路时代，速度快、交通量大，对线路的维护和检测提出了更高的要求。钢轨探伤技术由于无损伤、灵敏度高、响应快等优点，在线路维修检测领域得到广泛应用。无损检测是钢轨现场焊接中最重要的检测方法。如何准确地确定焊接损伤，不仅关系到焊接质量的控制，而且关系到生产成本的控制和项目效益的提高。

关键词：接触焊接头；超声波探伤；仪器调试；探头选择；探伤方式

一、钢轨现场焊接头缺陷的形成机理

钢轨现场焊接分为闪光焊、气压焊、铝热焊三种，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，而三种焊接方法形成缺陷的机理又各有不同。

二、设备选择和调试

1.探头选择。①无双峰和波形抖动现象；②探头前沿长度应能满足探伤扫查范围的需要；③回波频率≥４MHZ、回波频率误差≤10％；④折射角度误差：在37°～45°时，误差≤1.5°，折射角≥60°时，误差≤２°；⑤横波探头分辨率≥22dB、横波单探头始脉冲宽度≤20ｍｍ；⑥相对灵敏度，纵波直探头≥55dB、横波探头≥60dB（Ｒ100圆弧面）；⑦组合或陈列探头：各子探头入射点相对偏差≤２ｍｍ，各子探头分段扫查相对偏差≤４dB。

2.仪器调试。仪器调试必须做到100％的准确，尤其是关键指标，如水平线性、角度、测距、垂直线性等。常用的钢轨焊缝单探头探伤的角度有Ｋ０.５、Ｋ0.8、Ｋ１、Ｋ２．５、Ｋ３、０°，双探头探伤的有双Ｋ１、双Ｋ０.8。仪器调试使用探头必需与探伤使用探头一致，否则会造成伤损计量上的错判漏判。（１）轨头及轨底用≥Ｋ２的斜探头，深度调节为60ｍｍ；（２）轨腰轨底用Ｋ１、Ｋ０.８及０°探头，深度调节为２００ｍｍ；（３）灵敏度参照ＴＢ／Ｔ2658.21－2007标准设置，并把每一组的探头对应探伤仪的灵敏度＋６dB后存档并标上相应的记点，以利现场探伤工作时随时提取进行准确的探伤扫查和伤损判定。

三、探伤扫查及伤损判定

1.探伤扫查要求。如图１所示，接触焊接头区域划分及探伤检测要求如下：

图１接触焊缝接头检测区域划分说明 图2轨底伤损的单探头扫查确认 图3 45°探头穿透式伤损定量方法

①轨头横向裂纹（Ⅰ，Ⅱ区），必须用Ｋ２或Ｋ２．５横波探头在轨面对轨顶面至轨颚范围进行扫查。②轨底斜面部份（Ⅲ、Ⅳ区），必须用Ｋ２或Ｋ２．５横波探头进行一次波和二次波扫查。③轨腰必须用Ｋ２．５横波探头在轨腰内外两侧面分别进行一次波扫查。④以轨头、轨底脚两侧面为探测面（Ⅲ、Ⅱ区）的Ｋ型扫查，必须用一对Ｋ0.8或Ｋ１探头对轨头中部和两边角、轨底和轨底三角区下部进行探测。⑤０°探头用20、2.5ＭＨｚ探头从轨顶面探轨底面。

2.轨腰伤损扫查与判定。以60钢轨为例，使用串列式扫查方法（双探头Ｋ0.8），对轨头踏面至轨底底面进行全断面扫查一遍后，在反方向也要再扫查一遍，当轨腰存在缺陷时，把两边扫查出的伤波Ａ作一标记，再把探伤灵敏度调至基准灵敏度，如果伤波很强，此时基本可确定轨腰有垂直状面积伤损。为了确认伤损，在轨腰两侧用Ｋ2.5探头利用横波在轨腰用一次波正反方向作锯齿波扫查，发现伤波后看伤波的起止点再横移探头（注意仪器的灵敏度标准）即可得出伤高和伤宽。用以上两种探伤方法，就能够检查出钢轨焊缝轨腰中灰斑、光斑、未焊透的位置和当量。

3.轨底三角区伤损扫查与判定。通常，路轨探伤仪无法分辨轨底伤损与焊筋波，经研究，把轨底横裂和焊缝的焊筋波，从探伤仪的荧屏上用探头的水平距离区分开，很好的解决了这个探伤难题。首先使用反射式装置对焊缝轨面轨头踏面至轨底全面扫查，发现伤损后，使用45°角探头，出现轨底波后，如果所示水平距离所指的如果是焊筋的两端，则证明没有轨底横裂，如图2所示的探头Ａ和探头Ｂ位置；如果出现轨底伤波后，两探头所示水平距离是焊筋的同一端角上，则证明轨底有横裂可能，如图2所示的探头Ａ和探头Ｃ位置。

为避免错判，结合使用穿透式探伤来定伤损高度，再用反射式Ｋ型探伤扫查来确定伤损的宽度，操作方法如下：①穿透式；已知收、发两探头间的距离为２倍轨高，由于tan45°＝１，便于对伤损定位、定量，如图3所示。在检查中均显示穿透底波，将底波锁在反报警小方门内不报警。当遇有接头存在焊缝底部有凸起约５ｍｍ左右的焊筋时，将影响发射和接收，导致失（缩）底波报警。报警声长对应探头位移长度。判断伤损高度计算方法，伤高Ｌ１＝ｈ１＝Ｌ２就是说探头失波至出波距离Ｌ１等于伤损的高度ｈ１了。②Ｋ型扫查：以轨底脚两侧面为探测面的Ｋ型扫查，必须用一对Ｋ１探头对轨底和轨底三角区下部进行探测。扫查用两个Ｋ１斜探头，用轨底横面的宽度除以２，即150÷２＝75ｍｍ做扫查基点。这样就可以有效的发现焊缝轨底横裂、灰斑、光斑，未焊透的重伤焊缝，提高焊缝伤损探出率。

4.轨脚伤损扫查与判定。扫查方法是将Ｋ2.5探头置于轨脚坡面，垂直于焊筋在各检测区内作前后移动进行锯齿扫查，然后再作内外偏角检测。常用的判定方法有：当量计算法，用平底孔计算公式：ｄｆ＝ｄＡ×ａｆ／ａＡ×10△／40；３dB延伸度法；距离波幅曲线法。

5.轨头伤损扫查与判定。使用反射式装置对焊缝轨面轨头踏面至轨底全面扫查，发现轨头部位伤波后，再利用反射式装置原理，将反射式装置装于轨头的内外侧进行扫查，发现伤波后，用Ｋ2.5的探头放在焊接头上并在轨面作纵向移动和偏角纵向移动，当探头距焊缝100ｍｍ左右，在荧光屏上显示焊筋波，深度为45ｍｍ～35ｍｍ，此时注意探头位置（水平距离），当探头波束打在轨头外侧或内侧，焊筋波深度为35ｍｍ左右，当探头波束打到轨下鄂时，焊筋波显示深度为45ｍｍ左右。根据深度对轨头内的缺陷判伤，当显示屏出波显示的深度小于30ｍｍ时，则轨头内一定存在伤源，从伤波起波至落波就大致可确定伤损的高度Ｈ＝（Ｌ２－Ｌ１）÷Ｋ（ｍｍ）｛Ｋ－探头Ｋ值｝，当显示屏出波显示的深度为４５ｍｍ～３５ｍｍ时，根据探头位置和超声束的发射方向来进行判别。确定轨头存在伤损后，以轨头两侧面为探测面的Ｋ型扫查对轨头中部和两边角进行探测，扫查时用两个Ｋ１斜探头一发一收，用轨头的两侧面校对，由于tan45°＝１，轨头宽度７３÷２＝36.5ｍｍ做Ｋ型扫查基点，可以有效的发现轨头焊缝灰斑、光斑，未焊透的重伤焊缝，防止漏检。

总之，本探伤方法在铁路线上使用取得了较好的效果，检测出很多单探头无法检出的有危害安全的伤损焊缝。本探伤方法已在工务段推广及应用，不仅提高了检测效率，同时能及时发现和检出接触焊接头的危害缺陷，保障了铁路运输的安全。

参考文献：

[1]张超.钢轨闪光焊质量问题的探讨.2018.

[2]王晓娜.浅谈钢轨接触焊接头超声波探伤方法.2019.