超声波技术在高铁钢轨焊缝探伤中的应用

李金川

（航宇救生装备有限公司，湖北襄樊 441000）

0 引言

频率＞20 kHz的机械波是超声波。超声波具有方向性集中，加速度大等特点，在不同的媒质界面，超声波的大部分能量会被反射。超声波具有穿透力强的特点，几乎可以在任何物体中传播。

钢轨焊缝质量直接关系着铁路运输安全，焊接工艺操作失误等原因引起的焊缝缺陷，需利用无损检测方法及时检测，超声波检测是一种有效的检测方式。近年来，超声相控阵检测技术在工业领域取得到良好应用，应用于钢轨焊缝检测可提高检测效率，超声相控阵束聚焦能量强，可避免常规超声检测中出现的漏检情况。

利用超声波探伤仪进行钢轨铝热焊焊缝探伤时，遇到钢轨内缺陷会发生相互作用，产生衍射波，从而检测出其中缺陷。通常采用纵斜波探头进行探伤检测，衍射信号更易被探头接收。

1 高速铁路钢轨铝热焊探伤

高速铁路钢轨焊接主要有闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊4种方法：闪光焊主要用于厂焊和基地焊；移动闪光焊和移动气压焊用于单元轨节现场焊；铝热焊和电弧焊用于现场锁定焊、大修换轨和道岔焊接。闪光焊焊接接头质量和生产效率最佳，相对于闪光焊，气压焊在单元轨节焊接中成本优势明显。铝热焊和电弧焊属于钢轨原位焊接，铝热焊操作简单灵活，应用范围广，但焊接接头综合性能较差。电弧焊在日本应用广泛，中国正在开展全自动钢轨窄间隙电弧焊设备的研究开发和应用试验。由于铝热焊在高速铁路钢轨焊接中应用广泛且焊接接头综合性能较弱，因此需要加强对铝热焊焊缝的检测。

对钢轨焊缝进行探伤时，除了会遇到疲劳缺陷，还会遇到如夹杂、气孔、光斑等其他缺陷。光斑等缺陷因反射较弱，不易探测，钢轨疲劳段因轨底严重锈蚀等原因造成陈旧性伤损。在气压焊与铝热焊缝边缘，因应力集中易产生轨底横向裂纹。铝热焊缝边缘在轨头下与溢流飞边交界处也易产生缺陷，该类型缺陷可直接造成钢轨折断，发展速度快，是最危险的缺陷。

平面状缺陷一般平行于焊缝或垂直于探测面。平面状缺陷一般要用双探头进行探测，因用横波探头探伤时，反射声波无法直接返回探头。常用探伤方法有单探头法，K形扫查法与串联式扫查法。钢轨焊缝探伤时，一般将焊缝划分为4个区（图1）。1区一般采用45°串联式做穿透式扫查，便于对损伤进行定位定量。铝热焊轨底存在多余焊筋，对探测轨底三角区不利，应仔细观察焊筋轮廓底波，焊筋轮廓波显示在正常波底后，如无显示，排出外界因素无显示，判为有伤。2区一般用K形扫查。3区一般采用单探头扫查。4区可从轨头两侧用K型方式进行扫查。在轨头检测时，除因焊筋轮廓不规则外，大多为轮廓与木材料间存在损伤。

我国钢轨铝热焊焊接技术研究始于20世纪60年代，该焊接工艺具有仪器易操作，焊接速度快等优点，成为我国无缝线路主要的焊接形式之一。铝热焊焊接比其他焊接方法更易形成大型的焊接不连续性。焊筋结构反射回波会对超声检测造成严重干扰，因此对焊筋结构反射回波的识别非常重要。

图1 钢轨焊缝分区

2 探伤原理与常用探伤方法

2.1 探伤原理

探伤是对材料工件组件进行非破坏性检测分析，探伤方法可分为6大类70多种。常用的有超声，射线、渗透、磁粉与涡流等5种探伤方法。超声波检测利用超声波在材料中传播时，遇到界面反射的声讯号，检测被测物内缺陷情况。超声波探伤原理分为脉冲反射，投射与共振法。

（1）脉冲反射检测原理。利用超声波入射到2种不同介质交界面发生反射。可采用同一探头兼作发射接收。

（2）脉冲投射判断缺陷。根据脉冲波或穿透工件的能量变化，脉冲投射将发射、接收探头置于被检测件两侧，保证探头与试件间良好的声耦合。

（3）共振法检测原理。被检测工件厚度为超声波半波长整数倍时会引起共振，用相邻共振差计算工件厚度。

2.2 常用探伤方法

目前钢轨铝热焊焊缝探伤设备主要是数字焊缝通用探伤仪。该设备是一种掌上全数字化仪器，显示屏大，功能全，重量轻，实用于工务系统的钢轨焊缝与轨道车车轴探伤。主要用作接头焊缝年检与复查，可判断焊缝损伤情况，可对已发生损伤精细定位定量探伤。

体积状缺陷采用单探头法，平面状缺陷采用单、双与和阵列探头法。用K形与串列式扫查时，探头相对或背向等速相对移动，借助专门的扫查装置，停顿下进行探测。缺点是不能进行连续扫查，难以对热影响区进行扫查。连续探伤法可对焊缝连续扫查，其工作原理是组成20个不同的探伤状态，探头不动时，扫查到20个分立点，探头移动时，两斜线随之移动，完成对焊缝的全部扫查。轨底与轨头两侧仍需用手工或其他法进行扫查。

采用钢轨焊缝探伤扫查架探伤的优势：新线开通前利用钢轨焊缝探伤扫查架探伤条件更佳。可利用钢轨焊缝探伤扫查架探伤的地理条件与环境优势，施工作业方式采用夜间电客车停运后封锁区间作业，有利于进行钢轨焊缝探伤扫查架对高铁钢轨探伤。新开线开通前利用钢轨焊缝探伤扫查架探伤，有利于精确检测，利用钢轨焊缝探伤扫查架探伤时能及时准确发现缺陷，保证验收轨道钢轨质量。

3 焊缝全断面探伤

3.1 焊缝轨头探伤

一般用探头在轨顶面进行纵向移动扫查，以得到焊缝轨头全面扫查。由于探头接触面过小，可用偏角纵向移动扫查焊缝轨头。

探测焊缝轨头时，探头距焊缝中心80 mm，焊缝缺陷直径＜超声束宽度，超声束可同时在缺陷与焊筋上反射，荧光屏同时显示缺陷波与焊筋轮廓波。缺陷直径＞超声束宽度，荧光屏只显示缺陷波。将探头放在轨面中心移动扫查，可发现轨头下颚与轨腰连接圆弧处存在的缺陷。焊缝中损伤取向不同，为提高伤损检出率，应校对探头侧与鄂部。

两斜探头分别置于钢轨轨头两侧面，适用于缺陷反射面与探测垂直片状缺陷检测。探伤时两探头同时同速纵向移动。一对探头相对位置不变，可用两探头按一定规律放置的方式进行扫查，完成整个横截面探测。探伤前根据焊缝宽度、探头声束宽度、扫查密度等计算扫查频次与入射点位置。

轨头焊缝内无缺陷，B探头接受不到回波，A探头发射的声波经轨头侧面向前反射，荧光屏无回波显示。轨头内有垂直于纵向的片状缺陷，A探头发射的超声波经缺陷反射被B探头接收，当缺陷处于探头扫查区外，无回波显示。

3.2 焊缝轨腰探伤

（1）直探头置于轨面纵向中部，纵向缓慢移动探头扫查，检测焊缝中反射面与探测面平行的缺陷利用一次波检出轨头至轨底部焊缝中体积型缺陷。

（2）直探头在焊缝探伤中，荧光屏除始波，会显示轨底反射回波。焊缝轨腰中有较大平面状缺陷，只有缺陷波显示。

（3）铝热焊缝边缘缺陷疲劳裂纹位于轨腰表面与溢流飞边交界根部，在断口疲劳纹源处取金相试样检测裂纹处金相组织与焊接质量，分析母材料化学成分及组织。

（4）铝热焊缝中有粗晶等缺陷时，发生散射，使声波无法在轨底产生足够的反射能量。焊缝中存在倾斜片状缺陷，造成轨底波消失。

（5）串列式反射法用于探测焊缝中垂直轨面片状缺陷。两探头放置同一探测面，探伤时两探头保持一定距离同时纵向移动。通过调整两探头间距完成全面扫查。

采集的钢轨反射回波信息波形见图2，波形图上无法看出钢轨缺陷。小波分析具有同时分析信号视域与频域的功能，用小波分析技术变化检测信号，重构故障特征信号，通过希尔伯特解调细化频谱分析，检测钢轨故障信息，判断故障位置。

图2 采集缺陷信号功率谱

3.3 焊缝轨底探伤

将轨底分为轨底两侧与轨腰与轨底连接部，根据轨底角与声束对应关系，将轨底角分为6个探测区，按不同偏角与位置进行纵向移动探头检查。1,3次波探测焊缝下半部，2次波探测焊缝上半部。（图3）。扫查轨底角1～3区，探头入射点距焊缝中心约65 mm，显示焊筋上轮廓波。探头距焊缝中心90 mm左右，显示焊筋下轮廓波。扫查轨底角4～6区，荧光平水平刻度为2.5 mm左右。探头距焊缝中心约95 mm。显示焊筋上轮廓波。当缺陷直径＜超声波束宽时，同时显示焊筋波与缺陷波，两波间隔为1 mm左右，两波间隔小，说明缺陷与对侧焊筋近。缺陷直径＞声波束宽，荧光屏只显示缺陷波。轨底探伤与轨头K形探伤相同，缺陷部位与伤损波形显示和轨头双探头法结果类似。

图3 轨底探伤单探头法操作

4 探伤过程注意事项

（1）扫查速度与力度。探头在探测面移动速度＜10 m/s，扫查速度过快，易造成焊缝内缺陷漏检。应予以探头一致的压力，避免引起探伤灵敏度不稳定。

（2）探伤灵敏度的调节。同钢轨焊缝探伤前，先调节确定探伤灵敏度，探伤扫查应在（4～6）dB，提高损伤检出率。发现缺陷后进行各项测量时，应在规定探伤灵敏度下操作，减少缺陷定量误差。

（3）探伤扫查宽度。铝热焊缝扫查应遍及焊缝全宽度，对距焊缝中心≥200 mm的探测面进行备制,使探测面粗糙度＜12.5 μm。提高探伤的可靠性。

（4）分析探伤仪回波显示。轨头探测要掌握内外侧焊筋波不同显示规律，确定缺陷波与焊筋波，按水平计算值用钢尺定位，防止漏检与误判。

（5）注意声束范围外的区域检查。K形或串列式探伤中，轨头上角、规定上部区域是探伤扫查困难处，应采用其他方法进行弥补探伤。

（6）注意探测面附近区域探伤。探测面附近存在探伤扫查不足区域，可采用单探头或组合探头自发自收方式，完成对探测面附近区域探伤。

焊缝不属于钢轨，是连接钢轨的纽带，易出现损伤，且比普通钢轨探伤更困难。因此在实际焊缝探伤中，应注意操作规范。

5 结语

近年的研究实践证明，观察波形是检查焊缝确定损伤最重要的环节，仔细观察各种损伤出波位置、波形、位移等，总结出各种焊缝损伤波形的规律。铝热焊接中未焊透缺陷反射波形多尖，幅度低、位移短、波峰长；裂纹缺陷回波较长、位移强、夹杂缺陷波形松散。

焊缝探伤中要注意假象回波的鉴别。铝热焊接头有棱角波，有的几乎与损伤在同一位置出波，极易误判，探伤人员应具备一定的焊缝判断知识与经验。假象回波也有一定规律性，如轨下台阶波等，可采用看声程等方法进行鉴别。