钢轨探伤车对钢轨焊缝缺陷的检测能力

钢轨探伤车对钢轨焊缝缺陷的检测能力

奚雨川

中国铁路北京局集团有限公司承德工务段   河北承德  067100

摘要：本文针对钢轨探伤车在焊接过程中的缺陷，采用人工仿真方法，在不同速度下对其进行检测。

关键词：超声波；钢轨探伤车；焊缝；轮式探头

焊接时，焊接设备、材料、温度、操作技术等都会使焊接接头出现裂纹。本文对2011—2016年度大秦线重载铁路的钢轨缺失进行了分析，结果显示，大庆重型车辆重载线的钢轨质量以焊补为主，占全部质量的72%。焊接接头的超声波检查是保证线路运行的关键。

采用超声波探针对钢轨进行高速、高速度的检测，检测效率高。钢轨探伤车一般是用来检测轨道基材的，但由于焊接接头的反射性和材料晶粒过大等原因，会降低检测结果的精确度。

通过对轨道探伤机和焊缝整体检查技术的比较，分析了其焊接缺陷的原因；针对轨道探伤车定线不存在焊接问题，对焊接接头的手工仿真进行了改进，采用了轨道探伤车进行了校准，并对其进行了检测，并对检测结果进行了统计和分析；通过对通过线检测和检测结果的追踪，对检测到的钢轨上的焊接缺陷进行了详细的分析，并对其特征进行了详细的分析。

1、钢轨焊缝的检测方法

1.1钢轨焊缝的分类 　

　国内目前的铁路轨道焊有三大类：接触焊，也叫闪光焊，气压焊，铝热焊。接触焊和气压焊是一种焊接工艺，它是通过对轨道基体材料进行熔融和再结晶而成，其极限强度、屈服强度和疲劳强度可超过90%。铝热焊是一种焊接工艺，它是用铝粉、铝粉和一定的合金粒子在铝热作用下产生的，铝热焊接头的焊接极限强度为母料的70%左右，其疲劳性能为母料的45%~70%，其屈服性能和焊接接头相当。铝合金热焊焊缝是一种具有铸态结构的焊缝，如果焊缝中出现了大量的缺损，那么焊缝的性能将会受到很大的影响。

1.2焊接接头的整体检查技术　

焊缝整体检测可以划分为三大类：焊缝轨头检测、焊缝轨腰检测、焊缝轨底检测。对焊条进行测量时，可将其划分为单一探头和多个 K形扫描。采用单点探测方法，采用 K2.5 (68.2度的轨道内部折光度）的单探针进行检测，可以发现轨道的块状缺陷和板状的缺陷。K型扫描方法利用两个或更多的探测器（通常是K1探测器，具有45度的钢轨内部折射角度）对称式布，并将其置于轨道头部的侧面，并将其一侧的发射端容纳。在探测过程中，两个探测器按照预定的扫描数量和扫描的入射点进行探测，从而可以对平行于探测表面的薄片形体进行探测。采用单点探测或双K1探针“V”型钻孔探测焊接轨腰处的体部裂纹；对于薄板的瑕疵，可以采用两个探测器串联检测。采用直线探测法（轨道的弯曲角度0度），将探针放置在轨道轨道的中央，并在距离焊接点中央50 mm处，采用直线探针的反射探测技术，发现了与轨道垂直方向相垂直的缺陷；采用直接探针的穿透探测技术对焊接过程中的粗晶和缩松进行了探测。采用两根探测器在轨腰线上纵向布置两个探测器，在轨道顶部平面中央放置两根探测器，一次发射一次，一次回缩，通过轨道底部的超声探测轨道腰部的故障。在探测中，一般采用扫描架设备，以确保两个探测器之间的间隔和垂直运动。轨底焊缝质量检验的关键技术是：轨道基部 K2.5单探头的检查技术和轨底角多探针 K形扫描技术。轨道底部角度 K2.5单点探测技术采用 K2.5探测器在某一角度和入射点的情况下，分6次进行轨道底部角度的探测，探测时采用纵向方向的探测，采用二次波对焊接上部进行探测，利用一次、三次波对焊接下部进行探测。轨道底角处多个 K形扫描技术，利用多个复合探测器安装于轨道的底板，6个六进或12个12个复合探测器，可以探测轨道的基部分端表面。

1.3钢轨探伤车的检测工艺 　

　钢轨探伤车由车轮型探测器组成，内设多个夹角定位的超声传感器，外层覆盖软质薄膜，沿轨道进行持续的滚动测试。在对轨道进行无损检测时，对其进行了特殊的检查。轨道探伤机的检验技术说明：一条轨道上，有3个0度的探针，2个37.5度的探针，6个70度的探针，2个70度的探针（轨道的内部倾斜15度）。

1.4轨道车体焊接缺陷的检验

轨道检具的有效探测区域主要是轨头、轨腰和投影区，不能对轨底进行探测。在对钢轨探伤过程中，存在着以下几个问题：①车轮探测器在轨道轨道上的超声入射点仅限于轨道轨道，其超音覆盖面积和探测死角较大；②焊缝宽度、轨下焊筋、轨底焊筋、焊渣、焊接条件不良等影响，焊缝波形容易受到干扰，探伤机 B扫描中出现较大的焊筋，损伤曲线与焊筋图案相互叠加，难以分辨；③因为铝合金焊接的焊接部位为浇铸结构，且晶粒较大，所以超声容易产生辐射，导致焊接的敏感性下降，导致 B型图像中存在0°下波消失和70°杂散杂波；④在快速扫描时，探伤机的超声波扫描距离为5.6毫米，30 mm的焊缝只能扫描5~8次，焊缝 B型图像不清晰，不易分辨。此外，由于在快速的探测过程中，无法从目测及时观测到钢筋的宽度， B型图像也很难区分出焊缝的形状和钢筋的形状。

2、试验过程

2.1人工模拟焊缝缺陷标定试验 　

　轨道检测车标定线是10条25米的连续铁轨连续铺制而成，每个钢轨上都有不同的人为缺陷。采用手工仿真方法对一条焊接轨迹进行仿真，以探讨其在焊接过程中的性能。钢轨长度25米，采用铝合金热焊三节钢轨，并加工3个人为的仿真故障。用钢轨检测仪对焊接缺陷进行了手工检验和校准，分别用40、50、60、70、75公里每小时6次标定，并对每个故障进行了检验。

2.2管线进行焊接缺陷的探测

　对一条轨道线进行定期检查的轨道探伤车辆进行了检验，对其进行了检验，并对其特征进行了分析。

3、试验结果

3.1焊接过程中的手工仿真缺陷检测与分析

在可以覆盖焊接的有效探测范围中，3个仿真焊接点的检出率达到97.2%。在检测速度为40 km/h至75 km/h时，轨道探伤车辆对焊缝轨头和轨腰处5 mm的横穿孔当量的人工缺陷检测率可达100%。焊缝轨头、轨腰等部位的超音波 B显像与轨道基体的相似。在低于60 km/h的情况下，在焊接轨道上3 mm的横向通道等效的体积缺陷中，发现的概率为100%，随着车速的增加和加，产生了漏检。导致其漏检的主要因素是：①汽车使用的是变距型的开火方式，扫描间隔随着车辆速度的提高而增大，导致在快速探测过程中，缺陷对声波的反射频率减小；②与轨道头和轨道腰的人为缺陷度比较，在焊缝轨口部，人为仿真的缺陷具有较少的体积和较少的反射等效区域；③轨下颌焊接钢筋图形与缺陷图形重叠、重叠，从而对判定产生不利的作用。

3.2现有管线焊接质量问题的探讨

3.2.1接触焊和气压焊焊接接头的焊接裂纹在现有的导线上发现了焊接头的焊接接头B超显示。气动焊接焊缝中的钢轨腰部存在薄板剥离时的裂纹。接触焊和气压焊属于锻造焊，焊接材料来源于母材，具有更好的组织结构和更细的焊接筋条。接触焊和气压焊轨头处的疲劳裂纹图像与钢轨母材料的裂纹特征相似。

3.2.2在现有的路线上发现了铝热焊焊缝焊缝的焊缝缺陷，铁轨检测仪对焊缝进行了检测。铝热焊材料的晶粒较大，会产生超声的散射，在 B型铝热焊焊缝 B型图像上，可以清楚地观察到70度槽口的散射型。如果有连续的向轨腰延伸的 B型图像出现在杂散型图中，则可判定为铝合金热焊焊接接头。

结论

本文主要阐述了轨道焊缝的种类，并对其焊接检查的方式进行了详细的分析，并将其与焊缝完整检查技术进行了比较，并对其焊接缺陷进行了探讨。对焊接缺陷进行了手工仿真，采用了钢轨探伤车辆进行了校准实验，对焊接缺陷的检测和变形进行了统计和分析。

参考文献

[1] 樊齐曼. 钢轨探伤车对于铝热焊焊缝附近的疲劳类型伤损实际探伤能力的分析[C]// 工务机械装备和应用创新学术研讨会. 中国铁道学会, 2008.

[2] 石永生, 罗国伟, 徐其瑞. 钢轨探伤车对轨头核伤检测能力的分析[J]. 无损检测, 2014(9):5.

[3] 盛华吉. 钢轨轨底斜裂纹及焊缝的导波检测方法研究[D]. 南昌航空大学.

[4] 熊龙辉[1], 石永生[1], 张玉华[1]. 新型大型钢轨探伤车:迈向在役钢轨缺陷综合检测监测的未来[J]. 科技纵览, 2019(1):2.

[5] 杨祖表, 吕宏辉. 钢轨探伤车轨底横向裂纹检测能力分析[J]. 铁道技术监督, 2016, 44(12):4.

[6] 张弛. 重载铁路钢轨探伤车漏检轨头核伤的原因和应对措施[J].  2020.