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

李月伍,郎承志,许靖文

内蒙古集通铁路集团公司锡林浩特综合维修段  内蒙古自治区锡林浩特市026000

摘要：为测试车辆检测钢轨缺陷和焊接缺陷的能力，设计了一种人工模拟焊接缺陷的方法，并检查了不同速度下的钢轨。结果表明，在钢轨缺陷检测覆盖的有效检测区域内，人工模拟焊缝缺陷的平均检出率为97.2%，轨头、轨腰中5mm横通孔当量体积型缺陷检出率100%，轨颚处3mm横通孔当量体积型缺陷检出率91.7%。

关键词：钢轨探伤车；钢轨焊缝；检测

钢轨探伤车采用超声波轮式探头对钢轨进行高速连续检测，检测效率高。钢轨探伤车通常用于检测钢轨母材，但焊缝结构的复杂反射模式和材料晶粒粗大会降低钢轨探伤车检测结果的准确性。为研究钢轨探伤车焊缝检测能力，将钢轨探伤车检测工艺与全断面焊缝检测工艺进行了比较，分析了钢轨探伤车焊缝检测难点；针对钢轨探伤车标定线无焊缝缺陷的情况，重新设计了人工模拟焊缝缺陷钢轨，利用钢轨探伤车进行标定试验，统计分析了焊缝缺陷检出率及变化规律；通过线路检测，跟踪研究了钢轨探伤车检出的实际焊缝缺陷，分析了焊缝缺陷图谱和特点。

一、探伤车优势

1、良好的测试可重复性。缺陷检测工具在正常条件下具有良好的可重复性。在检查周期内，能有效观察损坏程度，并分析线路损坏的基本规律。这为研究铁路现状及其破坏发展规律提供了可靠依据，也为铁路大修提供了相关依据。

2、检测效率高。最大检测速度为80km/h，这是故障检测器无法比拟的(无瑕疵轨轨迹不超过3km/h)。在检查车辆进行故障检测时，计算机系统会自动检测损坏，检测率通常能达到80%以上。故障检测车每天可完成近300公里的有效故障检测，可替代25个故障检测团队中150人的工作。随着铁路损坏的增加和故障检测器的缺失，故障检测车更适合铁路故障检测的需求及发展。

3、对环境影响小。故障检测车可在强风、雨、雪、雾等强天气条件下连续运行，且具备夜间运行能力。同时，在正常参数、对齐方式、系统条件下，识别结果相对较少受到人为因素的影响。故障检测仪在道路上的性能与操作员的专业水平、责任心、精神状态密切相关，且受外部因素(如长期操作员疲劳)影响大。

二、钢轨焊缝的检测方法

1、钢轨焊缝分类。在我国，钢轨焊接主要有三种焊接工艺：接触焊(也称闪光焊)、气压焊、铝热焊。其中，接触焊和气压焊属于锻造焊，焊缝由钢轨母材熔化再结晶形成，其极限、屈服、疲劳强度等可达到母材的90%以上。铝热焊属于铸造焊，焊缝由氧化铁粉、铝粉和一定比例的合金颗粒经铝热反应形成的金属结晶，铝热焊焊缝的极限强度仅为母材的70%左右，其疲劳强度仅为母材的45～70%，屈服强度接近于接触焊焊缝。铝热焊焊缝为铸造组织，易产生铸造缺陷，一旦内部缺陷超标，焊接接头的性能将严重削弱。

2、焊缝全断面检测工艺。焊缝的全断面检测可分为三部分：焊缝轨头检测、焊缝轨腰检测、焊缝轨底检测。

焊缝轨头的检测工艺包括单探头法、多探头K扫查法，其中，单探头法使用K2.5(钢轨内折射角68.2。)单探头检测，能发现轨头体积及片状缺陷。K型扫查法使用两个或多个探头(通常使用K1探头，钢轨内折射角为45。)，对称布置在轨头侧面，一侧发射一侧接收。在检测过程中，两个探头根据预先设计的扫查次数及入射位置完成对轨头横截面的检测，实现和检测面垂直的片状缺陷检测。

焊缝轨腰体积状缺陷应采用单探头法或双K1探头“V”形穿透检测工艺；对于片状缺陷，可使用双探头串列式检测工艺。对于轨腰的单探头检测，在钢轨轨面中心放置直探头(钢轨内折射角为0。)，探头在距焊缝中心两侧50mm范围内沿钢轨纵向缓慢移动，利用直探头反射检测原理，检测焊缝中反射面与轨面平行缺陷；基于直探头穿透检测原理，检测焊缝中粗晶和缩松。焊接轨腰的双探头串列式检测使用纵向布置在轨头顶面中心的两个探头，两个探头一发一收，从轨底反射的超声波用于检测轨腰中缺陷。为确保两个探头保持一定距离并同时纵向移动，检测时通常使用焊缝扫查架装置。

焊缝轨底检测包括轨底角K2.5单探头检测工艺、轨底角侧面多探头K型扫查检测工艺。K2.5单探头检测工艺使用K2.5探头在一定偏角及入射位置分六次完成轨底角的检测，在检测过程中，探头沿钢轨纵向移动，通过使用二次波检测焊缝上半部分，使用一、三次波检测焊缝下半部分。轨底角侧多探头K型扫查检测工艺采用组合探头分别置于轨底两侧，采用六发六收或十二发十二收组合探头检测轨底端面缺陷。

3、钢轨探伤车检测程序。轨道缺陷检测车接受轮式探针，其内部装有多个固定角度超声波换能器，并包裹在可弯曲外膜中，该外膜沿着轨道连续滚动以完成检查。轨道缺陷检测车接受反射检测原理，且不添加单独定义的焊缝检测程序。

4、钢轨探伤车焊缝检测难点。钢轨探伤车的有效检测范围包括轨头、轨腰和投影区，轨底角无法检测。

钢轨探伤车检测焊缝的难点包括：①轮式探头超声波在钢轨上的入射位置局限于钢轨轨面，超声覆盖范围有限，检测盲区大；②受焊缝宽度、轨颚焊筋、轨底焊筋、焊渣和不良耦合条件等因素影响，焊缝波形易受干扰

，探伤车B扫描时出现粗大的焊筋波，伤损、焊筋图形重叠且不易分辨；③由于铝热焊焊缝为铸造组织，材料晶粒粗大，超声波易散射，焊缝缺陷的检测灵敏度降低，因此B显图形中出现0。底波消失及轨头70。杂散杂波；④高速检测时，探伤车超声扫查间距为5.6mm，30mm宽的焊缝只能扫查5～8次，焊缝B显图不清晰，因此很难分辨焊缝结构及缺陷图形。此外，在高速检测过程中，无法通过视觉及时观察焊筋宽度，并且在B显图中不易分辨缺陷、焊筋图形。

三、试验过程

1、人工模拟焊缝损伤的校准试验。用于检测缺陷的车辆标定线是通过安装10条25m长的钢轨来创建，且每个车道上布置了不同类型的人造缺陷。设计了一种新的人工焊接损伤模拟路径，以研究车辆检测钢轨缺陷的焊缝检测能力。导轨长25m，通过三条短导轨经铝热焊接。解决3种类型的人为故障、故障时间表、故障规范、可加工接缝上的探头类型。检查用于检测铁路缺陷的车辆，在人工模拟的焊接损伤线上进行校准，以40、50、60、70、75 km•h-1速度校准6次，并计算每个故障的检测率。

2、检测现有线路上焊接缺陷。当轨道缺陷检测车定期在某些轨道上执行检查任务时，检查员将监视轨道缺陷检测车辆检测到的焊接缺陷，并分析轨道上现有焊接缺陷特征。

四、试验结果

1、人工模拟焊缝缺陷检出统计分析。钢轨探伤车在不同标定速度下对三处人工焊缝缺陷的检出次数及检出率表明，在钢轨探伤车检测工艺可覆盖焊缝的有效检测区域内，三处人工模拟焊缝缺陷的平均检出率为97.2%。当检测速度为40km·h～75km·h-1时，钢轨探伤车对焊接轨头和轨腰5mm横通孔当量体积型人工缺陷检出率可达100%。焊缝轨头和轨腰体积型缺陷的超声B显图与钢轨母材缺陷类似。当检测速度低于60km·h-1时，焊缝轨颚3mm横通孔当量体积型缺陷检出率为100%。随着车速的增加出现漏检，其原因包括：①探伤车采用变距式发射方式，扫查间距随着车速的增加而增大，导致高速检测时缺陷对波的反射次数减少；②与轨头和轨腹人工缺陷尺寸相比，焊缝轨颚处人工模拟缺陷尺寸小，反射当量面积小；③轨颚焊筋图形和缺陷图形叠加、重合，影响判断。

2、已有线路焊缝缺陷。①接触焊和气压焊焊缝缺陷。接触焊和气压焊属于锻造焊，焊缝材料取自母材，具有更均匀的晶粒和更小的焊筋。接触焊和气压焊轨头疲劳缺陷的反射图形与钢轨母材缺陷图形类似。②铝热焊焊缝缺陷。铝热焊材料晶粒粗大会导致超声波散射，在铝热焊焊缝的B显图中能看到轨头区域70。通道的杂散图形。当杂散图形中有连续且向轨腰延伸的B显图时，可判定为铝热焊焊缝缺陷。

参考文献：

[1]徐志强.钢轨探伤车漏检轨头纵向裂纹分析及解决措施[J].工程技术研究，2020(10):128-130.