钢轨表面细密裂纹涡流检测评判方法

钢轨表面细密裂纹涡流检测评判方法
胡乾午\汪想兵2,吴稳3,王邓志\曾晓雁1
(1.华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北武汉430074:2.中国铁路武汉局集团有限公司工务处，湖北武汉4300712;
3.中国铁路武汉局集团有限公司桥工段，湖北武汉430061)
摘要：采用定速扫查涡流检测方法，研究了钢轨试样上不同类型裂纹的涡流检测特性曲线，提出将波高比例因子作为区分单个裂 纹与密集的分类依据:，在此基础上，通过分析波高拟合曲线，得到不同裂纹深度的计算公式。

该方法弥补了常规涡流检测技术的不 足，为钢轨的养护打磨提供参考依据：关键词：涡流探伤;裂纹;激光淬火;钢轨中图分类号：112丨3.42 文献标识码：B DOI ： 10.16621/j .cnki.issn 1001 -0599.2021.05D . 18
引言
疲劳和磨损是钢轨的主要失效形式,重载情况下钢轨表面 的疲劳裂纹较多，磨损f l 也较大。

钢轨表面的细小裂纹可以通 过磨耗去掉，不影响正常使用。

按照现行铁路养护规定,对于深 度大于3 mm 的裂纹,必须进行打磨处理;对于磨耗超限又有深 裂纹的钢轨进行下道报废处理。

激光淬火是提高钢轨耐磨性的有效方法，国内外学者进行 了深入研究1
日前比较好的方法是通过激光粹火在钢轨表面形
成硬化点阵，这样可以在保证钢轨韧性的基础上提高其耐磨性。

激光处理的硬化层深度通常为0.8~1 mm 。

实际应用中，硬化斑内 会出现细小的疲劳裂纹。

由于技术原因，0前难以根据涡流检测 信号，区分钢轨表面存在的细密裂纹与单个裂纹。

常规的涡流检 测法或测厚法对密集小裂纹的检测误差较大，容易将深度较浅的 密集裂纹判定为深度大或超标的裂纹,其可靠性低。

木研究的0的是通过定速涡流探伤法，揭示单个裂纹与簇 状裂纹的波高曲线特征；通过分析不同裂纹检测波高的变化规 律，实现钢轨表面细小裂纹和簇状裂纹深度的定量检测，为钢 轨的养护打磨和安全运行提供参考依据。

1
波高特征曲线研究
使用CTS -608型数字化涡流检测仪，配备BSD 04D 型笔试 探头。

采用优选的检测参数.其中激励频率为500 kHz .增益为 19 dB ,扫查速度为I m /min ,扫查时探头垂直于裂纹（夹角 90°)。

间距大于4 mm 的裂纹，其涡流检测信号的等效电压幅值
不受相邻裂纹的影响。

黄凤英w 的研究也证实了这种现象，这种 裂纹定义为单个裂纹。

族状裂纹定义为间距小于4 mm 的裂纹, 此时,相邻裂纹对涡流检测信号的等效电压幅值的影响较大。

根据裂纹的类型不同，将裂纹分为3类，即A 型单个裂纹，
B 型等深度簇状裂纹,
C 型不同深度族状裂纹。

采用U 71Mn 钢轨
材料制作不同裂纹试块，试块尺寸为400 mmx 70 mmx 20 mm , 单个裂纹的缝隙宽度为0.2 mm 。

A 型试块上，裂纹深度分別为
1 mm ,
2 mm ,
3 mm ,
4 mm 和
5 mm ,裂纹间距为 50 mm,A 型
单裂纹用表示，其中为裂纹深度。

例如,表示深度为
5 mm 的单个裂纹。

B 型试块模拟1 mnl 深的簇状裂纹,钢轨上
淬火硬化层的深度小于1 mm ,裂纹间距1 mm 。

B 型簇状裂纹用
B…xi 表7K ,其中，n 为裂纹个数，例如,B3x i ……表7K 3个1 mm 深的
簇状裂纹。

C 型试块模拟B 型密集裂纹的扩展情况，以3个裂纹 为基数，两个1 mm 深的裂纹中间有一个扩展的裂纹。

C 型族状 裂纹用表示，中间裂纹的深度用Z 表示。

例如,C&l _表示两个丨mm 深裂纹的中间有一个5 mm 深的裂纹。

为了方便计
算半波宽度，采用峰值拟合法得到不同类型裂纹的检测波高与 时基线的曲线，如图1所示。

时基线/m .s
图1不同裂纹探伤信号曲线
(1 )A 型单裂纹波高信号特征。

根据波高拟合曲线得到的A 型单裂纹波高函数见式（丨）,拟合方差参数fl 2为0.999。

__£_
-4(z )=164.7-165e ''，6
(1)
式中<4(z )----检测波高
Z —裂纹深度
随着裂纹深度的增加，A 型单裂纹波高的增幅迅速降低。

考 虑探伤操作时的误差，以波高导数低于5为上限,A 型单裂纹探 伤灵敏度上限为4.8 mm 深的单个裂纹。

B 型裂纹为等深度的密 集裂纹，是C 型密集裂纹的特例。

(2 )C 型簇状裂纹波高信号特征。

C 型密集裂纹检测波高和
34
设备篇理5组K 2021 N o 5(下）錐护与修
理
裂纹深度/m m
图2 C 型波高和波高导数的函数曲线/l (z )=259.1-127.6e ^10u 〇-
(
2)
(3)
/l (z )=60.8e
式中/t (Z)—
检测波高
z —裂纹深度
A {z )---波高导数
由图2可知，随着裂纹深度的增加,C 型密集裂纹波高的增 幅迅速降低。

以波幅导数低于5为上限,C 型密集裂纹探伤灵敏 度上限为簇状裂纹中有5.3 mm 深的裂纹。

2
裂纹类别区分及计算公式
定速探伤时，定义波高比例因子7；为波高与半波宽的比值。

本 文中的波高是指单向扫查时横坐标以上的波高绝对值，剔除了来 回扫查时横坐标以下的参数。

密集裂纹与单个裂纹之间的差异表 现:一酬深的A 3型裂纹的波高(141)低于两个1 mm 深的B 2型密集裂纹的波高(147)。

另外，随着裂纹深度的增 加,A 型单裂纹的半波宽度值从159.7 ms 逐渐增加到207.4 ms。

B 型密集裂纹从3个1 mm 深的B 3裂纹开始，随着裂纹个数的增 加，检测波高曲线的半波宽度值从221.2 ms 增加到378.7 ms ,日月 显大于A 型单裂纹的半波宽度值。

波高比例因子n 的变化相反，从
B 3型密集裂纹开始，随裂纹数量的增加,17值从0.84降低到0.61。

C 型密集裂纹从C 2型开始，波高比例因子值7；均大于0.97。

2.1不同类型裂纹的区分方法
(1 )A 型和B 型密集裂纹通过裂纹间距区分，裂纹间距>4 mm 为A 型单裂纹。

(2)A 型单裂纹波高A 3& 141时，裂纹深度為3 mm 。

(J )7j &0.9为扩展的C 型密集裂纹,77<0.9为未扩展的B 型 密集裂纹。

C 1型密集裂纹就是B 3型密集裂纹,r ?值为0.84。

(4)C 型簇状裂纹C 3会228时，裂纹深度為3 mm 。

2.2不同类型裂纹的计算公式
A 型单裂纹深度的计算公式为式(4),C 型密集裂纹深度的
计算公式为式(5)。

165
：1.56xln
\64.1-A (z )
(4)
波高导数的曲线如图2所示，波髙函数见式(2)，/?2为0.996。

波 高导数的计算公式见式(3)。

=2.1xln
127.6
(5)
259.\-A (z )
式中.4(z )---检测波高
z —
裂纹深度
3
细密裂纹检测分析与探讨
3.1钢轨表面鱼鳞纹检测
钢轨鱼鱗纹，涡流检测波高为120,裂纹间距约5 mm ,为A
型单裂纹，根据式(4)计算出该裂纹深度为2.04 mm 。

钢轨表面 族状裂纹，涡流检测波高为184,裂纹间距约2 mm ,波高比例因 子ij <0.9,为B 3或C 1型密集裂纹，根据式(5)计算出该裂纹的 深度为1.11 mmc 3.2钢轨淬火斑裂纹检测
如表1所示,所检测裂纹的深度均未超过3 mm ,为不影响
钢轨使用的安全裂纹。

表1
裂纹检测结果
裂纹类型
波高间距/m m
波高比例因子77
深度/m m A 21205- 2.04C 1/B 31842<0.9 1.11A 19>5-0.09A 136>5-0.39C 1/B 31871<0.9 1.20C 1/B 3
190
2
<0.9
1.29
4
结论
通过分析不同类型裂纹涡流检测波高曲线的变化规律，结
果表明，一个3 mm 深的A 型单裂纹的波髙（141)显著低于两 个1 mm 深B 型密集裂纹的波高（147),纠正了常规检测方法 中的认识误区。

在分析研究的基础上，建立了裂纹种类的识别和 分类方法。

根据拟合函数曲线,得到了 A 型单裂纹和C 型密集 裂纹波高的计算公式,前者可以方便地计算单个裂纹深度，后者 可以计算簇状裂纹的深度。

对激光强化钢轨的裂纹进行涡流检 测，结果表明淬火斑中裂纹的最大深度为1.29 mm ,金相切片分 析结果证实裂纹最大深度为1.20 mm 。

本研究提供的涡流检测方法和计算公式，解决了钢轨表面 细小簇状裂纹的定量检测难题，对于提高钢轨表面裂纹的检测 水平具有重要意义。

基金项目：国家重点研发计划项B (2016YFB 1102600);中 国铁路总公司科技研究开发计划课题(K 2018G 054)。

参考文献
[1 ] O .Yazici ,S .Yilmaz.Investigation of effect of various processing tempe -
ratures on abrasive wear behaviour of high power diode laser treated R 260 grade rail steels [j].Tribology Intemational ,2018( 119)：222-229. [2_ YJZheng ,Q .Hu ,C .Li,et al.A novel laser surface compositing by selec ­
tive laser quenching to enhance railway service lifel j].Tribology Int ­ernational ,2017(106)：46-54.
[3]黄凤英.钢轨表面裂纹涡流检测定量评估方法[J ].中国铁道科学,
2017,38(2)：28-33.
〔编辑凌瑞〕
雄护与修理
设备篇理与SIR 2021 N o 5(下）
35。