超声波探伤技术在钢轨探伤领域的应用及其局限性

超声波探伤技术在钢轨探伤领域的应用
及其局限性
摘要：超声波技术是无损检测技术的关键手段之一，广泛应用于高速列车钢轨焊缝的检测。

钢轨铝热焊超声波探伤采用超声波原理。

探头将声频发送到钢轨内部，当声波遇到钢轨内部组织或缺陷时，接收来自声波反射面的回波，通过对雷达回波的分析，得到了被检钢轨焊缝的损坏情况。

关键词：超声技术；钢轨探伤；应用
前言：频率>20kHz的机械波是超声波。

超声波具有专一性、集中性、瞬时速度高等特点。

在不同的媒质界面中，超声波的大部分动能会被表面反射。

超声波具有很强的穿透特性，基本上可以在所有物体中传播。

钢轨焊接质量的好坏直接关系到铁路货运的安全、焊接方法不当造成的焊接缺陷等，需要及时采用无损检测技术进行检验，超声波检测是一种合理的检验方法。

近年来，超声相控阵无损检测技术在工业生产领域得到了很好的应用。

可用于钢轨焊缝检测，提高检测效率。

超声波相控阵光束聚焦具有强大的动能，在基本的超声波检测中可以防止泄漏，使用超声波探伤仪进行钢轨铝热焊探伤时，钢轨中的缺陷会相互影响，产生传输波，进而检测出缺陷，一般采用纵斜波探头进行无损检测，传输的数据信号更容易被探头接受。

一、探伤的原理及常用探伤方法
1.1探伤的基本原理
(1)单脉冲反射器检测基本原理。

超声波发射到两种不同材料的边界条件，产生反射面，同一探头可用作发送和接收。

(2)单脉冲投影判断的缺点。

根据单脉冲波或通过工件产生的动能转换，单
脉冲投影将发送和接收放置在被检零件两侧的探头，以确保探头与样品之间的良
好声耦合。

(3)共振法的基本原理。

当被测工件的厚度为超声波半波长的非负整数时，
会引起共振，使用相邻共振差来测量工件的厚度。

1.2常用探伤方法
现阶段钢轨铝热焊探伤设备主要是数据焊接通用探伤仪。

该设备是一款全智
能设备，显示屏大，功能齐全，重量轻。

适用于公共工程系统的钢轨焊接和轨道
列车传动轴的探伤。

关键是对接头焊缝进行年检和再诊断，可以区分焊接损伤状态，对已经发生的损伤进行探伤，可以准确定位和定量分析。

单探头方法用于体积状缺陷，而单、双与和阵列探头用于平面形状缺陷。

使
用K形和串联扫描时，探头以恒定速度相对或向后移动，依靠专业扫描设备进行
间歇性检查。

缺点是不能进行连续扫描，不能对热影响区域进行扫描。

连续探伤
法可对焊缝进行连续扫描。

其原理是形成20种不同的探伤条件。

当探头不移动时，会扫描20个离散点。

当探头移动时，两条斜线也随之移动，钢轨顶部和钢
轨头两侧仍需用手或其他方式扫描。

使用钢轨焊接探伤扫描架进行探伤的优点：新线开通前，钢轨焊接探伤扫描
架进行探伤效果更好。

可以利用钢轨焊接探伤检测扫描架的地理标准和环境优势。

晚间电动客车停运后封闭段的工作采用工程施工工法，有利于高铁列车钢轨焊接
探伤检测扫描架的研制。

新开通线路开通前，采用钢轨焊缝探伤扫描架进行探伤，有利于准确检测。

使用钢轨焊接探伤扫描架进行探伤时，要及时准确地检测出缺陷，以保证工程验收的轨道和钢轨质量。

二、超声波探伤技术应用
2.1焊接全截面探伤
2.1.1焊轨头探伤
一般采用探头对轨头顶部进行垂直扫描，以获得对焊轨头的全方位扫描。

由
于探头的表面太小，可以使用倾斜角度垂直移动焊轨头。

检查焊轨头时，探头距离焊接中心80mm，焊接缺陷直径小于超声波束总宽度。

超声波束可同时反射在缺陷和焊筋上，显示屏同时显示缺陷波和焊筋轮廓波。

缺
陷直径>超声波束总宽度，只显示缺陷波。

将探头放在轨面中心移动扫描，可以
发现轨头下颚和轨腰圆弧处的缺陷，焊接过程中的损坏往往是不同的。

为提高损
伤诊断率，应反复调整探头位置及探头角度，实现全断面探测。

两个斜探头分别放置在轨头两侧，适用于有缺陷的垂直面的目视检查和垂直
块的检测。

在探伤过程中，两台探头同时以相同的速度垂直移动。

一对探头的相
对位置不会发生变化，两个探头可以按照一定的规律放置进行扫描，进行所有的
断面检查。

探伤前，根据焊缝总宽度、探头声束总宽度、扫描相对密度计算扫描
次数和入射点位置。

轨头焊接无缺陷，B探头不能接受雷达回波，A探头发出的声波频率通过轨
头侧面到达前反射面，显示器无雷达回波。

轨头有块状缺陷，平分垂直方向。

A
探头发出的超声波通过缺陷反射面被B探头接受。

当缺陷位于探头扫描范围之外时，没有雷达回波指示。

2.2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)当直线探头在进行焊接探伤时，显示屏会显示除初始波外的钢轨顶部反
射面的雷达回波。

焊轨腰部有较大的平面状缺陷，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毛刺交界处的根部。

在断裂面疲劳纹源处取金相分析试样，检查裂纹处的合金成分和电焊质量，母材
的组成和组织。

(4)当铝热焊焊缝中存在粗晶等缺陷时，发生传播，使声波频率不能使钢轨
顶部反射面产生足够的动能，焊接中存在斜块缺陷，导致钢轨顶波衰减。

(5)采用串联反射面法检测焊接过程中垂直轨道面的块状缺陷。

两台探头置
于同一检测面上，探伤时两台探头在保持一定距离的同时垂直移动。

根据两个探
头间隔的调整，进行全扫描。

在钢轨反射面上采集的雷达回波信息波形，波形上看不到钢轨的缺陷。

时频
分析具有同时分析数据信号视角和时域的功能，利用时频分析技术变革检测数据
信号，重构具有共同故障特征的数据信号，基于希尔伯特变换调制优化频谱分析
和解调，检查常见的铁轨故障信息内容，区分常见的故障位置。

2.3焊缝轨底探伤
将轨道顶部分为轨道顶部和轨道腰部和轨道顶部接头的两侧。

根据钢轨底角
与声束的对应关系，将钢轨底角划分为6个检测区域，根据不同的倾斜角度和位
置进行垂直移动摄像机检测。

1、第三波检测焊接的下半部分，第二波检测焊接
的上半部分。

扫描钢轨底角1~3区，摄像机入射点距焊接中心约65mm，说明焊接
筋在等高波上，探头距焊接管理中心上下90mm，表示焊接筋在等高波下方，扫描
轨道底角4~6区，荧光调平尺上下2.5mm。

摄像机距离焊接中心约95毫米。

显示
焊接筋在轮廓波上。

当缺陷直径小于超声波束宽度时，焊筋波和缺陷波同时显示。

两波间距为1mm，两波间距小，说明缺陷靠近另一侧的焊筋。

缺陷直径>声束宽度，显示仅显示缺陷波，轨顶探伤与轨头K形探伤相同。

缺陷位置和损坏波形显示与
轨头双探头方法的结果相似。

三、超声波探伤的技术局限性
(1)扫描速度范围，探头在检测面上的移动速度小于10m/s，扫描速度过快，
容易造成焊接缺陷漏检。

应给予探头相同的压力，以防止检测灵敏度不稳定。

(2)探伤灵敏度的调整，同一钢轨焊接探伤前，先调整探伤灵敏度，探伤扫
描量应为（4~6）dB，以提高损伤诊断率。

发现缺陷后进行各类精确测量时，应
在检测灵敏度要求下进行实际操作，以减少缺陷定量分析的偏差。

(3)探伤和扫描的总宽度，铝热焊缝的扫描应覆盖焊缝的总宽度，并在焊接中心准备≥200mm的检测面，使检测面的表面粗糙度小于12.5μm，提高探伤的稳定性。

(4)分析探伤仪的雷达回波指示，轨头检查要掌握两侧焊接波的差异来指示规律，明确缺陷波和焊接波，根据水平测量值准确定位钢带，避免漏检和误判。

(5)注意声束范围外的区域检查，在K形或串联探伤中，钢轨头顶角及所需的上端区域难于探伤和扫描，应采用其他方法进行填充探伤。

焊缝不属于钢轨, 是连接钢轨的纽带,它容易损坏并且比普通导轨更难以检测，因此，在具体的焊接检查中，应注意操作规范。

结束语：近年来研究实践证明，观察波形是焊缝检验中判断损伤的最重要阶段。

仔细观察各种损伤波的位置、波型、偏移等，总结各种焊接损伤波类型的规律性。

铝热焊时，反射面波型尖锐，强度低，偏移短，波峰焊长；裂纹缺陷雷达回波长，偏移强，混合缺陷波形松散。

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。

参考文献
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