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钢轨接触焊焊缝超声波自动化探伤技术研究

发表时间：2020/1/7 来源：《科技新时代》2019年11期作者：李晓东

[导读] 本文详细介绍了一种钢轨接触焊焊缝超声波自动化探伤技术，在介绍探伤系统的构成以及技术特征之后，研究了该技术关键技术路径，论证了该技术在钢轨接触焊焊缝探伤中具有显著技术优势。

李晓东中国铁路呼和浩特局集团有限公司焊轨段内蒙古自治区呼和浩特市呼市邮编010000
        摘要：本文详细介绍了一种钢轨接触焊焊缝超声波自动化探伤技术，在介绍探伤系统的构成以及技术特征之后，研究了该技术关键技术路径，论证了该技术在钢轨接触焊焊缝探伤中具有显著技术优势。
        关键词：钢轨接触焊焊缝；超声波自动化探伤；低频应力

        前言：目前在我国的铁路项目建设期间，无缝线路的长钢轨主要采用闪光焊接的方法，多数研究发现，受焊接规范、钢轨化学特征等因素影响，钢轨焊接期间不可避免的出现焊接缺陷，这个缺陷在各种应力的作用下逐渐扩大，可能成为造成断裂等严重事件发生的重要因素，所以值得关注。
        1.自动化探伤系统分析
        1.1自动化探伤系统的构成与功能
        钢轨焊缝的超声波自动化探伤系统主要分为硬件与软件两个部分，其中硬件设备主要包括专用组合探头、计算机接口、高速采集器、多通道超声波探伤仪等；而软件部分，则是围绕系统的功能模块所提出的各种功能软件，包括超声波识别软件、数据库、数据编辑软件等。
        在自动化探伤系统应用期间，常见的内部缺陷主要集中为：（1）灰斑。灰斑是在焊缝内形成的一种特殊夹杂物，造成这一问题的主要原因是焊接时间短、次级电压高，在连续的闪光作用以及顶端力减小等原因所造成的，受灰斑影响，钢轨焊缝的韧性与疲劳强度显著下降，因此容易出现断裂等问题[1]。（2）光斑。光斑属于未焊透性缺陷，造成这一缺陷的主要原因是加热温度不均匀或者顶断力不足等，造成接触面出现了化学性或者物理的不连续，最终出现了此类缺陷。（3）过烧。过烧的主要原因就是局部加热温度过高，尤其是钢轨在加热到某一温度时，会造成MnS等物质在奥氏体沉淀，并且随着温度进一步升高，会导致晶界间出现液态金属，冷却后与铁等物质形成了夹杂物，最终演变为体积形态缺陷。
        针对上述故障，都可以直接通过超声自动化探伤系统做有效识别，保证了数据的处理效果。
        1.2自动化探伤系统的技术原理
        焊缝结构是钢轨常见的易损部位，热焊接是一种常见的焊接方法，在正常的焊接施工阶段，应力波会在钢轨的介质中传播，但是在这个应力传播阶段，正常的接缝与故障接缝之间的连接效果存在差异，超声波自动化探伤系统能够以超声波为介质，根据超声反馈的结果来识别钢轨接触焊缝情况，此时存在质量故障与无质量故障的焊缝数据存在差异。
        2.钢轨接触焊焊缝超声波自动化探伤关键技术
        2.1探头设计
        从前文介绍技术原理来看，该技术的关键就是要通过超声技术对钢轨的接触缝进行探查，这就决定了探头是整个技术的关键点[2]。在本次研究中采用了k式的探头工艺，通过接收的缺陷反射能量变化完成探伤，在探伤的数据识别阶段，缺陷镜反射能力的大小受探头k值影响，所以在探头设计期间需要通过k值来讲探头的缺陷镜反射能力控制在理想水平下，这样才能最大程度上保证数据检测质量。
        在探头设计期间，考虑到钢轨的几何尺寸总是要大于轨底宽度，所以探头的设计上需要认识到轨头探头、轨底探头在自动化检测中存在的技术特征——具有相同的声程，所以探头设计的k值应该考虑轨底等因素影响，合理选择，这样才能确保探头可以对整个区域进行探查。同时在探头的设计上还应该考虑凸出量边缘与缺陷反射之间的差异，数据的处理过程应根据兼顾分辨率要求，正常情况下k值的设计应大于等于1.5，这样才能基本满足整个钢轨接缝自动探伤的技术要求。
        2.2超声波低频应力的检测
        钢轨在实际上属于一种不规则的几何体，再加之钢轨接触焊焊缝本身的结构要求明显区别于正常的钢轨，这将会导致部分模态的超声波在钢轨内部传播过程中出现频散等问题，这一情况会直接影响最终的数据处理结果，甚至系统无法分辨出其中的损伤。所以在超声波自动化探伤技术中，应该了解钢轨中超声波的频散关系，这也是整个数据处理阶段必须要处理的问题。
        而根据钢轨接触焊焊缝的频散曲线可以发现，在特定的频率内，超声波会从纵向延伸并表现出理想的延伸效果，此时为了实现更有效的数据处理，应该确保探头与钢轨表面之间具有良好的声耦合特性，并能够保持着平稳的超声波低频应力检测，这样才能满足大部分情况下的超声识别要求。因此在本次设计中，不仅对探头施加很定的压力，还在超声数据识别阶段采用了水膜耦合的设计方法，希望通过这种耦合模式来最大程度上保证超声波的检测结果。
        在检测阶段，关注声耦合的状态监控，通过设置多个k值探头形成的一体化探头来实现对钢轨各项超声波数据检测。
        2.3调整基线
        在超声波自动化检测阶段，为了可以更好的适应数据处理结果，一般在轨底与轨头的探头k值之后，使用探伤法需要对整个焊接面进行探查，保证两组探头的入射点能够均匀分布在距离焊缝约1/2位置的轨底平面上，而这个平面就是本文所提出的“基准面”。而在设计期间不仅要达到该条件，要严格控制探头入射点与前沿之间的距离，也能适应机械装置的运行要求，所以在实施阶段需要通过两组0°的探头来直接检测超声波的数据，这样才能保证数据处理效果。
        2.4损伤指标的构建
        当钢轨接缝位置出现损伤的情况下，损伤点周围的超声波峰值会出现明显的数据变化，而为了能够量化这种变化情况，本文提出了一种损伤指标，通过该指标能够测量不同情况下损伤情况，其中的关系式为：

        在上述关系式中，DI代表了损伤指标值；代表待测工况监测点的峰值；代表正常工况下监测点的峰值。
        在数据处理阶段，可以通过损伤的量化指标来细化损伤的焊缝缺陷，该数据大小能够直接反映出钢轨的损伤，针对钢轨接触焊焊缝设置损伤后计算损伤指标，并通过数据监测来对损伤进行评估。正常情况下，无论是钢轨接触焊焊缝的内部损伤或者表面损伤情况，通过损伤指标与损伤单元指标之间存在密切关系，所以可以根据无质量缺陷的接触焊焊缝为标准阈值，再通过传感器曲线做出判断。
        3.检测数据灵敏度的调整
        在超声波自动化探伤技术中，通过超声波探伤技术来识别钢轨接触焊焊缝损伤，这也决定了超声波探伤灵敏度的标定结果与其他探伤灵敏度之间存在不同，而这种灵敏度的调整应该根据工件的焊缝质量而定。在原则上应该保证存在焊缝断裂缺陷的部件不会被铺设到线路上；同时，断裂现象与缺陷的部位、性质以及大小存在关系，也受钢轨通过的总运量、使用情况等存在关系。所以在灵敏度调整阶段，可以参照我国现有的钢轨焊缝内部质量标准来确定，包括总面积内钢轨光斑、灰斑数量等超过这一标准的可认为不合格。
        结束语：本文详细介绍了钢轨接触焊焊缝超声波自动化探伤技术，从本文的研究结果可知，在超声波自动化探伤技术研究阶段，应该重点关注监测探头、构建损伤指标等内容，充分发挥超声技术的优势，这样才能全面提高钢轨接触焊焊缝性能，降低质量问题发生率。
        参考文献：
        [1]靳芮嫚.浅谈无缝线路钢轨探伤周期[J].中小企业管理与科技(上旬刊)，2019(03):158-159.
        [2]周翔，宋伟.钢轨焊缝超声波探伤系统设计与实现[J].四川冶金，2019，41(01):39-43.