摘要：钢轨焊接接头的超声波检测是现场焊接的最终检测方法，而正确分析移动闪光焊和铝热焊两种钢轨焊接方法中各种缺陷的形成机理，准确确定焊接接头的缺陷和损伤，是保证焊接接头质量的关键。与此同时，准确判定损伤，减少返工，是节约成本，获得良好效益的关键途径。据此，本文主要对钢轨现场焊接接头缺陷及探伤技术进行了详细分析。
关键词：钢轨；现场焊接；接头缺陷；探伤技术
一、钢轨现场焊接接头缺陷的形成机理
（一）闪光焊
闪光焊是国内外钢轨焊接的主要方法之一，也是目前铁道部大力推广的一种钢轨焊接方法。在正常情况下与气压焊和铝热焊相比，钢轨的闪光焊接头强度较高，线路上断头率约为0.5/10000。研究钢轨闪光焊接头的缺陷特征、产生机理，有助于排除探伤干扰和及时正确地发现焊接缺陷，而闪光焊接头中存在的缺陷一般有灰斑夹杂、裂纹、未焊合等。
1、灰斑夹杂
在工艺参数调设过程中，以落锤次数和灰斑面积为研究重点，通过落锤试验检查焊接接头的断口，灰斑缺陷一般出现在钢轨底部，轨腰偶见，轨头极少。虽然灰斑在超声波探伤中极难发现，但通过多年的落锤试验和断面分析证明，在工艺参数接近最佳时，灰斑往往是影响接头断裂的主要原因。灰斑的形成机理现在比较统一的看法是，由于钢轨闪光焊对焊接金属高温熔化时，形成的氧化物或硅酸盐夹杂，因未完全从焊缝中挤掉而留在焊缝区域，形成沿熔合线方向分布的不规则块状夹杂物。上述夹杂物分布于焊缝处，沿钢轨横截面方向分布，含有Mn、Si 等元素，属于焊接缺陷性质。
2、裂纹
裂纹一般可能出现在钢轨焊接接头的个别部分，轨底出现的几率要大些。裂纹缺陷的出现原因是多方面的，但主要是设备原因，工艺参数调设好以后，设备由于液压系统失常、焊接次级回路阻抗异常和电极打滑等原因，导致焊接末期的顶锻无力或加热不足冷顶现象，两个端面的焊缝金属未能充分融合而留有经打磨后肉眼可以看到一条缝隙。
3、未焊合
未焊合缺陷，主要表现在从断面看，整个断面很平，撕裂状很不明显。探伤发现缺陷后未及时处理，低温缩轨拉断，整个断面很平，正火后轨头撕裂状也不明显。未焊合的形成机理主要是焊接过程中由于设备故障或工艺参数原因导致的热输入量严重不足或者顶锻量严重过大，造成未形成好的温度梯度或将好的温度端面挤出而形成接头冷顶锻状态，焊缝金属没能结晶造成的。
4、粗晶
严格来说，粗晶不能作为一种焊接缺陷来评判，但在探伤过程中，粗晶往往严重干扰的探伤结果，故粗晶应及时处理避免造成接头探伤的误判和错判。粗晶存在的主要原因是正火操作不当造成，目前现场焊接的正火主要采用火焰正火方法，由于乙炔质量、加热器和人为操作等原因造成钢轨心部位置不能达到规定要求的温度。
（二）铝热焊
无缝线路在现场焊接中，铝热焊具有设备简单、快速方便及成本较低，焊接过程中钢轨没有烧损，接头平直度高，施工方便，工人容易掌握等优点，得到广泛应用。一般铝热焊焊接过程中出现的焊缝缺陷有气孔、夹渣、缩孔、疏松、咬边和未熔合等。其中夹渣是最为常见的一种缺陷，就某条线路的钢轨铝热焊接头曾出现过大范围的夹渣缺陷，缺陷呈不规则状，大部分出现在轨腰焊筋边缘与母材接触处。夹渣形成的原因，自熔塞打开过早使焊渣未来得及与钢水分离；轨端不洁，有熔渣；封箱过程中，上完砂模后未及时覆盖模口使杂物进入砂模；预热时间过长或预热过火，使轨端“滴泪”；镇静时间不够，反应未完成就浇注，在型腔内继续反应生成熔渣，由于凝固快，熔渣来不及浮出就形成夹渣。夹渣多出现在轨腰和轨头，但也有出现在轨底的另类情况。
二、钢轨现场焊缝探伤技术
（一）表面探伤
1、磁粉探伤
焊缝表面裂纹，焊缝需要进行热推凸处理，以去除轨头踏面及两侧面大部分的焊接残余。但是，当焊剂力学性能、粘着强度不足时，就有可能在表面产生裂纹。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆此类裂纹是与推凸方向垂直的横向裂纹，裂纹深度可达到2mm以上。焊缝表面磁粉检测可发现推凸裂纹，以及因母材残余裂纹导致的扩展裂纹等。
2、钢轨踏面斜裂纹
长期疲劳载荷导致的钢轨踏面斜裂纹在发展初期是眼睛无法观察到的，可通过磁粉检测发现。钢轨打磨车在对早期踏面裂纹进行打磨以及廓形打磨后，打磨砂轮痕迹较粗糙，微细裂纹不可见，可应用磁粉检测。
3、焊补裂纹
钢轨在焊补前应通过打磨彻底清除裂纹，为保证打磨效果，需要经过磁粉探伤确认后再焊补。焊后应对表面进行磁粉探伤。
（二）渗透探伤
对于磁粉可检测的、表面开口的裂纹类缺陷，如果在没有电源等情况下，可进行渗透检测。
（三）超声探伤方法
超声波探伤是无损检测的主要方法之一，利用材料本身或内部缺陷的声学性质对超声波传播的影响，非破坏型地探测材料内部和表面的缺陷的大小、形状和分布状况以及测定材料性质。超声波探伤具有灵敏度高、穿透力强、检验速度快、成本低、设备简单轻便和对人体无害等一系列优点。超声波探伤是根据被探测缺陷的类型、检测面等因素来选择探伤方法的，通常分为单探头法和双探头法。
1、单探头法
焊缝中的体积状缺陷没有明显的方向性，比较容易探测，只要有声波入射，就有一部分能量按原路返回，因而可以用普通的单探头法进行探测，常用探头有直探头（0°）、K1斜探头（45°）、K2.5斜探头（约70°）。
靠近表面的平面型缺陷也可以使用单探头法，利用直角反射进行探测。常用K1斜探头（45°），这是因为纵波入射时，纵波的端角的两次反射中分离出较强的横波，端角反射率都很低。横波入射时，35°-55°直角反射率最高，达100%。在钢轨焊缝探伤中，轨头、轨腰、轨底、轨底脚各部的体积型缺陷主要采用单探头法扫查：轨头核伤为平面型缺陷，与轨头侧面近乎垂直，与踏面多呈10°-25°夹角或近乎垂直，采用相应的大角度单探头可探测。
2、双探头法
平面型缺陷一般平行于焊缝，或垂直于探测面。当横波探头探伤时，反射波会按反射定律在其他方向传播，无法直接返回探头。除靠近界面的平面状缺陷可以利用直角反射使用单探头法进行探测外，平面型缺陷一般要用双探头法，以实现发射探头与接收探头不同位探测。双探头常用角度为37°-45°。在钢轨焊缝探伤中，轨头、轨底的平面型缺陷通常采用双探头法K型扫查；轨腰的平面型缺陷通常采用双探头法串列式扫查。
3、操作重点
钢轨焊缝探伤时应注意一下操作重点：探伤仪、探头的测试，以保证探伤系统的有效性；灵敏度校准的准确性，以保证探伤系统的检测能力；探头声束的扫查覆盖范围；钢轨及焊缝的轮廓、焊筋等外形回波的识别；双探头法探头相对位置需要专用扫查装置的保证，手工操作难实现准确性。
结语
综上所述，通过详细分析移动闪光焊和铝热焊各种缺陷的产生机理，切实结合超声波探伤检测中经常出现的伤损图形和疑似伤损图形。通过分析各种伤损的超声波探伤仪反射回波，防止了有伤接头的漏判和无伤接头的误判。这样一来，不仅保证了钢轨现场焊接接头的焊接质量，还在很大程度上为企业节约了大量的成本，带来了良好的经济效益和社会效益。
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论文作者:郭祖文
论文发表刊物:《基层建设》2018年第27期
论文发表时间:2018/10/17
标签：钢轨论文; 缺陷论文; 裂纹论文; 超声波论文; 闪光论文; 现场论文; 机理论文; 《基层建设》2018年第27期论文;