第三节　钢轨焊缝探伤设备

一、钢轨焊缝探伤技术

在焊接过程中，由于焊接方法﹑工艺和材料等诸多因素的影响，焊缝中经常出现危害性缺陷。在使用过程中，焊缝中也还会产生疲劳伤损或疲劳裂纹。

1.焊缝缺陷类型

从超声波探伤的角度来看，根据缺陷的形状可分为体积状（或点状）缺陷和平面状缺陷两大类。体积状（或点状）缺陷主要有夹杂、疏松﹑缩孔﹑过烧等；平面状缺陷主要有光斑、灰斑、裂纹、未焊透和疲劳裂纹等。平面状缺陷不仅减小了钢轨的有效截面，更重要的是可造成应力集中，使焊缝直接拉开或使钢轨折断，因而是最危险的缺陷。

2.焊缝探伤常用方法

（1）体积状缺陷探测

体积状缺陷由于没有明显的方向性，只要有声波入射，就会有一部分声能按原路返回，因而比较容易探测，可用普通的单探头进行探测。

（2）平面状缺陷探测

平面状缺陷一般平行于焊缝，垂直于钢轨踏面。声波从踏面斜入射时，反射声波按照反射定律在其他方向传播，同一探头无法接收到自身发射超声的反射波，见图4-16。除了靠近界面的缺陷外，一般要用双探头法进行探测。与体积状缺陷相比，平面状缺陷的探测要困难些。平面状缺陷常用的探测方法主要有直角反射法、K型扫查法和串列式扫查法。

①直角反射法

当缺陷靠近工件某一界面时，声波经缺陷和界面两次反射，然后沿着与入射方向平行的方向返回到探测面。由于缺陷靠近界面，反射声波与入射声波分开的距离较小，可被同一探头接收。这种单探头探测法仅适用于靠近界面的平面状缺陷的探测，见图4-17。

②K型扫查法

两只探头分别置于相对的两个探测面上，发射探头发射的声波经缺陷反射后被接收探头接收。要探测到整个焊缝，两只探头需要相对或相背等速移动，见图4-18。

③串列式扫查法

声波经缺陷和底面两次反射后返回探测面，被另一探头接收，见图4-19。串列式扫查时，声波探测深度（探测点到底面的距离）h与两探头分开的距离L有如下关系：

L=2Kh　　（4-1）

式中K=tan β（β为探头的折射角）。

从式（4-1）可以看出，h和L成正比，L越大，h也越大。两探头分开的距离越远，探测点越高，反之，探测点就越低。由此可见，当两探头由分到合或由合到分变化时，声波就从焊缝的上部到底部或从底部到上部扫查整个焊缝。

④阵列探头扫查

阵列探头扫查是使用若干对探头对焊缝的不同部位分别进行探测，是串列式或K型扫查的演变形式，见图4-20。优点是不需专门的扫查装置，也不用移动探头即可对焊缝进行串列式或K型扫查。缺点是探头较长，耦合难度较大。另外，阵列探头扫查为分段扫查，声场在焊缝上的分布不够均匀，定位定量不如连续扫查法准确。

3.钢轨焊缝的分区探测

对钢轨焊缝进行探伤时，一般是将焊缝分为4个区域，以采用不同的方式针对平面状缺陷进行扫查，见图4-21。其中：

1区——轨腰及其延伸部分。一般采用串列式进行扫查，在焊轨厂或焊轨基地，若轨底便于放置探头时，也可采用K型扫查。

2区——轨底部分。一般采用K型扫查。

3区——轨底角部分。一般用单探头法进行扫查，用一次波扫查轨底角下部，二次波扫查轨底角上部。

4区——轨头部分。可从轨头两侧用K型方式进行扫查，也可用70°探头按探测核伤的方式进行单探头法扫查。

二、专用钢轨焊缝探伤系统

专用钢轨焊缝探伤系统由钢轨焊缝探伤仪与专用扫查装置配套组成，具有3对探头，6种探伤模式，一次扫查可实现单探头、双探头对体积状和平面状缺陷的检测，具有A型、B型两种显示，探伤全过程记录，具有探伤速度快、检测精度高等优点。

1.结构组成

钢轨焊缝探伤仪基本组成主要有：①CPU；②程序存储器；③数据存储器；④人机接口（键盘、触摸屏）；⑤多通道发射电路；⑥多通道接收电路；⑦信号放大电路；⑧A/D转换器；⑨液晶显示屏；⑩接口电路；电源。

专用扫查装置配套基本组成主要有：①扫查架；②超声波探头；③编码器；④电机；⑤遥控器；⑥电池。其中，超声波探头、编码器、电机、电池安装在扫查架上。

2.功能特点

（1）全断面显示

A型和B型显示功能可实现钢轨焊缝全断面显示。具有视频输出接口，方便动态探伤图形的输出。

①A型显示：用三个窗口分别显示轨底、轨腰、轨头三个不同的部位A扫回波信号，每个窗口能够同时显示，也可分别显示单收发和一收一发两种回波图形；二者分别用不同的颜色进行区分。

②B型显示：能够实时显示轨底、轨腰、轨头三个部位的B扫图形及焊缝横断面成像图形，首次实现了钢轨焊缝侧面方向、踏面方向及横断面方向三个方向的成像显示。

③视频显示：探伤仪能够直接与显示器或投影仪连接，在焊接基地探伤或回放时，能将动态探伤图形通过大屏幕显示，有利于探伤数据的分析和伤损判断。

（2）探伤图形的存储、回放和查询

探伤仪可实时动态记录并存储探伤扫查过程中探头的位置信息、超声回波A显信号及图像显示，探伤仪回放界面与检测界面完全一样。数据回放和分析时，既可以选定具体的A显回波进行细节分析，也可以改变不同的灵敏度进行不同的图像显示。可对一些不易判断的焊缝，线上检测时用较高的灵敏度进行扫查，然后线下再进行详细分析，以防止漏检和误判，提高线上检测效率。探伤仪可同时存储约2万个焊缝探伤数据，可导出进行数据管理、回放分析。数据回放时可以按探伤日期、探伤人员及自定义模式进行检索。

（3）PAC扫查和PAC曲线定量

用双探头法对钢轨焊缝进行K型扫查和串列式扫查时，尽管声波传播路程为一常数，但当缺陷位于不同位置时，由于探头声场受自身扩散及钢轨界面的制约，使得焊缝各处的声压并不相等，同样大小的缺陷位于焊缝不同部位时，反射波高会有很大差别，即缺陷反射声波不仅与传播距离有关，还会与缺陷所处部位的形状有关。因此，在探伤技术中提出了位置幅度控制的概念，即PAC，以区别于距离幅度控制（DAC）。探伤仪设计了PAC扫查和PAC显示，为准确测定缺陷的当量尺寸提供了必要的方法和手段。