铁路钢轨焊缝探伤中超声波技术的应用分析

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  摘要:通过合理运用超声波检测技术,工作人员可发现隐藏在铁路钢轨焊接构件中的缺陷,强化铁路交通的安全性。超声波无损检测技术具备检测对象范围广、技术器材使用方便、定位速度快、成本低等特殊优势,能够评估铁路钢轨焊接构建力学性能的变化规律,全面客观地反映实际情况。本文主要分析了铁路钢轨焊缝缺陷的主要类型及其成因,并指出了合理利用超声波技术检测焊缝缺陷的现实意义,总结了应用超声波探伤方法的正确路径。
  关键词:铁路钢轨;焊缝探伤;超声波技术
  前言:进入新世纪以来,随着声学技术的不断发展,超声波探测技术逐步走向成熟,工程检测人员习惯于使用新型脉冲反射式探伤仪,根据具体检测目标调整工作频率范围,通过操作仪器发出超声波,使之在作为检测对象的材料中快速传播,并使用仪器接收来自界面的反射讯号,通过在计算机设备中将讯号还原为详细检测数据并制成波状图,评估材料内部的缺陷情况与疲劳程度。
  一、铁路钢轨焊缝缺陷的基本类型、成因分析
  影响焊缝性能、必须及早排查的焊接缺陷主要包含气孔、夹渣、裂纹等,其中裂紋是指开口位移距离较长、带有尖锐端头的锯齿形缺陷,部分长宽比较高的裂缝可被肉眼识别发现,由于铁路钢轨材料在焊接工作中加热不均匀,不同部位的受热温度不一致,导致材料结构在冷却后发生形变,焊接点承受较大张力,焊缝内或受热区会因温差、湿度等原因产生大量裂缝,裂缝又可被分为微观裂纹、宏观裂纹两大类。气孔是指焊接部位融化金属析出的气体停留在焊接金属中,在材料逐步冷却后形成大小不一的球状孔洞,在焊接部位形成气孔的气体主要是二氧化碳与氢气,由于未能严格控制铁路钢轨焊接环节的施工质量,缺乏电弧保护,金属融化面积过大,钢轨焊接部分容易形成大量孔洞,影响铁路的使用安全。夹渣主要是指在钢轨焊接过程中残留于焊缝中的异物,多为固体物质,施工人员可将夹渣按照外形分为块状、长条状等,如果焊接部分夹渣数量较多,则容易导致钢轨所承受的应力不断集中,金属材料疲劳度上升,焊接构件的使用寿命缩减,施工人员未能及时清理焊点以及钢轨上附着的杂质和铁锈,不同焊层之间堆积的焊渣在焊接过程中掉入尚未完全凝结成型的焊缝中,焊缝的咬边较深,焊接速度控制不当,导致部分本应析出的焊渣未能浮起。焊缝缺陷容易导致焊接件出现脱落、断裂,让潜在的设计缺陷不断放大,缩短钢轨的使用寿命,影响构件的力学性能,部分焊点所承受的应力值远大于正常的设计值,如果焊缝内部出现夹渣、裂缝、气孔等缺陷,容易使焊缝截面发生间断[1]。
  二、超声波探伤方法的核心原理、应用价值研究
  探伤可被概括为使用高技术含量设备对材料组建进行系统性的检测活动,此类检测活动不会对工件造成破坏与损伤,主要包含超声波、渗透、磁粉等多种检测方法,其中超声波探伤方法的故障检测效率最高,具备突出的应用价值。工作人员可选用高性能的检测仪器,如脉冲检测仪、数字化监测仪等,其中脉冲反射仪器主要利用超声波入射到有着不同物理性质的介质材料中,产生水平界面的反射,并使用检测探头接收被材料反射回的超声波,将其实时转化为电信号。工作人员可在利用超声波技术设备进行探测后分析电信号的频谱,提升超声波检测活动中定位缺陷的效率,突出定位的可靠性。工作人员必须根据检测对象的性质选择高性能检测仪器,通过调整检测方式,控制水平线性误差,在检测厚度较大、容易隔绝超声波信号的材料时,工作人员应当选用发射功率较大、增益范围广的仪器,全面强化超声波的穿透能力,并根据电噪声大小调整信号频率,避免受到外部自然条件的干扰[2]。
  三、超声波技术在焊缝探伤领域的正确应用路径研究
  (一)轨头探伤
  为处理好针对焊缝轨头的探伤工作,工作人员必须选择使用纵波探头或表面波探头在钢轨的顶部进行纵向移动检测,让焊接接口朝上的焊点获得全面清查,由于超声波探头与钢轨的横向接触面较为狭窄,为了保证检测效果,工作人员可在钢轨两侧进行纵向移动,让探头与钢轨上焊缝的距离保持在70到90mm左右,超声束的宽度必须大于焊缝直径,让超声束同时在焊缝、焊筋上反射,在仪器的荧光屏上显示能够展现焊缝缺陷的回波,展现焊接点的内部轮廓,找出轨腰和轨头下方连接处可能存在的缺陷,为强化检测效果,必须提高提将超声波检测仪器的斜探头安放在钢轨两侧,并由工作人员操纵进行同步的纵向移动,选择正确的入射点,适当地增加扫查频次,检测目标为垂直片状缺陷,如未熔合、收缩沟等,使用以机油、甘油为主的耦合剂清洗探测面,清除钢轨表面附着的焊接飞溅物、锈蚀、污垢等物质,在检测过程中,一侧所发射出的声波在传入钢轨后发生散射,在另一侧检测仪器的荧光屏中无回波显示,则可证明钢轨焊接点内部存在缺陷,如果另一侧探头接收到钢轨反射的超声波,则可证明焊接点中不存在片状缺陷。通过采用这一检测方法,可保证铁路维护人员在短时间内完成针对整个钢轨横截面的探测工作,发现钢轨轨头焊缝中的潜在缺陷[3]。
  (二)轨腰、轨底探伤
  工作人员可使用直探头探测钢轨轨腰部分可能存在的焊接缺陷,在检测过程中纵向移动直探头,重点检测焊缝内侧与超声波反射面平行的缺陷,如裂缝、构件断裂等,完成从轨头到轨底的探测工作。在检测过程中,探测仪器荧光屏幕会显示除了原始超声波意外的反射回波,如果轨腰部分存在缺陷,则会显示缺陷波而非完整的反射回波,多数情况下使用铝热焊接法焊接的焊缝缺陷点位于轨腰表层,容易产生粗精等缺陷,导致超声波发生散射,探头无法接收到轨底波,因此必须合理运用超声波探测仪器的回声定位功能,分析反射信号的视域与频域,依托小波分析技术重新还原检测信号,描绘出故障特征信号的基本特征,如波长、散射频率等,提升故障检测效率,准确判断故障的具体位置。
  结论:为保证我国铁路交通安全,必须合理运用超声波检测技术,控制检测范围,深入分析探伤仪所显示的回波,准确辨识缺陷波与焊筋波,防止出现错漏与误判现象。
  参考文献:
  [1]陈亮,李保,张洪鹏,陈昌俊.基于DNVGL标准全自动超声波(AUT)检测系统认证[J].无损探伤,2021,45(04):45-48.
  [2]王伟,李银甲,王忠旭,孔祥团.基于AWS D1.6标准碳钢与双相不锈钢焊缝超声波检测研究[J].山东电力高等专科学校学报,2021,24(03):40-43.
  [3]李金川.超声波技术在高铁钢轨焊缝探伤中的应用[J].设备管理与维修,2019(01):149-151.
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