钢轨焊缝平面状缺陷探测研究

1、钢轨焊缝平面状缺陷探测研究黎连修熊晓兰仲东民(铁道部科学研究院金化所,北京100081摘要简要介绍钢轨焊缝中的缺陷及其探测方法,重点研究双探头探伤时平面状缺陷反射幅度与缺陷位置的关系和单探头探测轨脚时声波的传播规律及探头偏角的选择等。主题词钢轨焊缝缺陷探头超声检验STUDY ON UL TRAS ON I C D ETECT I ON OF PLANE D EFECTSIN THE W ELD S OF RA I L SL iL i anx iuX iong X i aolanZhong D ong m i n(M etals and Chem istry R esearch Institut

2、e,Ch ina A cadem y of R ail w ay Sciences,BeijingAbstractT he p lane defects in rail w elds and their detecti on are described.T he relati onsh i p betw een echo heigh t and the po siti on of a flaw in p itch2catch mode,and the p ropagati on law of acoustic w aves and the selecti on of the offset an

3、gle of a p robe fo r the inspecti on of rail fillet in the case of using single p robe are m ainly discussed.KeywordsR ailW eldD efectP robeU ltrasonic inspecti on我国钢轨焊缝有气压焊缝、接触焊缝和铝热焊缝等三种不同的形式。这些焊缝在焊接和使用过程中,会产生各种各样的缺陷,其中有些是体积状或点状的,如气孔、过烧、疏松和夹渣等;有些则是平面状的,如光斑、灰斑、未焊合和疲劳裂纹等。平面状缺陷十分危险,它不仅减小了钢轨的有效截面,而且还可造

4、成应力集中,甚至导致焊缝拉开或钢轨断裂。为确保行车安全,必须将这些缺陷及早检出。体积状缺陷较易检测,一般用普通的单探头法就可完成。平面状缺陷则由于钢轨断面形状复杂,大部分地方厚度较大,除少数靠近界面的缺陷外,一般都须使用双探头法,因而探测十分困难。本文将重点对平面状缺陷和轨脚处缺陷的探测问题进行研究。1平面状缺陷的探测1.1直角反射平面状缺陷的探测要依据直角反射原理。如图1所示,声波经缺陷和底面或侧面两次反射后,又沿与入射波平行的方向返回到探测面,根据几何声学原理,可得两声波在探测面上平行分开的距离L为L=2h tg=2K h(1式中K=tg 探头的折射角图1串列式扫查h缺陷或反射点距底面的距

5、离可以看出,L与和h有关,探头的折射角越大,两声束分开的距离L也越大,缺陷离底面越远(即h越大,则L也就越大,反之亦然。当L小于探头的覆盖范围时,就可用同一探头接收反射波,这就是单探头法探测平面缺陷的原理。当缺陷距底面过远,使得L大于探头的覆盖范围时,同一探头不再能接收到自己的反射波,此时就须使用双探头法进行探测。当探头如图1所示方式放置时,称为串列扫查;当如图2所示方式放置时,习惯上称为K型扫查,前者可用于轨腰缺陷的探测,而后者则可用于轨底和轨头缺陷的探测。两种扫查方式的声波传播距离都为常数,且串列扫查的距离刚好为K型扫查的一倍,与缺陷在焊缝上的位置无关,因而缺陷波在屏幕上的位置不变,给缺陷

6、判断带933第22卷第8期2000年8月无损检测ND TV o l.22N o.8A ug.2000 图2K型扫查来许多方便。不过,扫查时两探头须相对或相背等速移动,一般需要借助专门的机械装置或阵列探头才能进行扫查。1.2缺陷当量大小的测定单探头法探伤时,缺陷声程随其位置不同而不同,但缺陷上的入射波和反射波所走路程却恒等。双探头法探伤时,声波传播的总距离为一常数,缺陷波出现的位置固定,与缺陷位置无关,但入射波和反射,因而扩散程度也不相同,同样大小的缺陷,反射波高会随缺陷位置的变化而变化。设缺陷为小的平面缺陷,且处于远场,入射声波传播的距离为x1,反射声波传播的距离为x2,若不考虑钢轨界面对声波

7、的影响,并且只研究反射声波的相对幅值,则根据远场中声压与距离成反比的规律1,缺陷的反射声压P可以表示为P=Sx1x2= Sx(m-x(2式中m声波传播的总路程m=x1+x2x代表x1或x2S缺陷面积比例系数,与探头、工件及缺陷反射规律等有关可见,缺陷反射声压或其当量大小与x1和x2的乘积成反比,该乘积越大,反射波幅度越低,反之则越高。令式(2的d P d x=0得x=m 2,即x1=x2这就是反射波幅达到最小值的条件。对于串列式扫查来说,同样大小的缺陷,靠近焊缝顶部时,x1和x2差别大,反射幅度高;靠近底部时,x1和x2差别小,反射幅度低,或当量值小。表1给出了<3mm平底孔的反射幅度随

8、位置的变化规律,测试用探头的=37°,波长=1.18mm,近场长度约为40mm,表中H为缺陷距探测面的距离,实验用钢轨高176mm,可以看出,在近场区,反射幅度几乎不随H而变,在远场,则随H的增大而逐渐减小,与式(2的预见是吻合的。表1<3mm平底孔反射波幅的计算值与实测值的比较H mm理论值 dB实测值 dB H mm理论值 dB实测值 dB 5近场2712020.72230近场2715020.0216027.32816519.9199022.1262轨脚探测钢轨轨脚呈斜劈状,如图3所示。此处截面积小,机械强度低,但受力却很大,往往一微小缺陷就会造成钢轨折断,是钢轨焊缝中最危

9、险的部位之一。图3声波在轨脚中的传播钢轨轨脚部位一般用单探头法从轨底斜面上进行探测,一次波探测焊缝下部,二次波探测焊缝上部。二次波探伤时,探测面不与轨底反射面平行,经底面反射后的二次波便不在探头的纵剖面内。由于焊缝中的平面状缺陷与钢轨横断面平行,亦即与钢轨纵剖面垂直,为得到缺陷的最大反射,应使二次波与钢轨纵剖面平行。文献2已经证明,当探测面与底面不平行时,二次波与工件(钢轨纵剖面的夹角为=sin-1(sinsinco s2-co ssin2(3式中探头相对于工件纵剖面的偏角,或者说入射平面与钢轨纵剖面的夹角探测面与底面的夹角,这里即为轨底斜面相对于轨底的倾角(图3图3中X O Z平面平行于钢轨

10、纵剖面,O为原点,O1为声波在轨底上的反射点,O2为在探测面上的反射点,OO1为一次波,O1O2为二次波。令式(3中的=0,可得到二次波与钢轨纵剖面平行的条件=sin-1tg2K或K sin=tg2(4当探头偏角满足式(4时,二次波便与钢轨纵剖43面(X O Z平面平行,焊缝中的平面状缺陷得到最大反射。可以看出,与探头K值和轨底斜面倾角有关。表2给出了K2和K2.5探头在不同轨底倾角下,探头所需偏角的大小,可以看出,计算值与实测值是相当接近的。表2偏角计算值与实测值比较(°探头K值轨底斜面倾角6.3414.0418.43计算值实测值计算值实测值计算值实测值26.56.415.515.

11、422.0222.02.55.26.012.311.317.5016.5另外,由于探测面不与轨底反射面平行,二次波探测到的缺陷就可能既不在探头正前方,也不在X O Z平面内,可以证明,当按式(4选择探头偏角时,缺陷距入射点的横向距离,即缺陷距X O Z平面的距离n为n=c sin2(5式中c探头入射点处轨脚厚度c1215mm 3结论(1当用双探头探测钢轨焊缝时,不管缺陷位于什么位置,声波所传播的总路程都相等,因而缺陷波在屏幕上出现的位置固定不变,但由于入射和反射两段声程不等,扩展程度不同,因而反射波的幅度,或缺陷的当量大小会因缺陷的位置不同而变化。两段声程相差越远,反射越高;相差越小,反射越低

12、。(2探测轨脚缺陷时,探测面与轨底反射面有一夹角,二次波不在入射平面内,为更有效地探测横向缺陷,可根据不同的探头K值和轨底倾角,将探头倾斜一角度=sin-1(tg2 K,以使二次波与钢轨纵剖面平行,这样不仅可提高二次波对横向缺陷的检出率,而且对一次波的探测没有任何不利影响。参考文献1超声波探伤编写组.超声波探伤.北京:电力工业出版社,1980.2黎连修等.钢轨核伤超声波检测研究.无损检测,1993, 15(3:61-62收稿日期:1999208209简讯2000年全国射线检测新技术研讨暨设备展示会在兰州召开由中国机械工程学会无损检测分会射线专业委员会组织召开的“2000年全国射线检测新技术研讨

13、暨设备展示会”于2000年6月1618日在甘肃省兰州市举行。来自全国各地从事射线检测的技术人员及射线检测设备制造厂商共62人参加了会议,他们分别来自机械、兵器、公安、电子、石油、化工及核工业等系统及有关大专院校。本次会议共收到有关射线检测新技术方面的论文28篇。这些论文已录入大会论文集,有18篇论文在大会宣读交流。与会代表普遍认为本次会议的论文具有较高的水平,较集中地反映了我国近几年来射线检测新技术中关于实时成象、工业CT、数字成象领域研究和应用的新成果。如射线数字成象技术的发展及现状、面板式射线数字成象系统的应用、工业射线图象的退化与恢复、射线检测图象增强技术、X射线实时成象检测技术在天然气长输管道中应用的可行性研究、GB17925-1999标准介绍、实时成象检测在锅炉压力容器方面的应用、工业CT在卫星产品检测中的应用、高能加速器检测在海关集装箱检验中的应用、高能加速器的研制与应用、X射线机的计算机程序编制等方面的论