钢轨焊缝探伤标准浅谈
一个概念模糊混乱执行困难的铁标——TBT7
评说TBT7钢轨探伤标准
1， 工艺要求第一条3.1.1应采用单探头和双探头两种方法对焊缝进行探伤。
但是，对于双探头探伤存在着模糊和混乱的概念，影响了双探头对钢轨焊缝的探伤。显然双探头探伤比起单探头要难于掌握，除了五花八门的扫查机构外，还有手工控制探头运动的方法。操作起来比较困难。另外一个难点是焊缝推凸量的干扰，直通波的干扰，都使得双探头法难于使用。但是钢轨焊缝尤其是闪光焊和气压焊焊缝是一个平面，因此缺陷是平面型且分布在该平面内。这就意味着使用单探头探伤时，缺陷回波被平面缺陷反射到相反的方向而很难探到缺陷，并且缺陷越大越探测不到回波。只有缺陷大小和波长相近才能收到微弱的衍射波。基于这个道理，单探头探伤比较适合铝热焊，因为铝热焊的缺陷是体积状多余平面状。
而闪光焊和气压焊应该以双探头探伤为主。目前焊缝探伤的状态大多数是只用单探头探伤，这就造成了大量的闪光焊焊缝探伤走了形式，探伤的可信度较低。为什么焊缝伤损多在轨底角和轨轭被检测出来。其它位置很少有伤？这是因为当伤损位于钢轨表面或靠近表面时，单探头可以收到非常强烈的角反射之缘故。
轨底脚探伤使用K2.5探头的原因有两条，一是焊缝厚度比较小，另外就是大角度和缺陷方向更接近于垂直。
我发现很多探伤人员用钢轨上的平底孔定斜探头灵敏度，这就错了。这部分人把直探头探测2毫米平底孔的概念引入斜探头探伤。实际上是探测的是”斜底孔”！垂直入射和倾斜入射的结果完全不同.。这是概念模糊的表现。
双探头探伤试块采用的是平底孔，看似合理，其实并不科学。应该采用横通孔更合适。加工方便，使用更方便。
为双探头探伤规定做DAC曲线纯属无稽之谈。既然采用K式扫查或串列式扫查。声程是固定的。谈何距离波幅曲线？这里的距离在这两种扫查方式下就是声程。而不是探头到缺陷的距离。如果说是距离的话，两个探头和缺陷的距离之和还是固定值。因此标准规定做DAC曲线是奇怪的事情。并且探伤仪器也不可能做出这样的曲线来。没有这种功能。
既然不能做也不必做DAC曲线，为什么标准规定了双探头试块做了那么多的平底孔。其实仅仅在钢轨中部加工一个横通孔就可以校正灵敏度了。我试验过孔的位置和灵敏度无关。标准上的图不知是如何得到的？
6， 未完待续，请看下回分解。
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钢轨探伤技术目 录第1章 无损检测概述及其在铁路中的应用 .................................................................................... 1第2章 超声探伤基础 .................................................................................................................... 10第3章 钢轨探伤技术 .................................................................................................................... 23第4章 钢轨焊缝探伤技术 ............................................................................................................. 30第5章 工务探伤常用标准汇总 ..................................................................................................... 40第6章 探伤作业质量控制 ............................................................................................................. 41i第1章 无损检测概述及其在铁路中的应用1.1无损检测概述在不破坏被检测对象的物理、化学性能和几何完整性的情况下，对其表面和内部参数或性能进行测量，成为无损检测如果检测的目的是发现伤损，则成为无损探伤。在大多数情况下，如无特殊说明，无损检测实际上指的就是无损探伤。无损检测的检测结果往往不够“精细”，在多数情况下，只能给出缺陷的有无，而无法准确给出缺陷的大小和性质。因为，无损检测是一种评估技术，而不是一种测量技术。1.1.1定义：无损检测（Non-destructive Testing，简称NDT）是利用物质的某些物理性质因存在缺陷或组织结构上的差异使其物理量发生变化这一现象，在不破坏被检测对象的物理、化学性能和几何完整性的情况下，通过测量这些变化来了解和评价被检测的材料、产品和设备构件的性质、状态、质量或内部结构等的一种特殊的检测技术。1.1.2应用：无损检测在现代工业中的应用极其广泛，铁路、航空、航天、石化、船舶、汽车、压力容器、核反应堆、桥梁建筑、医疗等行业都广泛应用到无损检测技术。1图1.1无损检测应用领域广泛1.1.3作用：无损检测技术在保证产品质量和工程质量上发挥着重要作用，其“质量卫士”的美誉已得到工业界的普遍认同。在产品设计、材料选择、加工制造、成品检验、在役检查（维修保养）等多方面，在质量控制与降低成本之间能起最优化作用，有助于保证产品的安全运行和有效使用。无损检测技术在产品的不同阶段发挥的作用，对于改进产品的设计制造工艺、降低制造成本以及提高设备运行的可靠性等具有重要意义。①在产品设计阶段设计时就应充分考虑无损检测的能力，以保证结构设计要求与无损检测的灵敏度、分辨率和可靠性相一致。②在产品制造阶段制造部门为确保产品质量达到设计要求，运用无损检测技术，根据一定标准对原料、半成品、成品的缺陷以及非均匀性进行鉴定和评价。③在产品使用阶段为保证使用的可靠性，使用部门必须根据设计部门规定的周期和方法及制造部门所提交的检测细则对指定的零部件进行可靠的无损检测甚至于适时监控。图1.2无损检测在产品各阶段的作用须明确的是，尽管无损检测技术在生产设计、制造工艺和质量管理、质量鉴定与控制、经济成本、生产效率等方面都显示了极其重要的作用，但是无损检测技术本身对具体某项产品而言，似乎并未直接增加什么内容，即不是所谓的“成形技术”。2对产品所期待的使用性能和质量只能在产品制造中达到而不可能在产品检测中达到。无损检测技术的根本作用只是保证产品的质量或使用性能符合预期的目标，是一种经济效益好的、保证产品质量的、高科技的检测技术。1.1.4特点：无损检测技术之所以能够在现代工业中始终保持旺盛的生命力与活力，为工业发展发挥越来越重要的作用，依赖于它所具备的众多特点：①不破坏被检对象。②可实现100%的检验。③发现缺陷并做出评价，从而评定被检对象的质量。④对缺陷形成原因及发展规律提供判断分析的依据，以促进有关部门改进生产工艺、提高产品质量。⑤对关键部件、部位在运行中作定期检查，甚至长期监控以保证运行安全，防止事故发生。1.1.5方法：工业无损探伤的方法很多，目前国内外最常用的探伤方法有五种，即人们常称的五大常规探伤方法：射线照相检测（RT）、超声检测（UT）、涡流检测（ET）、磁粉检测（MT）、渗透检测（PT）。.a.射线探伤方法（RT）射线探伤是利用射线的穿透性和直线性来探伤的方法。这些射线虽然不会像可见光那样凭肉眼就能直接察知，但它可使照相底片感光，也可用特殊的接收器来接收。常用于探伤的射线有x光和同位素发出的γ射线，分别称为x光探伤和γ射线探伤。当这些射线穿过物质时，该物质的密度越大，射线强度减弱得越多，即射线能穿透过该物质的强度就越低。若用照相底片接收，则底片的感光量就小；若用仪器来接收，获得的信号就弱。因此，用射线来照射待探伤的零部件时，若其内部有气孔、夹渣等缺陷，射线穿过有缺陷的路径比没有缺陷的路径所透过的物质密度要小得多，其强度就减弱得少些，即透过的强度就大些，若用底片接收，则感光量就大些，就可以从底片上反映出缺陷垂直于射线方向的平面投影；若用其它接收器也同样可以用仪表来反映缺陷垂直于射线方向的平面投影和射线的3透过量。由此可见，一般情况下，射线探伤是不易发现裂纹的，或者说，射线探伤对裂纹是不敏感的。因此，射线探伤对气孔、夹渣、未焊透等体积型缺陷最敏感。即射线探伤适宜用于体积型缺陷探伤，而不适宜面积型缺陷探伤。a射线检测.b.涡流探伤方法（ET）涡流探伤是由交流电流产生的交变磁场作用于待探伤的导电材料，感应出电涡流。如果材料中有缺陷，它将干扰所产生的电涡流，即形成干扰信号。用涡流探伤仪检测出其干扰信号，就可知道缺陷的状况。影响涡流的因素很多，即是说涡流中载有丰富的信号，这些信号与材料的很多因素有关，如何将其中有用的信号从诸多的信号中一一分离出来，是目前涡流研究工作者的难题，多年来已经取得了一些进展，在一定条件下可解决一些问题，但还远不能满足现场的要求，有待于大力发展。涡流探伤的显著特点是对导电材料就能起作用，而不一定是铁磁材料，但对铁磁材料的效果较差。其次，待探工件表面的光洁度、平整度、边介等对涡流探伤都有较大影响，因此常将涡流探伤用于形状较规则、表面较光洁的铜管等非铁磁性工件探伤。b涡流检测4.c.超声波探伤方法（UT）人们的耳朵能直接接收到的声波的频率范围通常是20Hz到20kHz，即音频。频率低于20Hz的称为次声波，高于20kHz的称为超声波。工业上常用数兆赫兹超声波来探伤。超声波频率高，则传播的直线性强，又易于在固体中传播，并且遇到两种不同介质形成的界面时易于反射，这样就可以用它来探伤。通常用超声波探头与待探工件表面良好的接触，探头则可有效地向工件发射超声波，并能接收界面反射来的超声波，同时转换成电信号，再传输给仪器进行处理。根据超声波在介质中传播的速度和传播的时间，就可知道缺陷的位置。当缺陷越大，反射面则越大，其反射的能量也就越大，故可根据反射能量的大小来查知各缺陷的大小。常用的探伤波形有纵波、横波、表面波等，前二者适用于探测内部缺陷，后者适宜于探测表面缺陷，但对表面的条件要求高。c超声检测.d.磁粉探伤方法（MT）磁粉探伤是建立在漏磁原理基础上的一种磁力探伤方法。当磁力线穿过铁磁材料及其制品时，在其不连续处将产生漏磁场，形成磁极。此时撒上干磁粉或浇上磁悬液，磁极就会吸附磁粉，产生用肉眼能直接观察的明显磁痕。因此，可借助于该磁痕来显示铁磁材料及其制品的缺陷情况。磁粉探伤法可探测露出表面，用肉眼或借助于放大镜也不能直接观察到的微小缺陷，也可探测未露出表面，而是埋藏在表面下几毫米的近表面缺陷。用这种方法虽然也能探查气孔、夹杂、未焊透等体积型缺陷，但对面积型缺陷更灵敏，更适于检查因淬火、轧制、锻造、铸造、焊接、电镀、磨削、疲劳等引起的裂纹。磁力探伤中对缺陷的显示方法有多种，有用磁粉显示的，也有不用磁粉显示的。用磁粉显示的称为磁粉探伤，因它显示直观、操作简单，故它是最常用的方5法之一。不用磁粉显示的，习惯上称为漏磁探伤，它常借助于感应线圈、磁敏管、霍尔元件等来反映缺陷，它比磁粉探伤更卫生，但不如前者直观。由于目前磁力探伤主要用磁粉来显示缺陷，因此，人们有时把磁粉探伤直接称为磁力探伤，其设备称为磁力探伤设备。d磁粉检测.e.渗透探伤方法（PT）渗透探伤是利用毛细现象来进行探伤的方法。对于表面光滑而清洁的零部件，用一种带色或带有荧光的、渗透性很强的液体，涂覆于待探零部件的表面。若表面有肉眼不能直接察知的微裂纹，由于该液体的渗透性很强，它将沿着裂纹渗透到其根部。然后将表面的渗透液洗去，再涂上对比度较大的显示液。放置片刻后，由于裂纹很窄，毛细现象作用显著，原渗透到裂纹内的渗透液将上升到表面并扩散，在白色的衬底上显出较粗的红线，从而显示出裂纹露于表面的形状，因此，常称为着色探伤。若渗透液采用的是带荧光的液体，由毛细现象上升到表面的液体，则会在紫外灯照射下发出荧光，从而更能显示出裂纹露于表面的形状，故常常又将此时的渗透探伤直接称为荧光探伤。此探伤方法也可用于金属和非金属表面探伤。其使用的探伤液剂有较大气味，常有一定毒性。e渗透检测每一种方法都有其适用范围和局限性，详见表1.1。6表1.1：五大常规探伤方法的比较71.2无损检测在铁路中的应用无损检测是铁路产品（装备、设施和重要零部件等）检修工作中的重要环节，在保障铁道线路状态、运输安全中发挥着重要作用，是确保铁路运输安全的重要技术手段。铁路是国内最早开展无损检测工作的部门之一。1950年铁道部进口瑞士共振式超声波探伤仪检查钢轨，1951年铁科院与铁路工厂一起开展车轴超声波探伤研究，一般被认为是我国铁路超声波探伤的开端。随着铁路列车速度不断提高和载重量不断增加，运营安全越来越重要，相应地对无损检测工作的要求也越来越高，铁路设备、装备的主要零部件都逐步开展了探伤工作。铁路无损检测工作的特点之一是探伤对象品种多、数量大、分布广。截止2008年，有9万多公里的线路、近400万个钢轨焊接接头盒250多万条轮对需要进行日常探伤检查。这些检测对象分布在全国各地，需要庞大的探伤队伍从事探伤工作，铁路行业探伤人员已超过1.4万人，其中仅钢轨探伤人员就有9000余人。铁路无损检测主要用于在役产品的维护与检修，同时也用于新制产品的质量检查。对于在役产品，检查的主要对象是产品的疲劳缺陷，在许多场合，一旦发现疲劳缺陷工件即须停止使用，因此无损检测工作的重点是如何发现缺陷，如何提高探伤的可靠性。对于新制产品，情况则有所不同，检查的主要对象是材质缺陷和制造缺陷，这些缺陷的检出往往并不困难，困难的是图和判定缺陷的大小，这直接决定着材料或工件是否合格，因而新制产品探伤的重点和难点是如何提高判伤的准确性和正确性。图1.4轮对磁粉探伤机 图1.5轮对超声探伤机8图1.6 空心轴超声探伤铁路无损检测工作大体分为两部分：一部分是工务产品的检测，包括钢轨、道岔及钢轨焊缝等，主要由工务段负责完成，基本上都是应用超声波探伤方法进行探伤。另一部分是机车车辆零部件的检测，包括车轴、车轮、摇枕侧架和轴承等，有机务段、车辆段和30余个铁路工厂负责完成，要使用超声和磁粉两种方法进行检测。从探伤方法上，五种常规探伤方法在铁路上均得到很好的应用，其中最重要的是超声和磁粉两大探伤方法。9第2章 超声探伤基础超声波探伤（Ultrasonic Testing，简称UT）是目前应用最广泛的无损检测方法之一，它的本质是机械波。质点的机械振动和振动的传播，构成了超声波探伤的物理基础。超声波传播过程中所遵循的规律可以分为两部分：几何声学是指界面上的反射定律、折射定律和波形转换规律等，主要是声束行进路径、缺陷定位方面。物理声学是指叠加、干涉、绕射和惠更斯原理等，主要是声场声压分布、缺陷定量方面。2.1什么是超声波？声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz~20KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于20KHz则称为超声波。超声波是由机械振动源在弹性介质中激发的一种机械振动波，其实质是以应力波的形式传递振动能量，其必要条件是要有振动源和能传递机械振动的弹性介质（实际上包括了几乎所有的气体、液体和固体），它能透入物体内部并可以在物体中传播。利用超声波在物体中的多种传播特性，例如反射与折射、衍射与散射、衰减、谐振以及声速等的变化，可以测知许多物体的尺寸、表面与内部缺陷、组织变化等等。图2.1机械振动10图2.2质点的位移与时间关系2.2超声波的特点1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播；2）超声波可传递很强的能量；3）超声波有良好的指向性，像光线一样呈直线传播，并在界面上产生反射、折射和波型转换，在传播过程中还有干涉、叠加、绕射现象，故可以充分利用这些几何、物理特征进行探伤。4）在金属材料中的传播速度很快， 穿透能力强、衰减小，如对某些金属的穿透能力可达数米，其他检测手段无法相比。2.3超声波的应用超声波的应用领域广泛：医疗上的超声诊断（如B超）、海洋学中的声纳、鱼群探测、海底形貌探测、海洋测深、地质构造探测、工业材料及制品上的缺陷探测、硬度测量、测厚、显微组织评价、混凝土构件检测、陶瓷土坯的湿度测定、气体介质特性分析、密度测定??等等。2.4超声波的波型超声波在弹性介质中传播时，视介质质点的振动型式与超声波传播方向的关系，可以分为以下几种波型：（1）纵波（Longitudional Wave，简称L波，又称作压缩波、疏密波）：纵波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向相同。纵波在固、液、气三种介质中均能传播，传播时质点受交变拉、压应力的作用，使质点之间产生相应的伸、缩变形，构成疏密相间的质点排列。故亦称为压缩波、疏密波。液体和气体能够承受压应力而产生容积压变，因而这种介质能够传播纵波。11图2.3纵波示意图（2）横波（Shear Wave，简称S波，又称作Transverse wave，简称T波，也称为切变波或剪切波）：横波的特点是传声介质的质点振动方向与超声波的传播方向垂直。质点受到的是交变剪切应力的作用，故亦称切变波。液体和气体不能够承受剪切应力，故无横波传播。图2.4横波示意图（3）表面波（Surface Wave）：是指超声波沿介质表面传递，而传声介质的质点沿椭圆形轨迹振动的瑞利波（Rayleigh Wave，简称R波），瑞利波在介质上的有效透入深度只有一个波长的范围，因此只能用于检查介质表面的缺陷，不能像纵波与横波那样深入介质内部传播，从而可以检查介质内部的缺陷。12图2.5表面波示意图（4）兰姆波（Lamb Wave）：是一种由纵波与横波叠加合成，以特定频率被封闭在特定有限空间时产生的导波（Guide Wave）。兰姆波在薄板中传递时，薄板上下表面层质点沿椭圆形轨迹振动，而薄板中层的质点将以纵波分量或横波分量形式振动，从而构成全板振动，这是兰姆波检测的显著特征。根据薄板中层的质点是以纵波分量或横波分量形式振动，可以分为S模式（对称型）和A模式（非对称型）两种模式的兰姆波。2.5超声波如何产生、接收？原则上，凡是能将其它能量转换成超声振动方式的能量都可以产生超声波，如机械方法、热效应法、磁伸缩法和电磁声法。在超声波探伤方面，产生和接收超声波最主要利用的是探头晶体材料的压电效应。下面介绍探头的工作原理、主要性能及其及结构。2.5.1压电效应某些晶体材料在交变拉压应作用下，产生交变电场的效应称为正压电效应。反之当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。正、逆压电效应统称为压电效应。图2.6压电晶片 图2.7压电效应超声波探头中的压电晶片具有压电效应，当高频电脉冲激励压电晶片时，发13生逆压电效应，将电能转换为声能(机械能)，探头发射超声波。当探头接收超声波时，发生正压电效应，将声能转换为电能。不难看出超声波探头在工作时实现了电能和声能的相互转换，因此常把探头叫做换能器。利用压电晶体制成超声波换能器（探头），对其输入高频电脉冲，则探头将以相同频率产生超声波发射到被检物体中去，在接收超声波时，探头则产生相同频率的高频电信号用于检测显示。图2.8超声的发射与接收框图2.5.2探头的种类和结构常用探头类型有直探头、斜探头、双晶探头等。直探头用于发射和接收纵波，主要用于探测与探测面平行的缺陷，如板材、锻件探伤等。斜探头可分为纵波斜探头、横波斜探头和表面波斜探头，常用的是横波斜探头。横波斜探头主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如焊缝、汽轮机叶轮等。双晶探头有两块压电晶片，一块用于发射超声波，另一块用于接收超声波。双晶探头主要用于探伤近表面缺陷。图2.9超声波探头的结构142.6超声场超声波所占的空间称为超声场，其结构如图所示，它包括近场（N为近场长度）和远场两个部分。在近场区中的声压分布是不均匀的，而在远场区中的声压则随着距离的增大呈单调下降变化。近场区的长度与换能器的晶片直径和超声波的波长有关，在近场区的超声波束呈收敛状态，在近场区末端，亦即从近场区进入远场区的过渡点上声束直径最小（故也将此点称作自然焦点），进入远场区后声束将以一定角度发散，声束边缘的斜度以半扩散角θ表示，声束的半扩散角同样与换能器的晶片直径和超声波的波长有关。图2.10超声场及近场、扩散角示意图在超声检测中为了能根据回波幅度大小评估缺陷大小：当被检工件尺寸较小，落在近场区范围时，通常需要采用参考对比试块进行比较评定，参考试块的材料、状态（声学特性）应与被检物相同或相近，并且含有已知尺寸的特定人工反射体（例如平底孔、横孔、柱孔、刻槽等），将发现的缺陷回波幅度与相同声程（超声波传播路程）的人工反射体回波幅度比较，得到以人工反射体尺寸表示的缺陷当量大小。图2.11超声场声压分布图在远场区检测时，由于工件尺寸较大，要预先制作相应尺寸的试块有困难，15而且搬运、使用均很不方便。鉴于远场中的声压随着距离的增大呈单调下降变化，各种人工反射体的回波声压变化是有规律可循的，因此可以采用计算方法或事先测绘制作的距离-波幅曲线（称作AVG法或DGS法）来确定检测灵敏度以及评定缺陷的当量大小。远场区声束轴线上的声压?D2AP?P0?P0 4?x?x必须指出：超声检测中评定的缺陷当量大小，是指缺陷的回波幅度与一定尺寸的人工反射体的回波幅度相同，但是缺陷的实际尺寸与标准人工反射体的尺寸并不相同，这是因为缺陷的回波幅度大小受被检工件的材料以及缺陷本身的性质、大小、形状、取向、表面状态等多种因素的影响，同时还与超声波的自身特性有关，因此引入了“当量”-相当的量这个概念作为定量衡量缺陷大小的标准。例如我们说经过超声检测发现被检工件内的某个位置处存在Φ2mm直径平底孔当量的缺陷，就是指该缺陷的回波幅度与工件内相同位置处Φ2mm直径平底孔（平底孔的孔底面与超声束轴线垂直，并且同轴）的回波幅度相同，然而该缺陷的实际面积尺寸往往大于Φ2mm直径平底孔的底面面积。此外，根据超声检测的结果判断缺陷的性质[定性]问题尚未很好解决，目前还主要是依靠检测人员的实践经验、技术水平以及对被检工件的材料特性、加工工艺特点、使用状况等的了解来进行综合的主观判断。2.7超声波的反射、折射等传播特性在弹性介质中传播的超声波遇到异质界面时会发生反射与折射，并有波型转换发生。利用超声波在界面上的折射特性主要用于达到波型转换的目的，例如把一般压电晶体产生的纵波转换成横波、瑞利波、兰姆波等，以适应不同工件及不同情况下的检测，其转换条件与界面两侧介质的声速比（折射率）和入射、折射角度（正弦函数）相关。16图2.12超声波在异质界面的反射、折射菲涅尔折射定律：sin?sin? ?C1C2α为入射角，C1为第一介质中入射超声波的速度β为反射或折射角，C2为在第一介质中反射或者在第二介质中折射超声波的速度。在超声波检测中主要利用超声波的反射、折射等特性来探测材料中的缺陷。2.8超声波探伤仪2.8.1工作原理超声波探伤仪的高频脉冲电路产生高频脉冲振荡电流施加到超声换能器（探头）中的压电晶体上，激发出超声波并传入被检工件，超声波在被检工件中传播时，若在声路（超声波的传播路径）上遇到缺陷（异质）时，将会在界面上产生反射，反射回波被探头接收转换成高频脉冲电信号输入探伤仪的接收放大电路，经过处理后在探伤仪的显示屏上显示出与回波声压大小成正比的回波波形.17图2.13超声波探伤仪工作原理图图2.14超声波的传播路径及仪器显示根据显示的回波幅度大小可以评估缺陷大小[定量]，显示屏上的水平扫描线（时基线）可以调整为与超声波在该介质中传播时间（距离）成正比（俗称“定标”），然后就可以根据回波在显示屏水平扫描线上的位置判定缺陷在工件中的位置[定位]。利用工件底面回波在水平扫描线上的位置，还可用于测定工件的厚度。2.8.2显示方式根据探头扫查方式及屏幕显示方式的不同，常分为A型显示、B型显示、C型扫查、S型扫查（扇形扫查）等类型。18图2.15 A型显示 图2.16 B型显示图2.17C型扫查 图2.18 S型扫查（扇形扫查）2.9超声探伤的基本程序（1）超声检测面的选择：当超声束与工件中缺陷延伸方向垂直，或者说与缺陷面垂直时，能获得最佳反射，此时缺陷检出率最高。因此，在被检工件上应选择能使超声束尽量与可能存在的缺陷其延伸方向垂直的工件表面作为检测面。如图所示给出了常见工件的超声检测面示意图。19图2.19不同检测面示意图（2）检测面的制备：超声波是通过被检工件表面进入工件内部的，检测面光洁度的优劣影响声能的透射效果并可能产生干扰，因而对超声检测结果的准确性与可靠性有很大影响。如被检件表面光洁度不能满足检测要求时，应进行专门的表面加工制备(打磨处理等)，或采取特殊的补救措施（例如采用特殊的耦合方法或灵敏度补偿）（3）耦合方法的确定：超声探头与被检工件之间存在空气时，超声波将被反射而无法进入被检工件，因此在它们之间需要使用耦合介质，视耦合方式的不同，可以分为：接触法-超声探头与工件检测面直接接触，其间以机油、变压器油、润滑脂、甘油、水玻璃（硅酸钠Na2SiO3）或者工业胶水、化学浆糊等作为耦合剂，或者是商品化的超声检测专用耦合剂。水浸法-超声探头与工件检测面之间有一定厚度的水层，水层厚度视工件厚度、材料声速以及检测要求而异，但是水质必须清洁、无气泡和杂质，对工件有润湿能力，其温度应与被检工件相同，否则会对超声检测造成较大干扰。接触法和水浸法是超声检测中最主要应用的两种耦合方式，此外还有水间隙法、喷水柱法、溢水法、地毯法、滚轮法等多种特殊的耦合方式。（4）检测条件的准备：选择适当的超声探伤仪、超声探头、参考标准试块（或者采用计算法时的计算程序或距离-波幅曲线、AVG或DGS曲线等），以及在检测前对仪器的校准（时20基线校正、起始灵敏度设定等）。（5）检测扫查：在被检工件的检测面上使用超声探头进行扫查，应确保超声束能覆盖所有被检查的区域。（6）缺陷评定：对发现的缺陷进行定位（缺陷在工件中的埋藏深度与水平位置）、定量（缺陷大小、面积、长度）的评定并作出标记，必要时还需要判定缺陷的性质或种类，亦即定性评定。（7）记录与判断：记录检测结果，对照技术条件和验收标准作出合格与否的判断，得出检测结论，签发检测报告。（8）处理：将检测发现问题的工件作出标记，隔离待处理，对合格工件给予合格标记转入下道生产工序或周转程序。以上是超声脉冲反射法检测的最基本程序，在实际产品的检测中还应该根据具体的检测规范或检测工艺规程等的要求具体实施检测。超声检测技术应用的方法多种多样，并且还在不断探索和发展新的应用方法和开拓新的应用领域，如已经发展的超声频谱分析法，是根据超声反射回波的频谱特性分析，以检查评估材料的显微组织形态，评估缺陷的形状、种类和性质，以及评定胶接结构的胶接质量等等。还有超声波计算机层析扫描技术、超声全息技术等等。随着计算机技术的飞跃发展，超声检测信号的数字化处理、分析与显示，更为超声检测技术的应用与拓展提供了更大的空间，具有很大的发展潜力。2.10超声检测的优缺点优越性：穿透力强、设备轻便、检测成本低、检测效率高，能即时知道检测结果（实时检测），能实现自动化检测和实现永久性记录，在缺陷检测中对危害性较大的裂纹类缺陷特别敏感等等。21局限性：通常需要耦合介质使声能透入被检物，需要有参考评定标准，特别是显示的检测结果不直观，因而对操作人员的技术水平有较高要求等等，此外，对于小而薄或者形状较复杂，以及粗晶材料等的工件检测还存在一定困难。22第3章 钢轨探伤技术3.1概述钢轨的探伤，包括新制钢轨和在役钢轨探伤两种情况。新制钢轨探伤主要是在钢轨生产厂进行，一般使用多通道自动探伤设备进行探伤。在役钢轨处于铺设状态，探伤工作只能在现场进行，主要使用小型钢轨探伤仪（钢轨探伤小车）进行探伤。这种钢轨探伤小车一般有5～8个通道，能携带5～8种不同类型的探头工作，具有较完善的报警功能，能够在钢轨上和陆地上推行，可以利用行车间隙上道作业，是主要的钢轨探伤设备。随着铁路运输的发展，列车运行速度不断提高，行车密度不断增加，小车上道作业越来越困难，大型钢轨探伤车应用得到了逐步的发展。现在基本形成了小车、大车相配合的检测模式实施周期性检测。3.2新制钢轨探伤新制钢轨质量是钢轨质量的基础，直接决定着钢轨的使用情况。加强新轨探伤，严防不合格钢轨铺设上道，是确保钢轨质量和铁路运输安全的关键环节。新制钢轨探伤主要检查钢轨中的材质缺陷和制作缺陷，如夹杂、疏松、气孔、白点和各种表面裂纹等。新制钢轨内部缺陷主要使用超声波法进行探测，表面及近表面缺陷主要使用涡流法进行探测。3.2.1超声探伤使用4～5MHz的超声纵波从轨头侧面、踏面、轨腰和轨底面探测内部缺陷。使用超声横波从轨底斜面上探测轨底纵向裂纹。新制钢轨超声探伤如图3.1。所用方法应确保被检验的最小横截面面积为：轨头部分不小于70％；轨腰部分不小于60％；轨底部分见图3.2；上述面积根据探头发射声影确定。钢轨头部应从两个侧面和踏面进行检测。23图3.1新制钢轨超声探伤示意图图3.2钢轨轨底超探区域（阴影部分）各部位探伤实物试块如图所示：图3.3钢轨轨头人工缺陷的位置与尺寸24图3.4钢轨轨腰人工缺陷的位置图3.5钢轨断面轨底人工缺陷的位置3.2.2涡流探伤钢轨表面及近表面缺陷主要使用涡流法进行探测，有时也可以使用磁粉探伤法进行探测。涡流探伤的主要特点是：探伤灵敏度高、探测速度快、不需要耦合，是一种非接触式的探伤方法，易于实现自动化。由于趋肤效应，涡流探伤只能用来探测表面及近表面缺陷。涡流探伤的另一局限性是受表面状态的影响，如果钢轨表面过于粗糙，会产生过多的干扰信号而无法进行正常探伤。3.2.3质量要求如果发现超过探伤灵敏度相对应的缺陷当量，钢轨应报废或将有缺陷的部分切除。3.3在役钢轨探伤我国钢轨超声波探伤至今已走过了半个多世纪的历程。1950年，铁道部引进瑞士共振式超声波探伤仪检测钢轨，50年代钢轨探伤主要使用进口仪器，6025年代开始国产钢轨探伤仪，80年代先后推出了4通道、5通道甚至6通道的钢轨探伤仪，大大提高了探伤效率和探伤灵敏度，并不断应用数字技术、计算机技术和B型显示技术，以提高探伤仪的技术水平和探伤性能。80年代后期和90年代，先后引进十余辆大型钢轨探伤车，现已形成生产能力，大大改变了我国探伤设备的落后局面。超声波探伤是钢轨上线运营后监测内部质量的唯一手段。我国铁路线路里程巨大，运输密度高，对钢轨使用状态的要求可谓最高，尤其是大运量、重载货运专线及高速客运专线。从全国铁路总体看，要监控如此巨大里程数、运输密度的线路钢轨内部质量，必须不断改进提高探伤技术水平、应用先进探伤设备。在役钢轨的探伤主要是检查钢轨在使用过程中产生的疲劳缺陷，即各种疲劳裂纹，主要是轨头核伤、螺孔裂纹和其他各种方向的裂纹，还包括一些钢轨出厂漏检的材质缺陷，如严重的纵向夹杂等。由于缺陷类型、位置、方向等有很大区别，需要多只不同角度的探头进行扫查。轨头核伤、螺孔裂纹的探伤方法如图所示：图3.6 核伤探伤图3.7螺孔裂纹探伤目前，在役钢轨探伤工作主要由钢轨探伤小车和大型钢轨探伤车来执行。3.3.1钢轨探伤小车钢轨探伤小车是指能在钢轨上推行并同时对钢轨内部质量进行检测的小型26探伤设备。钢轨探伤小车作业场景如图3.8所示。我国钢轨探伤小车经过技术人员数十年的努力，得以不断发展，具有机动、灵活、方便、实用的特点，利用行车间隙时间上道作业。目前钢轨探伤小车已经达到7个通道，多探头同时工作，探头基本配置模式如图3.9所示。图3.8 钢轨探伤小车作业场景图3.9 钢轨探伤小车的探头布局示意图（1）0°探头：用于探测螺孔、颚部、轨腰及下三角区等水平裂纹，并可跟踪监视耦合状态及轨底失波以发现较大缺陷。灵敏度校准如图：（2）35°探头：用于探测螺孔的上下斜裂纹和轨腰伤损。灵敏度校准如图：27（3）70°探头：有的是70°+70°组合探头，其中一只晶片内斜18°，以二次波探测为主。另一只为直打晶片，用一次波探轨头中部，并与另一只探头中的直打晶片共用一个通道，探测深度45mm 左右。有的是普通70°单探头，主要探外侧，以二次波探测为主，并适当提高一次波的检测能力。斜70°探头灵敏度校准如图：直70°探头灵敏度校准如图：3.3.2大型钢轨探伤车大型钢轨探伤车是指能够在铁路上运行并在运行当中对两根钢轨中的伤损同时进行无损检测的专用车辆。一般自带动力，也可由其他车辆牵引独立编组运行。大型钢轨探伤车是一种集合了声学、机械、电子、自控和计算机等多种专业技术的大型高科技探伤设备，包括了动力车辆系统、超声探头、模拟处理、数字处理、信息分析处理、系统控制、显示和存储系统、机械伺服系统及其它辅助系统等，自动化程度高、技术难度大。其研制初始最早可追溯到1928年，至今已经过了80年的漫长发展历程。大型钢轨探伤车的一个重要指标是探伤速度，探伤速度可反映出探伤车自身技术水平的高低，不过，探伤速度不是一个完全独立的指标，它与线路状况、钢轨条件、探伤要求（如探伤灵敏度）、耦合方式、超声激励类型等其他许多因素有关。一般可达40km/h，较好的已能达到60km/h甚至更高，可探测5mm当量以上的缺陷。大型钢轨探伤车比探伤小车通道数更多、探头数更多，有轮式和滑靴式两种类型，超声波传感器有压电式和电磁式两种，也是只能从钢轨踏面进行检测，探28头布局与探伤小车大同小异。轮式超声探头及探头机械架构如图3.10所示。图3.10 大型钢轨探伤车轮式超声探头及机械结构3.4在役钢轨探伤的局限性①在役钢轨与新制钢轨探伤不同，无论是钢轨探伤小车还是大型钢轨探伤车都受扣件、焊接接头突出量、鱼尾板、道岔等线路结构的影响，只能从钢轨踏面进行。其钢轨横断面检测范围如图3.11所示，轨底大部分未能探测到，而轨底部分是钢轨薄弱环节，疲劳伤损的多发区域。图3.11在役钢轨探伤的横断面检测范围②钢轨探伤小车推行速度慢，在高密度行车线路上，上下道频繁，给铁道车辆运行及探伤人员都带来安全隐患。③大型钢轨探伤车相对速度快，导致探伤准确性和探伤灵敏度受影响。29第4章 钢轨焊缝探伤技术4.1钢轨焊缝探伤的意义和要求无缝线路（Continuously Welded Rail Track）是将许多根标准长度钢轨焊接成相当长的轨条并铺布在轨枕上的线路。与普通线路相比，列车冲击振动少，运行平稳，旅客舒适；降低轨道养护维修费用；延长钢轨和机车车辆使用寿命；减轻机车车辆冲击轨缝的噪声，有利于环境保护。近年来，我国铁路无缝线路得到了长足发展，其延伸长度已经超过6万公里，超过线路总里程的70%以上，为铁路高速、重载发展奠定了坚实的基础。图4.1铁道部统计数据:无缝线路里程（2007年）钢轨焊接主要有闪光焊、气压焊和铝热焊三种不同的焊接方法，相应地有闪光焊、气压焊和铝热焊三种不同的焊缝形式。基地钢轨焊接采用固定式闪光焊接，工地钢轨焊接宜优先采用移动式闪光焊接，道岔内及两端与线路连接的钢轨锁定焊、原位修复等可采用铝热焊。在焊接过程中，由于焊接方法、工艺、材料、环境等诸多因素的影响，焊缝中经常出现各种危害性缺陷。在使用过程中，焊缝中还会产生疲劳伤损，或疲劳裂纹。这些缺陷如不及时检出，可能造成钢轨早期折断，以至酿成重大交通事故。30铝热焊 气压焊闪光焊 电弧焊图4.2常用钢轨焊接形式钢轨焊缝探伤，实际上还应包括焊缝两边的热影响区探伤。热影响区的机械性能及其均匀性往往已发生变化，一些微小缺陷甚至没有明显的缺陷就可能造成钢轨的折断，因而热影响区也应是钢轨焊缝探伤的重要区域。近几年的统计数据表明，全路三分之二以上的断轨都发生在钢轨接头区域，其中不少断轨发生在热影响区。事实上，钢轨接头已成了线路最薄弱的环节。加强这一部位的探伤，已成为减少断轨，确保安全最直接、最有效的方法。钢轨焊缝探伤从技术上要比钢轨探伤难得多。钢轨中的各种缺陷从技术上都是可以探出来的，其困难在于现场作业条件差。钢轨焊缝探伤则有所不同，由于光斑和灰斑等缺陷发射很弱，因此探测十分困难。另外，焊缝中的缺陷和各种焊缝轮廓发射面都集中在一个很小的区域，反射波相互干扰，不易分辨，很容易造成误判或漏检。开展钢轨焊缝或接头探伤，首先要选用一种科学合理的探伤方法，能够对焊缝及其热影响区进行全面扫查，同时要采用高频率、高灵敏度、高分辨率的探伤仪器和探头，以提高缺陷的检测灵敏度和分辨率，防止漏检和误判。314.2钢轨焊缝缺陷及探伤方法4.2.1焊缝缺陷钢轨焊缝探伤（包括热影响区在内）时，会遇到各种各样的缺陷。根据缺陷形成的不同时期，习惯上常把它们分成如下三类。（1）材质缺陷：主要有夹杂、疏松、裂纹等。（2）焊接缺陷：焊接缺陷类型较多，主要有夹杂、疏松﹑缩孔﹑过烧﹑光斑、灰斑﹑未焊透和裂纹等。（3）疲劳缺陷：即疲劳裂纹，裂纹源往往是上述焊接缺陷或材质缺陷。 从超声波探伤的角度来划分，往往根据形状把缺陷分为体积状（或点状）缺陷和平面状缺陷两大类：（1）体积状（或点状）缺陷：主要有夹杂、疏松﹑缩孔﹑过烧等。（2）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，而且还可造成应力集中，使焊缝直接拉开或使钢轨折断，因而是最危险的缺陷。图4.3部分缺陷类型4.2.2探伤方法焊缝中的体积状缺陷比较容易探测，这类缺陷没有明显的方向性，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，与其他工件探伤或板材焊缝探伤没有明显区别。32图4.4体积状缺陷检测平面状缺陷的探测则要困难得多，其原因主要是平面状缺陷一般都平行于焊缝，只能用横波探头探伤，反射波会按反射定律在其他方向传播，无法直接返回探头。同一个探头无法收到反射波，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，平面状缺陷一般要用双探头法进行探测。图4.5平面状缺陷的反射声路 图4.6直角反射4.3平面状缺陷的探测（1）直角反射当缺陷靠近工件某一界面时，可以利用直角反射进行探测。由于缺陷靠近界面，反射声波与入射声波在探测面上分开的距离较小，因而可以使用同一个探头进行接收。（2）K型扫查两只探头分别放置在焊缝相对的两个探测面上，一只发射，一只接收，扫查时两探头需要相对或相背等速移动。图4.7 K型扫查33（3）串列式扫查声波经缺陷和底面两次反射后反射到探测面，被另一只探头接收，两探头一前一后放置。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?2?h?tg?可见，两探头分开的距离越大，探测点越高；反之，分开的距离越小，探测点越低（离底面越近）。所以，当两探头有分到合或由合到分移动时，探测点就从焊缝上部到底部或从底部到上部进行一遍扫查。图4.8串列式扫查（4）阵列式扫查阵列式扫查是使用若干对探头对焊缝不同部位分别进行探测，是串列式扫查或K型扫查的演变形式。其优点是不需要扫查装置，也不用移动探头。缺点是探头较长，耦合难度较大；且阵列式扫查属于分段扫查方法，声场在焊缝上的分布不够均匀，定位定量不如连续扫查方法准确。图4.9阵列式扫查双探头扫查的特点：K型扫查和串列式扫查有如下两个显著特点：（1）不管缺陷在焊缝的什么位置，声波传播的总距离都一样，回波在荧光屏上34的位置也相对固定，因而给判伤带来极大方便。串列式扫查时声波传播的总距离W刚好等于K型扫查时传播距离的2倍，W与钢轨的高度H和探头的折射角度β有关，如式：W?2H cos?（2）扫查时两探头需要相对或相背等速移动，手工操作难度较大，需经过熟练掌握；一般要借助专门的扫查装置。4.4钢轨焊缝的分区探测对钢轨焊缝进行探伤时，一般是将焊缝划分为四个区域，或四种不同的区域类型，以采用不同的方式进行扫查，如图所示。图4.10钢轨焊缝探伤分区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，若轨底允许放置探头，也可采用K型扫查。2区：轨底部分一般采用K型扫查。3区：轨底角部分一般采用单探头进行扫查，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，也可以用70°探头按探测核伤的方式进行单探头法扫查。可见，钢轨焊缝探伤需应用单探头法和双探头法相结合进行探伤。354.5探伤灵敏度的校准4.5.1 双探头探伤4.5.1.1 轨腰部位4.5.1.1.1K型扫查：将GHT-1a试块上距踏面90mm的3号平底孔反射波高调整到满幅度的80％(如图1所示)，然后根据探测面情况进行适当表面耦合补偿(一般为2 dB～6 dB)，作为轨腰部位的探伤灵敏度。4.5.1.1.2串列式扫查：将GHT-1a试块上距轨底40 mm的4号平底孔反射波高调整到满幅度的80％(如图2所示)，然后根据探测面情况进行适当表面耦合补偿(一般为2 dB～6 dB)，作为轨腰部位的探伤灵敏度。4.5.1.2 轨头部位将GHT-1b试块上2号平底孔反射波高调整到满幅度的80％(如图3所示)，然后根据探测面情况进行适当表面耦合补偿(一般为2 dB～6dB)，作为轨头部位的探伤灵敏度。364.5.1.3 轨底部位将GHT-1a试块上5号平底孔反射波高调整到满幅度的80％(如图4所示)，然后根据探测面情况进行适当表面耦合补偿(一般为2 dB～6 dB)，作为轨底探伤灵敏度。4.5.2 单探头探伤4.5.2.1 轨头和轨腰部位将GHT-5试块B区(或GHT-3试块，下同)8号横孔(K0.8～K1探头)反射波高调整到满幅度的80％(如图5所示)，然后根据探测面情况进行适当表面耦合补偿(一般为2 dB～6 dB)，作为K0.8～K1探头探测轨头和轨腰部位的探伤灵敏度。将GHT-5试块B区5号横孔(K≥2探头)反射波调整到满幅度的80％(参照图5)，然后根据探测面情况进行适当表面耦合补偿(一般为2 dB～6 dB)，作为K≥2探头探测轨头部位的探伤灵敏度。4.5.2.2 轨底部位将GHT-5试块C区(或GHT-4试块，下同)2号竖孔上棱角的二次反射波调整到满幅度的80％(如图6所示)，然后根据探测面情况进行适当表面耦合补偿(一般为2 dB～6 dB)，作为轨底单探头探伤灵敏度。374.5.3 铝热焊焊缝0°探头探伤将GHT-5试块A区(或GHT-2试块，下同)7号横孔反射波高调整到满幅度的80％(如图7所示)，然后根据探测面情况进行适当表面耦合补偿(一般为2 dB～6 dB)，作为0°探头的探伤灵敏度。4.6钢轨焊缝超声波探伤缺陷判定铝热焊0°探头探伤时焊缝底波比正常底波低16dB及以上或焊缝出现以下缺陷时，焊缝判废，应重新焊接。1 双探头探伤轨底角部位（20mm） ≥φ3-6dB 平底孔当量其它部位 ≥φ3 平底孔当量2 横波单探头探伤轨头和轨腰 ≥φ3 长横孔当量轨底 ≥φ4 竖孔当量轨底角（20mm） ≥φ4-6dB 竖孔当量3 铝热焊0°探头 ≥φ5 长横孔当量4 焊缝中存在平面状缺陷。5 缺陷当量比上述规定低3dB或以内，但延伸长度大于6mm。4.7钢轨焊补探伤钢轨焊补探伤应做好如下三个环节：4.7.1焊补前探伤钢轨在焊补前应通过打磨彻底清除裂纹，为保证打磨效果，需要经过探伤确认后在焊补。可以通过磁粉探伤或者渗透探伤，磁粉探伤由于可以检测表面及近38表面裂纹，更适合一些。图4.11打磨后磁粉探伤4.7.2焊补后探伤钢轨焊补后应进行探伤，为确保焊补质量，可采用多种探伤方法。4.7.3监控探伤钢轨焊补初期，要加强探伤和监控。39第5章 工务探伤常用标准汇总工务系统钢轨及钢轨焊缝探伤的常用标准有：1探伤管理铁运[号 钢轨探伤管理规则2产品及作业标准YB/T 951-2003 钢轨超声波探伤方法TB/T 5 钢轨焊接 第1部分：通用技术条件TB/T 5 工务作业标准 钢轨超声波探伤作业TB/T 7 工务作业 第21部分：钢轨焊缝超声波探伤作业3仪器设备相关TB/T
钢轨超声波探伤探头技术条件TB/T
多通道A型显示钢轨超声波探伤仪技术条件 JB/T
A型脉冲反射式超声探伤仪通用技术条件JB/T
超声探伤用探头性能测试方法40第6章 探伤作业质量控制影响探伤工作效果的因素较多，需从各方面贯彻执行才能达到良好的探伤作业质量。1探伤人员：探伤铁道部门无损检测人员技术资格鉴定考核委员会颁发的Ⅱ级及以上级别的技术资格证书，并经过钢轨焊缝探伤技术培训方能独立上岗作业。从业人员必须通过资格鉴定与认证，不断积累探伤经验，提高专业技术水平；学习钢轨及焊缝相关知识，学习高速、重载铁路的特点和规律；牢固树立安全、高质量的理念，提高责任心。2标准规范：铁道部、铁路局、工务段等各级作业标准、规范、规程等要严格执行，做到有法可依、有章可循。3设备器材：超声波探伤仪、探头、试块性能要符合标准规范要求，并且配备齐全。按要求对仪器设备性能进行周期性测试与校准，保证设备器材的良好工作状态。 4工艺方法：根据探伤对象的结构、材质、缺陷等特点，合理解读标准规范的相关规定，制定可操作性强的作业指导书。5管理监督：探伤作业具有流动性大、技术性强和安全责任重等特点，为适应铁路运输的发展，加强钢轨探伤管理，有效组织生产、学习、考核、监督等，及时发现探伤作业中存在的问题，提高钢轨探伤作业质量。41
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