地铁钢轨焊点伤损超声波探伤方法研究

陶庆春

摘要：随着社会经济不断发展，我国城市现代化建设发展迅速，地铁这一新型交通形式，在现代城市得到了越来越广泛的应用，极大地提高城市的交通运输能力，方便了人们的出行和生活。地铁作为一种轨道交通工具，对于钢轨焊接质量有着极高且严苛的标准要求，并且这一质量要求直接影响着地铁的运行性能和安全，如地铁钢轨存在焊接伤损问题，就会给地铁运营埋下巨大的质量隐患和安全隐患。超声波探伤是一种新型的无损探伤技术，具有无损伤、便捷、精确等应用优势，可对工件内部气孔、裂纹、砂眼等多种伤损情况进行判断、检测和定位。笔者即从超声波探伤技术入手，就其在地铁钢轨焊点伤损探伤中的应用方法，发表几点看法，以供相关人员参考。

关键词：地铁钢轨；焊点伤损；超声波探伤；方法研究

超声波探伤具体是指借助超声波深入金属材质内部，通过检测超声波由一截面进入另一截面反射发生情况的方式，对工件内部缺陷进行判断、分析、定位的一种新型无损伤探伤技术。与传统探伤技术相比，超声波探伤主要具有无损伤、操作便捷、探伤精准等特点，可实现对裂纹、气孔、砂眼等多种工件内部伤损情况的科学判断。近几年，我国城市地铁轨道工程建设发展迅速，促进城市地铁进一步普及和应用的同时，对于地铁钢轨焊接施工质量，提出了更高、更新，且更为严苛的要求。但就我国当前的地铁钢轨焊接工程来看，其信号连接线部分仍普遍存在着轨底角损伤的问题，并且使用常规性探伤技术和方法，很难发展这一问题。本文即围绕超声波探伤技术，就其在地铁钢轨焊点探伤中的应用方法，进行了分析和探讨，具体内容如下：

一、超声波探伤技术概述

超声波探伤技术具体是指借助相关探测仪器向目标金属内部发射超声波，并回收该超声波，通过分析超声波在金属体内部不同截面的反射发生情况的方式，判断金属工件内部伤损情况的一种无损伤探伤技术。就超声波探伤实践而言，操作人员需控制探头由工件表面将超声波束发射至金属内部，如金属工件内部存在缺陷，该超声波束就会在接触缺陷和零件地面的同时，分别产生不同的反射波，操作人员只要观察显示器中超声波脉冲波形的变化情况，即可完成对工件内部缺陷位置、大小等信息，进行分析和判断，如图一所示。

超声波探测仪是一种工业无损探伤仪器，具有方便、快捷、操作简便等优点，可实现工件内部多种缺陷的精确判断，具体包括砂眼、气孔、裂纹等等，在工程现场、实验室等多个领域，有着广泛且深入的应用。超声波探测技术主要具有以下几点特征：一，超声波在介质内传播时，可在不同的质界面上发生反射，如工件内存在缺陷，且缺陷的实际尺寸超过或等于超声波波长，则操作人员就可在探伤仪上观察到相应的变化，如缺陷实际尺寸不足，声波将无法反射；二，超声波的频率高，指向性好，可以以较窄的波束形式在介质中辐射和传播，有利于工件内部缺陷的精准确定；三，超声波具有较大的传播能量。以频率为1MHZ的超声波为例，其具有的传播能量，约是频率为1000HZ、振幅相同的声波的百万倍。

图一超声波探伤仪示意图

二、地铁钢轨焊点常见损伤问题概述

现代地铁铁路中，不同钢轨间的连接部分，也就是信号连接线，普遍采用堆焊的方式与钢轨轨底斜面焊接。一般来说，这部分焊点的直径约为50.0mm，且母材相对较大，横截面积多在90.0~95.0mm2之间。这种特性主要是由于信号连接线的特殊作用导致，其在地铁运营过程中，不仅作为连接不同钢轨间的行车信号显示，同时也是牵引车供电系统重要的回流电路。受此影响，钢轨焊点面积也会相应的增大，通常直径保持在35.0~40.0mm区间。此时，信号连接线焊接的焊点温度可达到1300℃，而被直接影响和破坏的钢轨轨底金相组织仅有15.0mm左右，故而较容易发生焊点部位的伤损问题。

另一方面，由于信号连接线对应的焊点位置，处接头鱼尾板两端头约70.0mm位置，相距钢轨轨底边沿约5.0~10.0mm，故又称为轨底角。同时，焊点另一侧距离钢轨的实际扣板距离仅有25.0~70.0mm。这就容易造成焊点周边的实际面积较为狭小，进而导致这部分损伤不容易被常规的探伤技术和方法所发现。

三、超声波探伤技术方法分析

首先，就地铁钢轨线路而言，钢轨普遍处于铺设运营状态，因此钢轨焊点的横向裂纹仅能使用横波探头进行探测。从超声波探伤实践的角度出发，操作人员应优先选择沿钢轨纵向在轨底斜面进行扫查的直角反射扫查方式。此时，操作人员可以确认声波不与裂纹平面相互垂直，想要获得有效的反射波，就必须借助裂纹粗糙表面发生的散射，以及裂纹与轨底斜面相组成的近似的直角反射。

直角扫射具体是指两个相互垂直平面对应交叉线周边产生的反射，具体如图二所示。当超声波束由α角进入一平面时，会以相同的角度反射到另一平面，此时另一平面上的入射角即可使用（90-α）°表示。同时，这样直角上发生的反射波恰好与入射波保持平行，从而可以有效返回到探测面，并被探头所接收，再多数情况下，横向裂纹都可以采用这一方法进行探测。在实际操作过程中，操作人员需注意入射超声波束与直角棱的垂直控制，如二者不相互垂直，则反射波注定会偏离既定平行方向，从而产生一大于零的角度，影响超声波探伤工作的有效进行。

图二直角反射原理示意图

结语：

综上所述，随着城市地铁轨道工程建设进程不断加快，相关单位及人员必须全面加强对轨道焊点伤损探伤的重视和关注，从地铁钢轨焊点伤损一般表现入手，结合超声波探伤基本原理，合理选用直角扫射的探伤方法，提高探伤精准度和有效性，从而保障我国地铁事业的进一步健康发展。

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