鋼軌焊縫平面狀缺陷探測(cè)研究

1、鋼軌焊縫平面狀缺陷探測(cè)研究黎連修熊曉蘭仲東民(鐵道部科學(xué)研究院金化所,北京100081摘要簡(jiǎn)要介紹鋼軌焊縫中的缺陷及其探測(cè)方法,重點(diǎn)研究雙探頭探傷時(shí)平面狀缺陷反射幅度與缺陷位置的關(guān)系和單探頭探測(cè)軌腳時(shí)聲波的傳播規(guī)律及探頭偏角的選擇等。主題詞鋼軌焊縫缺陷探頭超聲檢驗(yàn)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我國(guó)鋼軌焊縫有氣壓焊縫、接觸焊縫和鋁熱焊縫等三種不同的形式。這些焊縫在焊接和使用過(guò)程中,會(huì)產(chǎn)生各種各樣的缺陷,其中有些是體積狀或點(diǎn)狀的,如氣孔、過(guò)燒、疏松和夾渣等;有些則是平面狀的,如光斑、灰斑、未焊合和疲勞裂紋等。平面狀缺陷十分危險(xiǎn),它不僅減小了鋼軌的有效截面,而且還可造

4、成應(yīng)力集中,甚至導(dǎo)致焊縫拉開(kāi)或鋼軌斷裂。為確保行車安全,必須將這些缺陷及早檢出。體積狀缺陷較易檢測(cè),一般用普通的單探頭法就可完成。平面狀缺陷則由于鋼軌斷面形狀復(fù)雜,大部分地方厚度較大,除少數(shù)靠近界面的缺陷外,一般都須使用雙探頭法,因而探測(cè)十分困難。本文將重點(diǎn)對(duì)平面狀缺陷和軌腳處缺陷的探測(cè)問(wèn)題進(jìn)行研究。1平面狀缺陷的探測(cè)1.1直角反射平面狀缺陷的探測(cè)要依據(jù)直角反射原理。如圖1所示,聲波經(jīng)缺陷和底面或側(cè)面兩次反射后,又沿與入射波平行的方向返回到探測(cè)面,根據(jù)幾何聲學(xué)原理,可得兩聲波在探測(cè)面上平行分開(kāi)的距離L為L(zhǎng)=2h tg=2K h(1式中K=tg 探頭的折射角圖1串列式掃查h缺陷或反射點(diǎn)距底面的距

5、離可以看出,L與和h有關(guān),探頭的折射角越大,兩聲束分開(kāi)的距離L也越大,缺陷離底面越遠(yuǎn)(即h越大,則L也就越大,反之亦然。當(dāng)L小于探頭的覆蓋范圍時(shí),就可用同一探頭接收反射波,這就是單探頭法探測(cè)平面缺陷的原理。當(dāng)缺陷距底面過(guò)遠(yuǎn),使得L大于探頭的覆蓋范圍時(shí),同一探頭不再能接收到自己的反射波,此時(shí)就須使用雙探頭法進(jìn)行探測(cè)。當(dāng)探頭如圖1所示方式放置時(shí),稱為串列掃查;當(dāng)如圖2所示方式放置時(shí),習(xí)慣上稱為K型掃查,前者可用于軌腰缺陷的探測(cè),而后者則可用于軌底和軌頭缺陷的探測(cè)。兩種掃查方式的聲波傳播距離都為常數(shù),且串列掃查的距離剛好為K型掃查的一倍,與缺陷在焊縫上的位置無(wú)關(guān),因而缺陷波在屏幕上的位置不變,給缺陷

6、判斷帶933第22卷第8期2000年8月無(wú)損檢測(cè)ND TV o l.22N o.8A ug.2000 圖2K型掃查來(lái)許多方便。不過(guò),掃查時(shí)兩探頭須相對(duì)或相背等速移動(dòng),一般需要借助專門的機(jī)械裝置或陣列探頭才能進(jìn)行掃查。1.2缺陷當(dāng)量大小的測(cè)定單探頭法探傷時(shí),缺陷聲程隨其位置不同而不同,但缺陷上的入射波和反射波所走路程卻恒等。雙探頭法探傷時(shí),聲波傳播的總距離為一常數(shù),缺陷波出現(xiàn)的位置固定,與缺陷位置無(wú)關(guān),但入射波和反射,因而擴(kuò)散程度也不相同,同樣大小的缺陷,反射波高會(huì)隨缺陷位置的變化而變化。設(shè)缺陷為小的平面缺陷,且處于遠(yuǎn)場(chǎng),入射聲波傳播的距離為x1,反射聲波傳播的距離為x2,若不考慮鋼軌界面對(duì)聲波

7、的影響,并且只研究反射聲波的相對(duì)幅值,則根據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)中聲壓與距離成反比的規(guī)律1,缺陷的反射聲壓P可以表示為P=Sx1x2= Sx(m-x(2式中m聲波傳播的總路程m=x1+x2x代表x1或x2S缺陷面積比例系數(shù),與探頭、工件及缺陷反射規(guī)律等有關(guān)可見(jiàn),缺陷反射聲壓或其當(dāng)量大小與x1和x2的乘積成反比,該乘積越大,反射波幅度越低,反之則越高。令式(2的d P d x=0得x=m 2,即x1=x2這就是反射波幅達(dá)到最小值的條件。對(duì)于串列式掃查來(lái)說(shuō),同樣大小的缺陷,靠近焊縫頂部時(shí),x1和x2差別大,反射幅度高;靠近底部時(shí),x1和x2差別小,反射幅度低,或當(dāng)量值小。表1給出了<3mm平底孔的反射幅度隨

8、位置的變化規(guī)律,測(cè)試用探頭的=37°,波長(zhǎng)=1.18mm,近場(chǎng)長(zhǎng)度約為40mm,表中H為缺陷距探測(cè)面的距離,實(shí)驗(yàn)用鋼軌高176mm,可以看出,在近場(chǎng)區(qū),反射幅度幾乎不隨H而變,在遠(yuǎn)場(chǎng),則隨H的增大而逐漸減小,與式(2的預(yù)見(jiàn)是吻合的。表1<3mm平底孔反射波幅的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較H mm理論值 dB實(shí)測(cè)值 dB H mm理論值 dB實(shí)測(cè)值 dB 5近場(chǎng)2712020.72230近場(chǎng)2715020.0216027.32816519.9199022.1262軌腳探測(cè)鋼軌軌腳呈斜劈狀,如圖3所示。此處截面積小,機(jī)械強(qiáng)度低,但受力卻很大,往往一微小缺陷就會(huì)造成鋼軌折斷,是鋼軌焊縫中最危

9、險(xiǎn)的部位之一。圖3聲波在軌腳中的傳播鋼軌軌腳部位一般用單探頭法從軌底斜面上進(jìn)行探測(cè),一次波探測(cè)焊縫下部,二次波探測(cè)焊縫上部。二次波探傷時(shí),探測(cè)面不與軌底反射面平行,經(jīng)底面反射后的二次波便不在探頭的縱剖面內(nèi)。由于焊縫中的平面狀缺陷與鋼軌橫斷面平行,亦即與鋼軌縱剖面垂直,為得到缺陷的最大反射,應(yīng)使二次波與鋼軌縱剖面平行。文獻(xiàn)2已經(jīng)證明,當(dāng)探測(cè)面與底面不平行時(shí),二次波與工件(鋼軌縱剖面的夾角為=sin-1(sinsinco s2-co ssin2(3式中探頭相對(duì)于工件縱剖面的偏角,或者說(shuō)入射平面與鋼軌縱剖面的夾角探測(cè)面與底面的夾角,這里即為軌底斜面相對(duì)于軌底的傾角(圖3圖3中X O Z平面平行于鋼軌

10、縱剖面,O為原點(diǎn),O1為聲波在軌底上的反射點(diǎn),O2為在探測(cè)面上的反射點(diǎn),OO1為一次波,O1O2為二次波。令式(3中的=0,可得到二次波與鋼軌縱剖面平行的條件=sin-1tg2K或K sin=tg2(4當(dāng)探頭偏角滿足式(4時(shí),二次波便與鋼軌縱剖43面(X O Z平面平行,焊縫中的平面狀缺陷得到最大反射?？梢钥闯?與探頭K值和軌底斜面傾角有關(guān)。表2給出了K2和K2.5探頭在不同軌底傾角下,探頭所需偏角的大小,可以看出,計(jì)算值與實(shí)測(cè)值是相當(dāng)接近的。表2偏角計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較(°探頭K值軌底斜面傾角6.3414.0418.43計(jì)算值實(shí)測(cè)值計(jì)算值實(shí)測(cè)值計(jì)算值實(shí)測(cè)值26.56.415.515.

11、422.0222.02.55.26.012.311.317.5016.5另外,由于探測(cè)面不與軌底反射面平行,二次波探測(cè)到的缺陷就可能既不在探頭正前方,也不在X O Z平面內(nèi),可以證明,當(dāng)按式(4選擇探頭偏角時(shí),缺陷距入射點(diǎn)的橫向距離,即缺陷距X O Z平面的距離n為n=c sin2(5式中c探頭入射點(diǎn)處軌腳厚度c1215mm 3結(jié)論(1當(dāng)用雙探頭探測(cè)鋼軌焊縫時(shí),不管缺陷位于什么位置,聲波所傳播的總路程都相等,因而缺陷波在屏幕上出現(xiàn)的位置固定不變,但由于入射和反射兩段聲程不等,擴(kuò)展程度不同,因而反射波的幅度,或缺陷的當(dāng)量大小會(huì)因缺陷的位置不同而變化。兩段聲程相差越遠(yuǎn),反射越高;相差越小,反射越低

12、。(2探測(cè)軌腳缺陷時(shí),探測(cè)面與軌底反射面有一夾角,二次波不在入射平面內(nèi),為更有效地探測(cè)橫向缺陷,可根據(jù)不同的探頭K值和軌底傾角,將探頭傾斜一角度=sin-1(tg2 K,以使二次波與鋼軌縱剖面平行,這樣不僅可提高二次波對(duì)橫向缺陷的檢出率,而且對(duì)一次波的探測(cè)沒(méi)有任何不利影響。參考文獻(xiàn)1超聲波探傷編寫組.超聲波探傷.北京:電力工業(yè)出版社,1980.2黎連修等.鋼軌核傷超聲波檢測(cè)研究.無(wú)損檢測(cè),1993, 15(3:61-62收稿日期:1999208209簡(jiǎn)訊2000年全國(guó)射線檢測(cè)新技術(shù)研討暨設(shè)備展示會(huì)在蘭州召開(kāi)由中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)分會(huì)射線專業(yè)委員會(huì)組織召開(kāi)的“2000年全國(guó)射線檢測(cè)新技術(shù)研討

13、暨設(shè)備展示會(huì)”于2000年6月1618日在甘肅省蘭州市舉行。來(lái)自全國(guó)各地從事射線檢測(cè)的技術(shù)人員及射線檢測(cè)設(shè)備制造廠商共62人參加了會(huì)議,他們分別來(lái)自機(jī)械、兵器、公安、電子、石油、化工及核工業(yè)等系統(tǒng)及有關(guān)大專院校。本次會(huì)議共收到有關(guān)射線檢測(cè)新技術(shù)方面的論文28篇。這些論文已錄入大會(huì)論文集,有18篇論文在大會(huì)宣讀交流。與會(huì)代表普遍認(rèn)為本次會(huì)議的論文具有較高的水平,較集中地反映了我國(guó)近幾年來(lái)射線檢測(cè)新技術(shù)中關(guān)于實(shí)時(shí)成象、工業(yè)CT、數(shù)字成象領(lǐng)域研究和應(yīng)用的新成果。如射線數(shù)字成象技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀、面板式射線數(shù)字成象系統(tǒng)的應(yīng)用、工業(yè)射線圖象的退化與恢復(fù)、射線檢測(cè)圖象增強(qiáng)技術(shù)、X射線實(shí)時(shí)成象檢測(cè)技術(shù)在天然氣長(zhǎng)輸管道中應(yīng)用的可行性研究、GB17925-1999標(biāo)準(zhǔn)介紹、實(shí)時(shí)成象檢測(cè)在鍋爐壓力容器方面的應(yīng)用、工業(yè)CT在衛(wèi)星產(chǎn)品檢測(cè)中的應(yīng)用、高能加速器檢測(cè)在海關(guān)集裝箱檢驗(yàn)中的應(yīng)用、高能加速器的研制與應(yīng)用、X射線機(jī)的計(jì)算機(jī)程序編制等方面的論