鋼軌焊縫平面狀缺陷探測研究

1、鋼軌焊縫平面狀缺陷探測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摘要簡要介紹鋼軌焊縫中的缺陷及其探測方法,重點研究雙探頭探傷時平面狀缺陷反射幅度與缺陷位置的關(guān)系和單探頭探測軌腳時聲波的傳播規(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程中,會產(chǎn)生各種各樣的缺陷,其中有些是體積狀或點狀的,如氣孔、過燒、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,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,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,因而探測十分困難。本文將重點對平面狀缺陷和軌腳處缺陷的探測問題進(jìn)行研究。1平面狀缺陷的探測1.1直角反射平面狀缺陷的探測要依據(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面,根據(jù)幾何聲學(xué)原理,可得兩聲波在探測面上平行分開的距離L為L=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,就可用同一探頭接收反射波,這就是單探頭法探測平面缺陷的原理。當(dāng)缺陷距底面過遠(yuǎn),使得L大于探頭的覆蓋范圍時,同一探頭不再能接收到自己的反射波,此時就須使用雙探頭法進(jìn)行探測。當(dāng)探頭如圖1所示方式放置時,稱為串列掃查;當(dāng)如圖2所示方式放置時,習(xí)慣上稱為K型掃查,前者可用于軌腰缺陷的探測,而后者則可用于軌底和軌頭缺陷的探測。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月無損檢測ND TV o l.22N o.8A ug.2000 圖2K型掃查來許多方便。不過,掃查時兩探頭須相對或相背等速移動,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)量大小的測定單探頭法探傷時,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,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,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聲波

7、的影響,并且只研究反射聲波的相對幅值,則根據(jù)遠(yuǎn)場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,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。對于串列式掃查來說,同樣大小的缺陷,靠近焊縫頂部時,x1和x2差別大,反射幅度高;靠近底部時,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,測試用探頭的=37°,波長=1.18mm,近場長度約為40mm,表中H為缺陷距探測面的距離,實驗用鋼軌高176mm,可以看出,在近場區(qū),反射幅度幾乎不隨H而變,在遠(yuǎn)場,則隨H的增大而逐漸減小,與式(2的預(yù)見是吻合的。表1<3mm平底孔反射波幅的計算值與實測值的比較H mm理論值 dB實測值 dB H mm理論值 dB實測值 dB 5近場2712020.72230近場2715020.0216027.32816519.9199022.1262軌腳探測鋼軌軌腳呈斜劈狀,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造成鋼軌折斷,是鋼軌焊縫中最危

9、險的部位之一。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,一次波探測焊縫下部,二次波探測焊縫上部。二次波探傷時,探測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)探測面與底面不平行時,二次波與工件(鋼軌縱剖面的夾角為=sin-1(sinsinco s2-co ssin2(3式中探頭相對于工件縱剖面的偏角,或者說入射平面與鋼軌縱剖面的夾角探測面與底面的夾角,這里即為軌底斜面相對于軌底的傾角(圖3圖3中X O Z平面平行于鋼軌

10、縱剖面,O為原點,O1為聲波在軌底上的反射點,O2為在探測面上的反射點,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,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。可以看出,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,計算值與實測值是相當(dāng)接近的。表2偏角計算值與實測值比較(°探頭K值軌底斜面傾角6.3414.0418.43計算值實測值計算值實測值計算值實測值26.56.415.515.

11、422.0222.02.55.26.012.311.317.5016.5另外,由于探測面不與軌底反射面平行,二次波探測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,缺陷距入射點的橫向距離,即缺陷距X O Z平面的距離n為n=c sin2(5式中c探頭入射點處軌腳厚度c1215mm 3結(jié)論(1當(dāng)用雙探頭探測鋼軌焊縫時,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探測軌腳缺陷時,探測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橫向缺陷的檢出率,而且對一次波的探測沒有任何不利影響。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研究.無損檢測,1993, 15(3:61-62收稿日期:1999208209簡訊2000年全國射線檢測新技術(shù)研討暨設(shè)備展示會在蘭州召開由中國機(jī)械工程學(xué)會無損檢測分會射線專業(yè)委員會組織召開的“2000年全國射線檢測新技術(shù)研討

13、暨設(shè)備展示會”于2000年6月1618日在甘肅省蘭州市舉行。來自全國各地從事射線檢測的技術(shù)人員及射線檢測設(shè)備制造廠商共62人參加了會議,他們分別來自機(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。本次會議共收到有關(guān)射線檢測新技術(shù)方面的論文28篇。這些論文已錄入大會論文集,有18篇論文在大會宣讀交流。與會代表普遍認(rèn)為本次會議的論文具有較高的水平,較集中地反映了我國近幾年來射線檢測新技術(shù)中關(guān)于實時成象、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)、射線檢測圖象增強(qiáng)技術(shù)、X射線實時成象檢測技術(shù)在天然氣長輸管道中應(yīng)用的可行性研究、GB17925-1999標(biāo)準(zhǔn)介紹、實時成象檢測在鍋爐壓力容器方面的應(yīng)用、工業(yè)CT在衛(wèi)星產(chǎn)品檢測中的應(yīng)用、高能加速器檢測在海關(guān)集裝箱檢驗中的應(yīng)用、高能加速器的研制與應(yīng)用、X射線機(jī)的計算機(jī)程序編制等方面的論