段春輝，石洪生

（1. 中國鐵路太原局集團有限公司 工務處，山西 太原 030013；2. 大秦鐵路股份有限公司 茶塢工務段，北京 101402）

0 引言

鋼軌焊縫是無縫線路的重要組成部分，是確保鋼軌連續(xù)性、平順性的關鍵環(huán)節(jié)，但也是鋼軌軌條的薄弱處所，是鋼軌傷損頻發(fā)的重災區(qū)和斷軌的高發(fā)區(qū)[1]。尤其是鋁熱焊縫，受焊接工藝所限，其強度僅相當于鋼軌母材的60%～70%，自身不足再加上外觀復雜的幾何形狀及焊接過程中復雜的應力，使鋁熱焊成為傷損頻發(fā)或折斷的高發(fā)區(qū)。以中國鐵路太原局集團有限公司（簡稱太原局集團公司）為例，2017年全局檢查發(fā)現(xiàn)重傷鋼軌4 261處，其中重傷焊縫2 931處（見圖1），占重傷總數(shù)的68.8%；2017年斷軌情況見圖2。焊縫傷損引發(fā)的斷軌數(shù)占斷軌總數(shù)的78%，而焊縫斷軌中鋁熱焊占比則高達89%。從以上數(shù)據(jù)不難看出，鋁熱焊的質(zhì)量檢測是防斷工作的根本。

1 現(xiàn)狀分析

當前鋼軌焊縫探傷主要采用超聲波探傷方式。超聲波探傷具有靈敏度高、穿透性強、成本低廉、技術成熟等優(yōu)勢，在鋼軌防斷工作中發(fā)揮了重要作用[2-3]，但超聲波探傷在焊縫探傷的實際應用中也暴露出以下3方面問題：

圖1 2017年度太原局集團公司鋼軌傷損數(shù)據(jù)

圖2 2017年太原局集團公司斷軌情況

（1）超聲波探傷自身存在不足。受檢測工件探測面耦合狀態(tài)、超聲波自身近場區(qū)干擾和阻塞效應的影響，超聲波探傷對于工件近表面的微小裂紋不敏感，而太原局集團公司為貨運大局、重載大局，盡管現(xiàn)場焊探傷周期較《鐵路線路修理規(guī)則》（簡稱《修規(guī)》）進行了加密（《修規(guī)》規(guī)定現(xiàn)場焊探傷周期為2遍/年，實際加密為3遍/年），但探傷周期仍達到4個月，重載鐵路運輸繁忙，沒有給探傷人員觀察傷損發(fā)展的時間，一些微小裂紋如不能及時發(fā)現(xiàn)就可能發(fā)生斷軌。

（2）超聲波探傷對探傷人員素質(zhì)要求較高。由于焊縫尤其是鋁熱焊縫焊筋粗大，焊渣、痂皮等附著物較多，超聲波反射嚴重，需要探傷人員主觀判定反射波是傷損還是雜波，尤其是焊筋邊緣部位傷損分辨較困難，現(xiàn)場應用中經(jīng)常出現(xiàn)漏判和誤判情況，這也是中國鐵路總公司要求焊縫探傷人員必須持有探傷2級證的原因所在。

（3）超聲波探傷對部分傷損無法獨立完成判別，必須借助其他手段進行輔助。在焊縫探傷過程中，有時會出現(xiàn)焊縫軌底部位兩側(cè)探傷時均定位在焊筋邊緣的回波顯示，通常是一強一弱，用手沾耦合劑進行拍打，探傷儀波形均有跳動，即使有經(jīng)驗的探傷人員也無法判別此種情況是焊縫夾角部位殘留焊渣導致的焊筋前后輪廓波，還是焊筋邊緣存在暗裂。通常需對軌底焊筋進行打磨，通過打磨后波形的變化判別是否為傷損。但該方法費時耗力、涉及面廣、周期較長，現(xiàn)場運用較少，一般還是采取多周期繼續(xù)觀察波形發(fā)展變化的方法，但無疑增加了傷損長期在線的安全風險[4]。

2 渦流檢測技術優(yōu)勢

基于焊縫探傷超聲波檢測存在的不足，結(jié)合鋁熱焊斷軌情況的統(tǒng)計分析，對焊縫探傷采取以超聲波檢測為主、渦流檢測為輔的方式，將渦流檢測技術引入焊縫探傷中。

2.1 焊縫折斷數(shù)據(jù)分析

通過對多年焊縫折斷情況的分析，認為渦流檢測技術可以幫助檢測出絕大多數(shù)的焊縫傷損，從而減少斷軌的發(fā)生。以太原局集團公司2017年焊縫折斷情況為例，在傷損導致的焊縫折斷中，除1處為鋁熱焊內(nèi)部疏松缺陷渦流檢測無法發(fā)現(xiàn)外，其余導致焊縫折斷的傷損均為渦流探傷可檢測的開口型傷損（與空氣相連接），占焊縫傷損導致斷軌總數(shù)的92%（見圖3）。幾種典型傷損導致的焊縫折斷見圖4—圖9。

2.2 技術優(yōu)勢分析

渦流檢測是一種利用電磁感應原理檢測金屬材料表面缺陷的探傷方法，其基本原理是用激磁線圈使導電構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生渦電流，借助探測線圈測定渦電流的變化量，從而獲得構(gòu)件缺陷的有關信息。渦流檢測是一種應用較廣泛的常規(guī)無損檢測技術，在國內(nèi)外鋼軌探傷中已有應用，但主要應用于鋼軌母材魚鱗傷的檢測，尚無在焊縫探傷應用的先例[5]。渦流檢測技術在焊縫探傷中應用的優(yōu)勢如下：

圖3 2017年太原局集團公司焊縫折斷情況

圖4 無明顯傷損的焊縫脆斷

圖5 軌底上表面?zhèn)麚p

圖6 軌底下表面?zhèn)麚p

圖7 軌頭顎部傷損

圖8 軌腰傷損

圖9 軌腰與軌底過渡圓弧處傷損

（1）適用于表面、近表面缺陷檢測，與超聲波檢測形成有效互補。在日常焊縫探傷過程中，焊縫內(nèi)部缺陷大多會被超聲波探傷及時、準確發(fā)現(xiàn)。造成斷軌的焊縫傷損主要集中在焊縫表面、近表面的3個區(qū)域：一是軌底傷損（見圖6），二是軌頭顎部傷損（見圖7），三是軌腰與軌底過渡圓弧處傷損（見圖9）。這些部位傷損產(chǎn)生的原因均為焊筋邊緣的溢流飛邊打磨不徹底，與鋼軌表面形成類似折疊裂紋的夾縫，造成應力集中，形成疲勞裂紋，最終導致焊縫折斷。其共同特點是均為表面、近表面?zhèn)麚p（焊筋下），這是渦流檢測應用于焊縫探傷的直接原因。

（2）檢測效率高，可應用于日常焊縫檢測。經(jīng)實測，在日常焊縫探傷過程中使用渦流探傷儀增加1遍對焊縫軌頭鄂部、軌腰與軌底過渡圓弧處及軌底的掃查，檢測時間增加不大于30 s，完全可在日常焊縫探傷中應用。而校對超聲波無法確定的表面、近表面缺陷則效率優(yōu)勢更加明顯，以往超聲波校對短則需要10余分鐘，如對軌底進行打磨驗證，甚至需要幾天的時間，而渦流檢測僅需十幾秒就可輕松驗證，且結(jié)果明確、定位精準，這是渦流檢測應用于焊縫探傷的主要原因。

（3）渦流探頭可在狹窄區(qū)域進行檢測。與超聲波探頭和工件的面接觸不同，渦流探頭與工件為點接觸，探頭可根據(jù)檢測場所要求定制不同的形狀（見圖10）。在以往日常探傷工作中，當無砟軌道地段焊縫軌底出現(xiàn)疑似傷損時，由于軌底空間不足，無法進行打磨確認，探傷人員往往處于“判則可能造成誤判，不判則可能造成漏檢”的兩難局面，而使用渦流專用探頭可輕松、快捷、準確地判定軌底是否存在開口型缺陷。

（4）對焊縫探測面要求不高，無需使用耦合劑。渦流檢測無需制備工件的探測面，可省去以往焊縫探傷除銹、除塵、涂抹和擦拭耦合劑等工序，更加方便快捷。

圖10 渦流探傷儀用于檢測不同部位焊縫的探頭

（5）檢測結(jié)果直觀，對作業(yè)人員要求不高。渦流檢測結(jié)果直觀，是典型的“傻瓜”式探傷方法。

3 試塊檢驗

鋁熱焊疑難傷損試塊（YN-1試塊）是在鋁熱焊縫易發(fā)生焊接缺陷和疲勞傷損的部位制作人工模擬傷損，以檢驗探傷人員和焊縫探傷儀器對焊縫傷損的綜合檢測能力。YN-1試塊1#—8#槽長度≥10 mm、寬度≥0.25 mm、深度≥5 mm，實測誤差≤0.05 mm。YN-1試塊圖紙見圖11。

使用渦流檢測儀，配備焊縫探頭和軌底探頭對YN-1試塊1#槽（軌頭下顎）、2#槽（軌腰與軌底過渡圓弧）、7#槽（軌底）進行檢測（見圖12—圖14）。

4 實際應用

4.1 鋼軌焊補修磨

對鋼軌軌頭剝離掉塊進行焊補修磨是保證線路平順性的重要手段。由于對軌頭破損處修磨不徹底，在鋼軌母材往往仍存有肉眼不可見微裂紋的情況就進行焊補，為傷損的產(chǎn)生埋下隱患。而超聲波探傷受自身局限及探測面狀況的影響，無法對這些微小裂紋進行檢測，磁粉探傷雖然可檢測到這些微小缺陷，但磁粉又會對焊補工作面造成二次污染，所以也未在實際焊補工作中普及，而渦流檢測則可以很好地發(fā)揮對表面和近表面缺陷檢測靈敏度高的探傷優(yōu)勢，且渦流檢測對探測面狀況要求不高，無需接觸檢測，也不需要耦合劑，更不會對探測面造成二次污染，可以邊修磨邊探傷，直到裂紋完全打磨干凈，從而徹底解決上述問題。

圖11 YN-1試塊圖紙

圖12 焊縫探頭掃查軌頭下顎

圖13 焊縫探頭掃查軌腰與軌底過渡圓弧

圖14 軌底探頭掃查軌底下表面

4.2 焊縫表面裂紋缺陷檢測

鋁熱焊表面和近表面不規(guī)則的夾渣、夾砂和推凸打磨造成的細微裂紋（見圖15）都能被渦流檢測發(fā)現(xiàn)。超聲波探傷檢查鋁熱焊表面細微裂紋見圖16，渦流探傷檢查鋁熱焊表面細微裂紋見圖17，渦流探傷檢查鋁熱焊軌顎傷損見圖18。

5 結(jié)束語

焊縫斷軌頻發(fā)、焊縫探傷粗放、檢測方式單一使焊縫探傷的現(xiàn)狀已不能適應鐵路重載化、快速化和高安全性的要求。在焊縫探傷設備尚無跨越式發(fā)展和根本性改進的情況下，要確保防斷安全，必須多管齊下，尋找不同的探傷方法補齊鋼軌防斷工作中的短板。渦流檢測就是一種較好的焊縫探傷方法，將其與超聲波探傷相配合，可以優(yōu)勢互補，實現(xiàn)對焊縫傷損的及早及小發(fā)現(xiàn)，快速精準判傷，有效消除斷軌隱患，同時最大程度避免漏判和誤判情況。目前，太原局集團公司已為每個探傷車間配備了渦流探傷儀，應用效果良好。

圖15 鋁熱焊表面推凸打磨造成的細微裂紋

圖16 超聲波探傷檢查鋁熱焊表面細微裂紋

圖17 渦流探傷檢查鋁熱焊表面細微裂紋

圖18 渦流探傷檢查鋁熱焊軌顎傷損