钢轨铝热焊接接头超声波探伤异常反射波分析

张静锋 宋锋锋

浙江金温铁道开发有限公司 浙江 丽水 323000

摘 要 基于超声波检测钢轨铝热焊接接头，可以通过观察探伤异常反射波的形式，来达到准确判断焊接缺陷位置、缺陷范围的目的，真正实现了无损检测。同时，超声波探伤还具有速度快、效率高的特点，使得该技术得以广泛使用。文章围绕钢轨铝热焊接接头超声波探伤异常发射波展开深度分析，全面介绍伤波形成的原因与伤波分析方法，使之能够更好地应用到钢轨铝热焊接接头缺陷检测工作当中，切实保障钢轨热铝焊接质量。关键词 钢轨铝热焊接接头；超声波探伤；异常反射波

Analysis of Abnormal Reflected Waves of Ultrasonic Inspection of Aluminum Thermal Welded Joints of Steel RailsZhang Jing-feng, Song Feng-feng

Zhejiang Jinwen Railway Development Co., Ltd., Lishui 323000, Zhejiang Province, China

Abstract Based on ultrasonic inspection of aluminum thermal welded joints of steel rails, the position and scope of welding defects can be accurately judged by observing the abnormal reflected wave of inspection, and non-destructive testing can be realized. At the same time, ultrasonic inspection also has the characteristics of fast speed and high efficiency, which makes this technology widely used. This paper deeply analyzes abnormal reflected waves of ultrasonic inspection of aluminum thermal welded joints of steel rails, and comprehensively introduces the causes of the flaw wave formation and the analysis methods of flaw waves, so that it can be better applied to the defect detection of aluminum thermal welded joints of steel rails and effectively ensure the quality of aluminum thermal welding of steel rails.

Key words aluminum thermal welded joints of steel rails; ultrasonic inspection; abnormal reflected waves

引言

高质量作为现代社会我国主要的发展趋势，贯彻落实到我国的各行各业当中，使得质量问题就成为当前人们共同关注的核心话题。在以往钢轨铝热焊接施工过程当中很容易受到焊接质量的影响，导致整体施工存在较大的安全隐患，为了更好地解决这一问题，可以通过积极应用超声波探伤技术加以解决，超声波探伤具有快速且无辐射设备轻便等诸多优点，实现了在我国各行各业的广泛应用，并且能够真正实现无损检测，确定焊接缺陷位置，范围大小，有利于帮助工作人员对焊接接头缺陷加以治理，以此来保障钢轨铝热焊接质量，本文主要针对钢轨铝热焊接接头超声波探伤异常反射波展开相关的研究与讨论。

2  伤波形成原因2.1 晶相原子排列不同

1  超声波探伤特点

所谓的超声波探伤检测就是通过对超声波技术加以利用来实现无损检测，是目前五种常规无损检测方法之一，而无损检测就是指在不损坏钢轨热铝焊接工件的基础前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行质量检测，并根据超声波所反馈的波形来获取相应的检测信息。其主要应用原理就在于机械振

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动，机械振动在介质中的传播过程叫作波，只不过对于人体来说无法接收到次声波和超声波，通过利用相应的设施设备对此加以接受，并与符合质量规格的钢轨热铝焊接所产生的超声波图形进行对比，以此来达到无损检测效果。相比其他检测方法来说，超声波探伤具有可便携携带，效率高，精度准，结果真等诸多特点，被广泛应用，本文通过对钢轨铝热焊接接头超声波探伤异常反射波进行重点分析，以此来实现超声波探伤检测技术在钢轨铝热焊接质量检测中的有效应用，切实全面保障钢轨铝热焊接质量[1]。

伤波形成的原因与超声波探伤的原理有着一定的关系，在运用超声波探伤技术检测钢轨铝热焊接质量时，主要是利用相关设备向钢轨铝热焊焊接检测部位进行接触，利用机械振动原理，根据被检测对象的实际情况反馈性对应的波动信号，以此为基础来获取钢轨铝热焊接质量反馈信息，如缺陷大小，缺陷的具体位置，缺陷的范围等等，在准确的数据上展开治理，

TECHNOLOGY AND INFORMATION以此来保障钢轨铝热焊接质量。但在通常情况下，伤波的形成是由钢轨铝热焊接接头的实际情况来加以决定，在通常情况下，不同组织的金属材料，在其物理性能上没有明显区别，而晶体学理论认为，对于单晶体而言，由于各品向原子排列方式的区别，使得被检测物体存在物理性能方面的差异，一般金属组织，通常是由多晶粒加以组成，在宏观的角度上，可以明显发现其力学性能与物理性能均表现出一种伪各向同性。在此的基础上通过积极利用超声波，由可以得到明显的各向异性的表现。对于焊缝类粗晶组织的探伤，已有大量科学研究表明，其中声学各向异性的存在。所以需要相关人员通过采用与母材不同的超声波频率及探伤方法来达到检测效果[2]。2.2 焊缝组织方向特征差异

在一定情况下不同的焊缝组织所产生的方向特征差异，可能会在一定程度上导致所产生的伤波反应存在差异。贝氏体相对珠光体而言，由于一次结晶温度区间要高，所以会凸显晶粒可能相对粗大。而贝氏体为非平衡组织，其中的一部分碳原子以间隙固溶的方式存在于体心立方的铁原子间，保留了原奥氏体组织的晶体学特征，所以在用超声波检测钢轨铝热焊接质量时可以的很明显的区分正常质量下与焊接缺陷之间的差异，以此来获取相应的检测信息，供相关工作人员对此加以判断[3]。

当中，第一，对于未融合缺陷来说，主要是指填充金属与母材之间没有融合在一起，或者与填充金属之间没有融合在一起，从而导致钢轨铝热焊接内部产生未融合的缺陷现象，而造成这一现象的主要原因则归根于坡口面不干净，在焊接时运条速度太快，焊接电流过小，焊接角度不当等，都会在一定程度上导致钢轨铝热焊接内部存在缺陷。第二，线况近场区和远场区。在通常情况下近场区是在波源附近，但是得在超声波探伤检测技术应用过程当中，受到波的干涉而出现一系列声压极大或极小值的极端区域。处于声压极小值处的较大缺陷回波可能相对较低，而处于声压极大值处的较小缺陷回波可能较高[5]。在此的基础上就有一定可能产生误判。第三，超声波远场区的声压分布存在差异，可以基于这一依据展开判断，相对来说，偏离中心的声压会逐渐降低，并呈现有规律的曲线起伏。第四，镜面反射，超声波在两相界面处是遵循镜面反射或是漫反射取决于缺陷的面积和凹凸程度。以此为依据可以准确地判断缺陷范围。第五，在超声波探伤检测技术应用过程当中，会由于检测对象内部不同物质的影响产生不同的漫反射，对于表面粗糙的缺陷，所反馈的异常反射波会产生以下特征，当声波垂直入射时，声波被乱反射，各部分反射波由于相位差产生干涉，使缺陷回波波高随粗糙度的增大而产生下降，而当声波倾斜入射时，回波波高则会随着凹凸程度与波长的比值增大而增大。第

3  缺陷波的特征

在实际的检测过程当中缺陷波的反馈较为明显，可以通过将其与钢轨铝热焊接质量符合相关规定的波进行对比分析，以此来判断缺陷波的特征，并对其典型缺陷波加以深度分析，制定标准化的缺陷波分析手册，使其能够实现以最快速度获得检测成果，加快超声波探伤检测效率。超声波探伤检测的工作原理是在机械振动的基础上进行完成，根据钢轨铝热焊接内部的组成及差异形成缺陷波，在通常情况下，缺陷波通常变现波形览大，在屏幕上呈闪烁状态。而且缺陷波幅相对较高，且超出判废限。同时焊缝两侧探测缺陷位置会呈现不一致的效果。并且在疑似缺陷位置上进行返修，却不能发现幅度及大小与前面相应的缺陷[4]。

六，当钢轨铝热焊接坡口面处焊缝存在未融合缺陷时，会产生类似于缺陷薄层的问题，当超声波通过一定厚度的异质薄层时，所产生的反射和透射情况与单一的平界面有所不同，在异质薄层很薄的情况下，进入薄层内的超声波会在薄层两侧界面引起多次反射和透射，从而形成一系列反射波和透射波。

5  判断方法

判断方法的掌握是超声波探伤检测技术是决定能否在钢轨铝热焊接质量检测当中得以有效应用的关键所在，同时也是异常反射波的主要分析方向，在通常情况下，同一区域的缺陷波会在一定程度上会呈现出的表观声程，甚至有时会出现一侧探伤有缺陷，另一侧无缺陷的情况。如果不对此加以有效判断，则会给钢轨铝热焊接质量带来极大的安全隐患。如果做出是伪缺陷波的结论，将给钢结构带来巨大的安全隐患[6]。需要相关工作人员对此加以高度重视，从以下5个方面当中掌握钢轨铝热焊接接头超声波探伤异常反射波分析方法。第一，由未融合缺陷所造成的缺陷波，其声程都不是缺陷波真正的声程，而是超声波在焊缝或钢板表面所产生的漫反射的声程才会由于

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4  分析依据

在分析钢轨铝热焊接接头超声波探伤异常反射波时，需要相关工作人员切实明确其分析依据，以此其基础有利于后续相关工作能够得到有效展开。针对钢轨铝焊接接头超声波探伤异常反射波来说，其主要的分析依据主要体现在以下几个方面

TECHNOLOGY AND INFORMATION缺陷表面的光滑特征所产生镜面反射，从而表现出极强的波束指向性，相对来说具有反射率极高，声能损失较小的特点。工作人员可以以此为依据来对超声波探伤异常反射波来加以合理判断。第二，由于焊接质量问题所导致钢轨铝热焊接内部存在缺陷的情况下，缺陷常常会产生一定的缺陷面积，在超声波主光束主轴附近能量差异不大，在超声波经过缺陷时所产生的镜面反射和底面发生漫反射之后，所产生的能量差异并未改变，一定声程范围内缺陷波的能量相差不大，所以在仪器显示屏上的异常反射波信号往往较为宽大。第三，在钢轨铝热焊接过程当中，往往会由于各种原因导致钢轨铝热焊接内部存在未融合缺陷，并且具有空隙层极薄，表面光滑等特点，是典型的异质薄层。其中的空气介质声阻抗与钢轨的声阻抗所产生的差异较大，异质薄层厚度以极微小的变动就会产生极大反应的反射率变化。在这当中，不仅不同声程处的异质薄层厚度不同，而且探头移动过程中声束照射点处薄层的厚度也会产生不同。导致钢轨铝热焊接内部缺陷的不同部分以及同一部位在不同时间的反射率，会在极大值与极小值之间产生变动，在这时显示仪器所收到的反射波信号也在极大值与极小值之间发生变化[7]。

一旦发现钢轨铝热焊接质量受损，存在钢轨铝热焊接缺陷，则会严重影响钢轨铝热焊接质量。相对来说，未融合缺陷、裂纹在一定程度上属于平面型缺陷，与气孔、夹渣等立体型缺陷相比危害性更大，平面型缺陷在平面端部存在严重的应力集中现象，当焊缝受到与缺陷平面相垂直的作用力时，裂纹以及未融合缺陷会因作用力的影响而产生扩大，并围绕焊接接头向外延展，造成焊缝开裂，直到钢轨铝热产生断裂，可见未融合缺陷的危害。

8  结束语

总而言之，在现代社会发展的进程当中蕴含着大量的发展机遇，同时也是十分严峻的发展挑战，为了更好顺应当前时代“高质量”的发展的趋势，需要各行各业以质量为基础展开生产，在钢轨热铝建设的过程当中需要焊接人员对其进行焊接，以此来满足工程需求，但是在实际的作业过程中质量却很难得以有效的保障，需要通过落实质量检测来加以质量控制，在这当中超声波探伤具有高效率，高质量，无辐射，可携带，并且可以实现无损检测的优势在众多的检测方法当中得以脱颖而出，通过积极对钢轨铝热焊接接头超声波探伤异常反射波展开

6  缺陷的验证 

缺陷的验证钢轨铝热焊接接头超声波探伤异性反射波分析工作当中有着至关重要的作用，是确定钢轨铝热焊接存在缺陷的关键所在，需要相关工作人员对此加以高度重视，围绕缺陷的验证展开深度分析，在对未融合缺陷进行验证的基础上，根据缺陷验证数据进行返修处理，以此来达到保障钢轨铝热焊接质量的效果。在通常情况下，由于未融合缺陷是面缺陷，存在空隙层极薄的特点，在利用火焰切割时很容易除去钢轨铝热焊接接头表面存在缺陷。很难发现钢轨铝热焊接接头内在缺陷，在切割接近坡口面时，需要相关工作人员放慢切割速度，增加观察频率，感受切割面的差异，当发现切割面上出现光滑陈旧面，并与无缺陷时呈现的金属明亮光泽面显著不同，以此验证缺陷。

分析，有利于更好地掌握超声波探伤技术来对钢轨热铝焊接质量加以控制，切实提高钢轨热铝焊接水平。

参考文献

[1] 高松福,任金雷,石孟雷,等.钢轨铝热焊接过程数值模拟研究与试验验证[J].高速铁路新材料,2022,1(3):33-37.

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[3] 石彤,张银花,高振坤,等.35～40t轴重重载铁路钢轨验证试验及适应性研究[J].中国铁道科学,2022,43(3):26-36.

[4] 任金雷,沈跃勇,高松福,等.钢轨铝热焊接接头超声波探伤异常反射波分析[J].高速铁路新材料,2022,1(2):79-82.

[5] 高松福,高东海,任金雷,等.钢轨铝热焊接接头轨脚杂波原因分析[J].铁道建筑,2021,61(10):113-116.

7  未融合缺陷的危害

超声波探伤在实际应用目的就在于检测钢轨铝热焊接质量是否符合相关要求，确保钢轨铝热焊接质量，并检测钢轨铝热焊接接头内部缺陷，为后续钢轨铝热焊接治理提供数依据。

[6] 任金雷,宋宏图,高松福.高速铁路钢轨铝热焊焊接接头“四线五类”打磨方案设计[J].铁道技术监督,2021,49(8):48-50,55.

[7] 江明明,何柏林.钢轨焊接方法与焊接接头的质量控制研究[J].热加工工艺,2017,46(13):7-10,6.

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