钢轨焊缝无损检测技术深度解析

探伤的必要性：从焊缝到安全防线

钢轨的连接，无论是采用接触焊、气压焊还是铝热焊，都会在接头处形成焊缝。这一区域的冶金过程复杂，受到工艺、材料等多重因素的交织影响，不可避免地会引入各种潜在的危害性缺陷。更严峻的是，在日复一日的列车荷载作用下，焊缝区域还会萌生疲劳裂纹。这些隐藏的“病灶”一旦未能及时发现并处理，极有可能发展为钢轨的早期脆性断裂，其后果不堪设想。

因此，对钢轨焊缝的无损检测，早已超越了常规质量控制的范畴，成为保障轨道交通安全的生命线。探伤的范围并不仅限于焊缝本身，还必须延伸至两侧的热影响区（HAZ）。焊接热循环会改变这一区域的微观结构，导致其力学性能和均匀性下降。有时，即便没有明显的宏观缺陷，热影响区的组织劣化也足以成为断轨的诱因。所以，一个完整的焊缝探伤方案，必须将焊缝及其热影响区视为一个整体来考量。

焊缝缺陷的识别与超声探伤原理

在对钢轨焊缝进行探伤时，我们面对的缺陷种类繁多。从成因上，可以将其归为三类：

1. 材质缺陷：源于钢轨母材本身，如夹杂、疏松、内部裂纹等。
2. 焊接缺陷：在焊接过程中形成，类型最为复杂，包括夹杂、疏松、缩孔、过烧、光斑、灰斑、未焊透和裂纹等。
3. 疲劳缺陷：在服役过程中产生，通常是疲劳裂纹，其裂纹源往往就是前两类固有缺陷。

从超声波探伤的视角，我们更关心缺陷的几何形态。据此，可将缺陷简化为两大类：

• 体积状（或点状）缺陷：如夹杂、疏松、缩孔、过烧。这类缺陷通常没有明显的取向性。
• 平面状缺陷：如光斑、灰斑、裂纹、未焊透和疲劳裂纹。这类缺陷危害性最大，它们不仅直接削减了钢轨的有效承载截面，更严重的是，其尖锐的端部会造成极大的应力集中，如同杠杆一样撬开材料，是导致钢轨断裂的罪魁祸首。

探伤方法的选择：应对不同形态的缺陷

体积状缺陷的探测：由于体积状缺陷向各个方向反射声波的能力比较均匀，没有强烈的方向性，因此只要有声波入射，总会有一部分能量沿原路返回被探头接收。使用常规的单探头脉冲反射法即可有效探测，这与其他通用工件的探伤原理并无本质区别。

平面状缺陷的探测：这才是钢轨焊缝探伤的核心挑战。平面状缺陷通常平行于焊缝（即垂直于探测面）。当采用横波探头从轨面进行扫查时，声波入射到缺陷表面后，会像镜面反射一样，将能量反射到其他方向，而无法返回到发射探头，导致漏检，如图1所示。

图1 平面状缺陷的镜面反射导致单探头法失效

为了捕捉这种“狡猾”的反射波，除了那些紧靠上下界面的缺陷可以利用界面反射被单探头发现外，绝大多数平面状缺陷都需要采用双探头法，即“一发一收”的模式进行探测。

主流扫查技术概览

1. 直角反射扫查 当缺陷位置非常靠近工件的某个界面（如轨底或轨头顶面）时，可以利用直角反射原理。如图2所示，入射声波经缺陷反射至界面，再由界面反射回探头。由于缺陷离界面很近，入射点和接收点在探测面上的距离很小，因此可以使用同一个探头完成收发。

图2 直角反射扫查示意图

2. K型扫查 如图3所示，K型扫查将发射和接收两只探头分别放置在焊缝两侧的探测面上。声波路径形似字母“K”，一只探头发射，另一只接收。进行扫查时，两只探头需要保持相对位置不变，同步地相对或相背移动。

图3 K型扫查原理

3. 串列式扫查（Tandem Scan） 串列式扫查是探测焊缝内部垂直缺陷的经典方法。如图4所示，两只探头一前一后放置在焊缝同一侧的探测面上。声波由前探头发射，经缺陷反射，再由底面反射，最终被后探头接收。

图4 串列式扫查原理

探头的间距 L 与其探测深度 h（缺陷到底面的距离）之间存在明确的几何关系：

L = 2 * tan(β) * h

其中，β 是探头的折射角（通常在38°至45°之间）。这个公式的实际意义在于：探头分得越开（L 越大），探测点就越高（h 越大）；探头靠得越近，探测点就越低。通过连续改变两探头的间距（由分到合或由合到分），声束就能像梳子一样，自上而下或自下而上地扫查整个焊缝截面。

4. 阵列探头扫查 阵列探头可以看作是K型或串列式扫查的集成与自动化形式。它将多个探头晶片（收发对）集成在一个较长的探头块中（如图5），通过电子开关高速切换不同的收发组合，从而实现对焊缝不同区域的快速扫查，无需机械移动探头。其优点是效率高，但缺点也比较明显：探头较长导致与不平整的轨面耦合困难，且分段式的扫查可能造成声场覆盖不均，在精确定位和定量方面不如连续移动的机械扫查。

图5 用于串列式扫查的阵列探头

K型和串列式扫查有一个共同的显著优点：无论缺陷处于焊缝的哪个深度，声波传播的总距离 W 都是一个恒定值。对于串列式扫查，总声程 W 恰好是K型扫查声程的两倍，它仅与钢轨高度 H 和探头折射角 β 有关：

W = 2H / cos(β)

这意味着缺陷回波在仪器屏幕上的位置是固定的，这极大地简化了信号的识别和判读。不过，这些方法要求探头协同等速移动，手工操作几乎无法实现，通常需要借助专门的扫查架，在静态下进行探测。

钢轨焊缝的分区探测策略

在实际操作中，由于钢轨截面几何形状复杂，通常会将其划分为四个区域，并针对各区域的特点采用最优的扫查方式，如图6所示。

图6 钢轨焊缝各部位的扫查方式分区

• 1区 (轨腰及延伸区)：这是焊缝的主体部分，通常采用串列式扫查。在焊轨基地等允许在轨底放置探头的场合，也可采用K型扫查。
• 2区 (轨底部分)：一般采用K型扫查。
• 3区 (轨底角部分)：此区域几何形状特殊，通常采用单探头法，利用一次波扫查轨底角下部，二次波扫查上部。
• 4.区 (轨头部分)：可从轨头两侧进行K型扫查，或者采用与探测核伤类似的方式，使用70°单探头进行扫查。

技术前沿：钢轨焊缝不停顿探伤法

为了提高检测效率，业界发展出了钢轨焊缝不停顿（连续）探伤法。其核心是利用高度集成的复合式阵列探头和高速电子切换技术，实现类似探伤小车一样的动态连续扫查。

1. 复合式阵列探头设计

如图7所示，这种复合式阵列探头设计精巧。它在一个探头体内集成了多个子探头（晶片），所有晶片的折射角相同（例如38.6°，即K值为0.8）。通过精心设计各晶片的位置，可以组合出大量具有不同间距的收发对。

图7 复合式阵列探头的工作原理

以图示为例，通过组合1号、2号发射子探头与右侧一系列接收子探头，可以形成20个不同的探头间距，这些间距经过L = 2 * tan(β) * h公式换算，恰好对应从0mm到190mm、间隔10mm的20个探测深度。这个覆盖范围足以应对43~75 kg/m的各类型钢轨焊缝。

2. 不停顿扫查的实现

探测时，探头总成沿钢轨移动。在移动过程中，电子系统高速轮询启动不同的收发探头对（如图8所示），在瞬间完成对焊缝从上到下的“切片式”探测。

图8 单收单发和一收一发工作原理

当探头静止时，这20个探测点在焊缝截面内构成两条斜线。当探头沿轨道移动时，这两条探测线随之平移，从而“扫描”过整个焊缝体积（如图9）。

图9 焊缝不停顿扫查原理

探头中还包含一个“倒打探头”，它主要有两个作用：一是在反方向上以单收发模式补充扫查；二是与其他探头组成对穿模式，接收对穿波，用于实时校准系统灵敏度和监控耦合状态。

这种方法能够高效地完成对轨头、轨腰、轨底三角区及热影响区的连续扫查，但对于几何形状最为复杂的轨底角部分，目前仍需依赖传统的手工扫查作为补充。

缺陷当量大小的测定难题

找到缺陷只是第一步，准确评估其大小（即定量）同样至关重要。在这里，单探头法和双探头法表现出截然不同的物理特性。

• 单探头法：声程随缺陷位置变化，但入射和反射声程相等。
• 双探头法：总声程恒定，回波位置固定，但入射声程和反射声程不相等，且其差值随缺陷位置而变。

这种声程的差异导致声波扩散程度不同，最终影响回波幅度。对于双探头法，在声场远场区，缺陷反射声压 p 可以近似表示为：

p = η * S / (x₁x₂) = η * S / (x(w - x))

其中：

• S 是缺陷面积。
• η 是与系统相关的比例系数。
• w 是恒定的总声程 (w = x₁ + x₂)。
• x₁ 和 x₂ 分别是入射和反射声程。

从该公式可以看出，反射波幅与入射、反射声程的乘积 x₁x₂ 成反比。当 x₁ = x₂ = w/2 时（即缺陷位于声程路径中点），乘积最大，此时回波幅度最低。

对于串列式扫查，这意味着同样大小的缺陷，如果靠近焊缝顶部或底部，x₁ 和 x₂ 差异大，乘积小，反射波幅高；如果靠近焊缝中部，x₁ 和 x₂ 接近，乘积大，反射波幅反而低。

表1的数据清晰地验证了这一规律。测试对象为Φ3mm平底孔，在近场区（H < 40mm），反射幅度基本稳定。进入远场区后，随着缺陷深度 H 的增加（更靠近声程中点），实测的反射幅度（dB值）呈下降趋势，与理论预测完全吻合。

表1 平底孔反射幅度随位置的变化规律

准确地对缺陷进行定量，不仅需要精密的仪器，更要求检测人员对声学原理有深刻的理解，并能结合复杂的现场工况进行综合判断和修正。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

精工博研测试技术（河南）有限公司（原郑州三磨所国家磨料磨具质量检验检测中心），央企，国字头检测机构，专业的权威第三方检测机构，专业检测钢轨焊缝无损检测，可靠准确。欢迎沟通交流，电话19939716636