李京增，胡玉堂，田 甜，李金華

(1.蘇州高新有軌電車(chē)有限公司，江蘇蘇州 215011;2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

槽型鋼軌是鋪設(shè)于城市有軌電車(chē)軌道中的一種鋼軌［1］。關(guān)于槽型鋼軌的焊接，目前國(guó)內(nèi)通常采用閃光焊和鋁熱焊兩種焊接方法。一般對(duì)于普通鐵路、高速鐵路、城市地鐵、輕軌等鋼軌的焊接，閃光焊接頭的性能均優(yōu)于鋁熱焊接頭［2］。對(duì)于在城市有軌電車(chē)軌道上使用的槽型鋼軌采用閃光焊和鋁熱焊的效果，本文進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)選用59R2型槽型鋼軌，分別采用閃光焊和鋁熱焊兩種焊接方法焊接一定數(shù)量的焊接接頭，并對(duì)這兩種焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試和分析［3-5］。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 靜彎性能

靜彎試驗(yàn)的支距為1.0 m，焊縫居中，焊縫中心承受集中荷載，在接頭處加載至其斷裂。對(duì)閃光焊和鋁熱焊分別測(cè)試5根焊接接頭試件，其中4根軌頭受壓，1根軌頭受拉，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

從表1可以看出，閃光焊接頭在軌頭受壓的靜彎試驗(yàn)條件下，接頭平均破壞荷載為1 236 kN，大于閃光焊接頭的1 139 kN，軌頭受拉的試驗(yàn)條件下兩種焊接方法的接頭破壞荷載相近。試驗(yàn)表明，在軌頭受壓的條件下閃光焊接頭的抗壓能力高于鋁熱焊接頭。

1.2 疲勞性能

鋁熱焊接頭疲勞試驗(yàn)支距為1.0 m，最小加載荷載Fmin=60 kN，最大加載荷載Fmax=300 kN;閃光焊接頭疲勞試驗(yàn)支距為1.4 m，F(xiàn)min=67 kN，F(xiàn)max=335 kN。荷載作用于支距中央的焊縫處，軌頭向上。試驗(yàn)頻率f為5 Hz，應(yīng)力循環(huán)系數(shù)r為0.2。

按照上述試驗(yàn)條件，分別對(duì)3根鋁熱焊接頭試件和3根閃光焊接頭試件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋁熱焊接頭經(jīng)歷頻率5 Hz，2×106次疲勞試驗(yàn)仍未斷裂;閃光焊接頭在疲勞載荷明顯高于鋁熱焊的情況下，經(jīng)歷頻率5 Hz，2×106次疲勞試驗(yàn)也未斷裂。

1.3 拉伸性能

對(duì)鋁熱焊及閃光焊接頭試件取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，分別在軌頭、軌腰、軌底各取3個(gè)拉伸試樣，測(cè)試其平均屈服強(qiáng)度Rm和斷后伸長(zhǎng)率A。焊接接頭拉伸試樣直徑為6 mm，試樣標(biāo)距為30 mm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

從接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以得到，閃光焊接頭的平均屈服強(qiáng)度為1 015 MPa，高于鋁熱焊接頭的844 MPa;閃光焊接頭斷后伸長(zhǎng)率為5.0%，高于鋁熱焊接頭的2.1%。

1.4 硬度

1)焊縫硬度

對(duì)鋁熱焊接頭試件取樣測(cè)試焊縫硬度。焊縫硬度試驗(yàn)在軌頂面焊縫中心橫向位置進(jìn)行，檢測(cè)3點(diǎn)布氏硬度，計(jì)算平均硬度值，記為焊縫硬度;在焊縫左右兩側(cè)母材上分別檢測(cè)3點(diǎn)，計(jì)算平均硬度值，記為母材平均硬度HP。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鋁熱焊接頭軌頂面硬度測(cè)量結(jié)果 HB

由表3可見(jiàn)，母材平均硬度HP=298 HB，焊縫硬度HJ=288 HB，接頭硬度與母材之比 HJ/HP=96.6%。

對(duì)閃光焊接頭試件取樣測(cè)試軌頂面布氏硬度，焊縫處記為0點(diǎn)，向焊縫兩側(cè)每隔7.5 mm測(cè)量一點(diǎn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4，可見(jiàn)母材平均硬度HP=310.7 HB。焊縫硬度HJ為305.5 HB，HJ/HP=98.3%。

從焊接接頭的軌頂面硬度試驗(yàn)得到，閃光焊接頭的硬度與母材的硬度比率為98.3%，高于鋁熱焊接頭的96.6%。試驗(yàn)表明，與鋁熱焊接頭相比閃光焊接頭硬度與母材硬度更接近。

2)軟化區(qū)寬度

對(duì)鋁熱焊接頭試件取樣測(cè)試軟化區(qū)寬度。取焊接接頭縱向斷面，在一條距軌頂面4 mm寬的縱向線(xiàn)上檢測(cè)洛氏硬度，從兩側(cè)熔合線(xiàn)開(kāi)始逐漸延伸至未受熱影響的母材20 mm處，測(cè)點(diǎn)間距為2 mm，采用HRC標(biāo)尺。

表4 閃光焊接頭軌頂面硬度測(cè)量結(jié)果 HB

硬度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖1。在未受影響的鋼軌母材上測(cè)量不少于10點(diǎn)，計(jì)算其平均硬度，以直線(xiàn)的形式標(biāo)在硬度曲線(xiàn)圖上，見(jiàn)圖1中線(xiàn)1。將線(xiàn)1向下平移1.5 HRC，即得到軟化區(qū)寬度測(cè)量線(xiàn)，見(jiàn)圖1中線(xiàn)2?？梢?jiàn)，兩側(cè)軟化區(qū)寬度W≤20 mm。

圖1 鋁熱焊洛氏硬度測(cè)量結(jié)果

對(duì)閃光焊接頭試件取樣測(cè)試縱斷面洛氏硬度，焊縫兩側(cè)每隔5 mm測(cè)量一點(diǎn)。利用硬度值繪制硬度曲線(xiàn)和0.95HP水平線(xiàn)，見(jiàn)圖2，則可得軟化區(qū)寬度W≤20 mm。

上述兩種接頭的軟化區(qū)寬度測(cè)試結(jié)果表明，鋁熱焊接頭的軟化區(qū)寬度小于閃光焊接頭。

1.5 顯微組織

對(duì)鋁熱焊接頭試件取樣測(cè)試顯微組織，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3，可見(jiàn)焊縫和熱影響區(qū)顯微組織為珠光體和少量鐵素體，未見(jiàn)異常組織。閃光焊接頭金相組織試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖4，可見(jiàn)焊縫和熱影響區(qū)顯微組織為珠光體和少量鐵素體，亦未見(jiàn)異常組織。

圖2 閃光焊洛氏硬度測(cè)試曲線(xiàn)

圖3 鋁熱焊顯微組織

圖4 閃光焊顯微組織

從上述兩種焊接接頭的金相組織照片可以看到，閃光焊接頭的晶粒組織要細(xì)于鋁熱焊接頭組織。

2 結(jié)論與建議

1)在軌頭受壓的條件下閃光焊接頭的抗壓能力要高于鋁熱焊接頭。

2)閃光焊在疲勞荷載比鋁熱焊高的情況下，經(jīng)歷頻率5 Hz，2×106次疲勞試驗(yàn)焊接接頭仍不斷裂。

3)閃光焊接頭的屈服強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率都要高于鋁熱焊接頭。

4)閃光焊接頭硬度比鋁熱焊接頭硬度更接近母材，閃光焊和鋁熱焊接頭的軟化區(qū)寬度均≤20 mm。

5)兩種焊接方法的焊縫和熱影響區(qū)的顯微組織為珠光體和少量鐵素體，未見(jiàn)異常組織。閃光焊接頭的晶粒組織要細(xì)于鋁熱焊接頭組織。

綜上可見(jiàn)，閃光焊接頭性能明顯優(yōu)于鋁熱焊。為了提高建設(shè)工程的施工質(zhì)量，保障車(chē)輛的營(yíng)運(yùn)安全，建議在城市有軌電車(chē)的建設(shè)項(xiàng)目中應(yīng)盡可能使用閃光焊方法焊接槽型鋼軌。

［1］于禹夫，方力.現(xiàn)代有軌電車(chē)交通系統(tǒng)及其車(chē)輛的技術(shù)定位［M］.機(jī)電設(shè)備與監(jiān)控，2003:43-47.

［2］丁韋，劉艷紅，黃辰奎，等.國(guó)內(nèi)外鐵路鋼軌焊接標(biāo)準(zhǔn)接頭力學(xué)性能檢驗(yàn)方法對(duì)比分析［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2006(7):4-6.

［3］李歡，陳春秋.鋼軌鋁熱焊接技術(shù)在高速鐵路上的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2012(3):118-120.

［4］俞喆，張銀花，周清躍.U75V鋼軌移動(dòng)閃光焊焊后熱處理工藝研究［J］.鐵道建筑，2012(10):130-132.

［5］中華人民共和國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).TB/T 1632— 2005 鋼軌焊接［S］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2008.