孫楠楠

(大秦鐵路股份有限公司茶塢工務(wù)段，北京 101402)

大秦鐵路是中國(guó)第一條雙線(xiàn)電氣化重載鐵路，2014年運(yùn)量達(dá)到4.6 億t，創(chuàng)下又一個(gè)重載奇跡。大秦鐵路現(xiàn)用Ⅱ型、Ⅲ型混凝土枕，75 kg/m 鋼軌形成區(qū)間無(wú)縫線(xiàn)路。隨著運(yùn)量的不斷增加，對(duì)鋼軌及焊接接頭的性能有了更高的要求。鋼軌接頭傷損逐漸嚴(yán)重，尤其是焊接接頭傷損顯著增加，而鋁熱焊存在的問(wèn)題尤為突出，已對(duì)運(yùn)輸安全構(gòu)成了威脅，因此提高鋁熱焊焊接質(zhì)量，延長(zhǎng)鋼軌焊接接頭壽命，已成為迫切需要研究的重要課題。

1 鋁熱焊接頭質(zhì)量問(wèn)題、傷損及對(duì)策

當(dāng)前在大秦線(xiàn)上使用的鋁熱焊接頭，每個(gè)都打著鋁熱焊專(zhuān)用夾板，盡管如此，鋁熱焊問(wèn)題仍然較多，主要包括:焊劑、預(yù)熱、鋼軌溫度應(yīng)力等方面的問(wèn)題。

1.1 焊劑成分不匹配造成焊縫硬度偏低并且磨損嚴(yán)重

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量記錄及觀察，發(fā)現(xiàn)大部分鋁熱焊接頭服役一定時(shí)期后接頭區(qū)域低塌比較嚴(yán)重，焊接接頭低塌造成的危害有:1)輪軌間動(dòng)作用力增加，造成焊縫處道床塌陷、軌枕失效，幾何尺寸不能有效保持，嚴(yán)重威脅行車(chē)安全;2)鋼軌焊接接頭壓潰，導(dǎo)致軌面剝離、掉塊和軌頭核傷;3)根據(jù)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架及其對(duì)鋼軌的反應(yīng)特性，鋼軌隆起導(dǎo)致的沖擊力比低接頭的小，而且沖擊力最大處為遠(yuǎn)離隆起的地方。焊接接頭起始預(yù)留平直度不合格導(dǎo)致的低塌有兩種:一種接頭焊完之后就是低接頭;一種錯(cuò)牙接頭，導(dǎo)致一側(cè)由于沖擊而造成的低塌。起始預(yù)留平直度不合格導(dǎo)致接頭在1 m 范圍內(nèi)呈現(xiàn)V 形狀低塌。預(yù)留平直度合格的接頭，只在焊縫區(qū)域低塌形狀有兩種:一種是在焊縫兩邊軟帶處出現(xiàn)較大的低塌;另一種是焊縫及其熱影響區(qū)整體低塌。鋼軌焊接接頭的磨損狀態(tài)與接頭附近軌面硬度分布有密切關(guān)系，焊接接頭在焊縫和熱影響部分的軟化區(qū)域相對(duì)其他位置的磨損較重，磨損程度與硬度差異的程度有關(guān)。通過(guò)對(duì)大量鋁熱焊接頭(包括低塌嚴(yán)重和服役過(guò)程中比較正常的接頭)的平直度曲線(xiàn)和硬度曲線(xiàn)分析，焊縫及熱影響區(qū)域的硬度與母材硬度的差異成為接頭服役過(guò)程中是否出現(xiàn)低塌的主要原因。焊縫及熱影響區(qū)硬度的不合格導(dǎo)致了接頭與母材磨耗的差異性，導(dǎo)致了焊縫區(qū)域磨損較母材嚴(yán)重，這是部分鋁熱焊接頭低塌嚴(yán)重的主要原因。大秦重載線(xiàn)現(xiàn)狀服役的PG4，U77MnCr 鋼軌都是高Cr 鋼軌，此類(lèi)鋼軌強(qiáng)度高、耐磨性好，但是硬度也比較高，而且線(xiàn)上服役的很大一部分鋼軌都經(jīng)過(guò)了在線(xiàn)熱處理，硬度更高，經(jīng)過(guò)在線(xiàn)熱處理的鋼軌母材踏面硬度可以達(dá)到370 HB 以上。按照現(xiàn)有焊劑配方，焊接PG4 熱處理軌，硬度差距過(guò)大。目前現(xiàn)有的鋁熱焊劑按照焊縫硬度可以分為300 HB和340 HB，其中，第一種焊劑使用時(shí)的實(shí)測(cè)硬度是310 HB～320 HB，是用來(lái)焊接U75V 鋼軌的;第二種焊劑的實(shí)測(cè)硬度是350 HB～360 HB，是用來(lái)焊接U77MnCr 和PG4 鋼軌的。值得注意的是由于U77MnCr 和PG4 母材硬度已經(jīng)達(dá)到380 HB，使用中的測(cè)試結(jié)果更是高達(dá)410 HB 以上，因此第二種焊劑也顯得硬度偏低。比較合理的方法是用第二種焊劑焊接非熱處理軌，這樣焊縫硬度略高于母材，焊縫的磨損會(huì)小于母材。高硬度的鋼軌母材，對(duì)線(xiàn)上鋁熱焊焊接的焊劑和焊接過(guò)程都提出了較高的匹配要求。為適應(yīng)高硬度鋼軌的需求，高硬度鋼軌鋁熱焊接技術(shù)的研究是必不可少的。對(duì)策及措施:1)研發(fā)適合焊接U77MnCr 和PG4熱處理軌的鋁熱焊焊劑，充分考慮硬度匹配問(wèn)題;2)開(kāi)展U77MnCr和PG4 熱處理軌的鋁熱接頭焊熱處理工藝研究，在焊劑直接焊接無(wú)法達(dá)到硬度匹配的情況下，應(yīng)當(dāng)開(kāi)發(fā)出有效的配套工藝。

1.2 預(yù)熱溫度不足造成焊縫氣孔及夾渣

圖1 鋁熱焊接頭（K206+133 左股）傷損取樣斷口宏觀形貌

圖1 是鋁熱焊?jìng)麚p接頭(K206 +133 左股)斷口宏觀形貌，2010年8 月鋪軌，2011年3 月發(fā)現(xiàn)重傷，2011年5 月下線(xiàn)，通過(guò)總重約3 億t。通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)斷裂接頭取樣試驗(yàn)分析研究，傷損的具體位置在鋁熱焊接頭軌沿下顎至軌腰間鋼軌表層，存在若干分散的組織缺陷，未形成擴(kuò)展裂紋。組織缺陷由粗大的顆粒狀和塊狀?yuàn)A渣形成，在塊狀?yuàn)A雜物之間及周?chē)植贾恍┬螤畈槐M相同、大小不一的球狀?yuàn)A雜物，主要成分是鐵、鋁、氧和少量的碳、硅、錳元素，主要存在于氧化鐵、氧化鋁和其他氧化物中。夾渣缺陷作為鋁熱焊接頭的一種常見(jiàn)缺陷形式，形成的主要原因是:1)焊接作業(yè)時(shí)，坩堝中噴出的熔渣進(jìn)入型腔后，粘附在鋼軌表面，但是鋼水在進(jìn)入型腔后，并不能把這部分熔渣沖掉上浮;2)在反應(yīng)還沒(méi)有完成時(shí)，便直接澆筑，熔渣不能徹底上浮;3)鋼軌軌縫較大，鋼水不足或鑄型時(shí)“跑鐵”，熔渣進(jìn)入型腔時(shí)，在軌頂容易形成夾渣。從夾渣缺陷的形態(tài)與分布特點(diǎn)來(lái)分析，產(chǎn)生的主要原因是，在鋼軌表面粘附的熔渣不能被沖掉上浮，其原因可能是:1)鋁熱反應(yīng)還未進(jìn)行徹底，就直接澆筑;2)焊劑存放期限過(guò)長(zhǎng)，對(duì)鋁熱反應(yīng)的進(jìn)行產(chǎn)生了不良影響;3)預(yù)熱溫度或位置不正確，造成部分區(qū)域凝固過(guò)早，從而脫渣不徹底。對(duì)策及措施:1)焊前預(yù)熱應(yīng)按合理的預(yù)熱位置和溫度進(jìn)行操作，強(qiáng)化操作工對(duì)工藝要求的認(rèn)知，嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行操作;2)焊前仔細(xì)檢查坩堝，鑄型設(shè)備，發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的應(yīng)及時(shí)更換;3)加強(qiáng)對(duì)鋁熱焊焊劑的質(zhì)量和存儲(chǔ)狀態(tài)的檢查，不符合焊接要求的鋁熱焊焊劑杜絕使用。

2 鋼軌溫度應(yīng)力造成焊縫拉開(kāi)

圖2 為2011年，在K369 +029 位置進(jìn)行鋼軌鋁熱焊，方法為法國(guó)鋁熱焊，在焊接時(shí)，由于受到鋼軌溫度應(yīng)力的拉伸，未冷卻到室溫焊縫即被拉開(kāi)，造成鋼軌焊接接頭斷裂。

圖2 鋁熱焊焊縫拉開(kāi)全斷面形貌及軌底局部斷口

鋁熱焊焊縫被拉開(kāi)的主要原因是鋼軌的溫度應(yīng)力。在線(xiàn)上進(jìn)行鋼軌鎖定焊接時(shí)，鋼軌兩端均為長(zhǎng)軌，受到溫度的影響，鋼軌會(huì)出現(xiàn)伸長(zhǎng)或縮短的長(zhǎng)度變化。鋼軌在焊接過(guò)程中，高溫下已經(jīng)凝固的焊縫強(qiáng)度較低，如果此時(shí)焊縫受到兩端鋼軌的拉伸，有可能出現(xiàn)拉開(kāi)的現(xiàn)象。有時(shí)，即使沒(méi)有被拉開(kāi)，其焊接強(qiáng)度也會(huì)受到嚴(yán)重影響，為此必須引起注意。

對(duì)策及措施:1)避免在鋼軌溫度下降時(shí)進(jìn)行線(xiàn)上鋁熱焊。例如鎖定焊時(shí)，在有條件的情況下盡量上午進(jìn)行線(xiàn)上焊接;2)采用拉伸器對(duì)鋼軌進(jìn)行保壓，固定鋼軌，避免鋼軌收縮。

3 結(jié)論及建議

1)結(jié)論。鋁熱焊絕大數(shù)的傷損為下顎開(kāi)裂，并且數(shù)量也是最高的。通過(guò)對(duì)傷損接頭的分析發(fā)現(xiàn)，裂紋并非起源于焊縫缺陷處，主要原因是接頭局部結(jié)構(gòu)突變引起的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致開(kāi)裂。如果消除此類(lèi)裂紋成為現(xiàn)實(shí)，將大幅度降低鋁熱焊接頭的傷損數(shù)量，提高鋁熱焊在重載鐵路中應(yīng)用的水平。PG4 和U77MnCr熱處理軌接頭磨損最為嚴(yán)重(比氣壓焊還要嚴(yán)重)，一年接頭磨耗超過(guò)了1 mm，由于焊縫硬度大大低于母材，硬度匹配不合理，應(yīng)當(dāng)統(tǒng)籌考慮熱處理軌的鋁熱焊硬度匹配問(wèn)題。一方面可以改進(jìn)焊劑化學(xué)成分，提高焊縫材質(zhì)硬度，另一方面也可以研發(fā)一種適合鋁熱焊接頭正火的設(shè)備，對(duì)焊接接頭進(jìn)行淬火，使得接頭硬度接近鋼軌母材。

2)建議。開(kāi)展降低鋁熱焊接頭傷損率的研究。鋁熱焊接頭的傷損絕大多數(shù)集中在軌頭下顎，并且傷損數(shù)量極高，這已經(jīng)成為重載線(xiàn)路最主要的傷損形式之一。因此，建議開(kāi)展降低鋁熱焊軌頭下顎傷損的研究，并進(jìn)行相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作，有效降低該類(lèi)型傷損。

［1］王金虎.大秦線(xiàn)運(yùn)量逐年遞增情況下的鋼軌傷損分析及對(duì)策［J］.鐵道建筑，2008(11):40-41.

［2］盧永成.大秦鐵路工務(wù)設(shè)備狀態(tài)分析及其對(duì)策建議［J］.技術(shù)創(chuàng)新，2004(20):49-51.

［3］張偉娜，許富民，譚 毅.鋼軌鋁熱焊縫的微觀缺陷種類(lèi)和形成機(jī)制［J］.機(jī)械工程材料，2007(22):35-36.