■ 田甜 高文會(huì)
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不同鋼種鋼軌焊接接頭的力學(xué)性能研究
■ 田甜高文會(huì)
摘 要:論述選用4種不同鋼種、不同強(qiáng)度級(jí)別的鋼軌,以及焊接方案和試驗(yàn)安排。對(duì)4種不同鋼種鋼軌焊接的閃光焊接頭,按照鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,采用通用焊接工藝參數(shù)對(duì)不同鋼種鋼軌組合的鋼軌進(jìn)行焊接,開展靜彎、疲勞、拉伸、沖擊、硬度、顯微組織和晶粒度檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明,焊接接頭全部符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求,技術(shù)上可行,有利于提高全路鋼軌的使用水平。
關(guān)鍵詞:鋼軌焊接;接頭;力學(xué)性能;不同鋼種;通用焊接工藝參數(shù)
為了使鐵路線路上的直線、曲線鋼軌實(shí)現(xiàn)等壽命匹配,需要在曲線上鋪設(shè)耐磨鋼軌,在直線上鋪設(shè)普通鋼軌,因此必須研究不同鋼種鋼軌間的焊接技術(shù)。目前,不同鋼種鋼軌間的焊接普遍采用鋁熱焊接方法。調(diào)查顯示,采用鋁熱焊接方法焊接同鋼種鋼軌,接頭重傷率為6.5%、斷軌率為0.02%;焊接不同鋼種鋼軌,接頭重傷率為37.9%、斷軌率為0.16%。焊軌基地焊接的鋼軌閃光焊接頭,2009—2014年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明,閃光焊焊接同鋼種鋼軌斷軌率僅為0.000 7%,其性能顯著優(yōu)于鋁熱焊。
不同鋼種鋼軌成分不同,力學(xué)性能和理化常數(shù)不同,焊接工藝參數(shù)也不同。為了解決不同鋼種鋼軌間的焊接問題,提出適用于焊軌基地的通用焊接工藝參數(shù),實(shí)現(xiàn)將不同鋼種鋼軌的焊接。在此研究不同鋼種鋼軌間的閃光焊焊接接頭的力學(xué)性能,推廣采用通用焊接工藝參數(shù)在全路焊軌基地焊接不同鋼種鋼軌。
2.1鋼軌選用方案
鋼軌選用包頭鋼鐵(集團(tuán))有限責(zé)任公司4種不同鋼種、不同強(qiáng)度級(jí)別的鋼軌。
(1)60 kg/m U71MnG鋼軌,880 MPa級(jí);
(2)60 kg/m U75V鋼軌,980 MPa級(jí);
(3)60 kg/m U76CrRE鋼軌,1 080 MPa級(jí);
(4)60 kg/m U75VH鋼軌,1 180 MPa級(jí)。
2.2焊接方案
焊接設(shè)備:GAAS80/580型焊機(jī)。
焊接參數(shù):通用焊接參數(shù)(具體參數(shù)略)。
鋼軌組合:U71MnG+U75V、U75V+U76CrRE、U71MnG+U76CrRE、U75V+U75VH。
2.3試驗(yàn)安排
對(duì)上述4種不同鋼種鋼軌焊接的閃光焊接頭,按照鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.1—2014、TB/T 1632.2—2014的要求,進(jìn)行靜彎、疲勞、拉伸、沖擊、硬度、顯微組織和晶粒度試驗(yàn)。試驗(yàn)項(xiàng)目見表1。
表1 試驗(yàn)項(xiàng)目
3.1靜彎試驗(yàn)
在每種鋼軌組合5個(gè)焊接接頭的靜彎試驗(yàn)中,其中4個(gè)受壓、1個(gè)受拉。不同鋼種鋼軌焊接接頭靜彎試驗(yàn)結(jié)果見表2。鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定靜彎載荷標(biāo)準(zhǔn)為:軌頭受壓,F(xiàn)≥1 450 kN,不斷;軌頭受拉,F(xiàn)≥1 300 kN,不斷。由表2可見,采用通用焊接工藝參數(shù)焊接不同鋼種、不同強(qiáng)度級(jí)別的鋼軌,均符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
3.2疲勞試驗(yàn)
鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定60 kg/m鋼軌焊接接頭疲勞試驗(yàn)合格標(biāo)準(zhǔn):疲勞試驗(yàn)支距1 m,載荷頻率為(5±0.5)Hz,載荷比為0.2,最小載荷95 kN,最大載荷470 kN,載荷循環(huán)2×106次不斷。
表2中4種鋼軌組合,計(jì)12根疲勞試件,全部達(dá)到了2×106次載荷循環(huán),沒有出現(xiàn)斷裂,符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
3.3拉伸試驗(yàn)
按照鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.1—2014規(guī)定進(jìn)行取樣,不同鋼種鋼軌焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3。序號(hào)1和2的鋼軌組合抗拉強(qiáng)度近于880 MPa級(jí)鋼軌指標(biāo),序號(hào)3的鋼軌組合抗拉強(qiáng)度近于980 MPa級(jí)鋼軌指標(biāo)??梢娊宇^抗拉強(qiáng)度主要取決于鋼軌組合中強(qiáng)度級(jí)別較低的鋼軌。斷后伸長率分布在7.6%~8.6%,抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率均符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。
表2 不同鋼種鋼軌焊接接頭靜彎試驗(yàn)結(jié)果
3.4沖擊試驗(yàn)
按照鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.1—2014規(guī)定進(jìn)行取樣,不同鋼種鋼軌焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4。不同鋼種鋼軌焊接接頭的沖擊吸收能量為14.7~21.8 J,差別不顯著,均大于6.5 J,符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
3.5硬度試驗(yàn)
按照鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.2—2014規(guī)定進(jìn)行取樣,對(duì)每種組合鋼軌接頭測試軌頂面布氏硬度(HB)和縱斷面洛氏硬度(HRc),不同鋼種鋼軌焊接接頭硬度測量結(jié)果見表5,軟化區(qū)寬度測量結(jié)果見表6。
在硬度測試數(shù)據(jù)中,焊接接頭的硬度是平均值,母材硬度以強(qiáng)度級(jí)別較低的鋼軌母材平均值確定。6種鋼軌組合的焊接接頭軌頂面布氏硬度、縱斷面測試線1硬度,基本都在母材硬度的1.02%~1.10%。只有U71MnG+U76CrRE組合接頭頂面和縱斷面硬度達(dá)到母材硬度1.12%和1.13%。比值偏高的原因:一是U76CrRE鋼軌使接頭硬度數(shù)值偏高;二是以強(qiáng)度級(jí)別較低的鋼軌確定母材硬度使母材數(shù)值偏低。因此,在《不同鋼種鋼軌焊接暫行技術(shù)要求》中將混焊接頭的硬度指標(biāo)規(guī)定為:HJ/HP≥0.95,沒有要求上限。
以母材硬度平均值的90%定軟化區(qū)寬度,不同鋼種鋼軌間的焊接以強(qiáng)度級(jí)別較低的鋼軌確定母材硬度。
表3 不同鋼種鋼軌焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果
表4 不同鋼種鋼軌焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果 J
表5 不同鋼種鋼軌焊接接頭硬度測量結(jié)果
表6 不同鋼種鋼軌焊接接頭軟化區(qū)寬度測量結(jié)果 mm
3.6顯微組織和晶粒度
按照鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.2—2014規(guī)定進(jìn)行取樣,對(duì)每種組合的鋼軌接頭測試顯微組織和晶粒度。測量結(jié)果表明,焊縫的顯微組織是珠光體和鐵素體,熱影響區(qū)的顯微組織是珠光體,符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。不同鋼種鋼軌焊接接頭焊縫晶粒度測量結(jié)果見表7。
表7 不同鋼種鋼軌焊接接頭焊縫晶粒度測量結(jié)果 級(jí)
采用通用焊接工藝參數(shù)對(duì)不同鋼種鋼軌組合的鋼軌進(jìn)行焊接,開展靜彎、疲勞、拉伸、沖擊、硬度、顯微組織和晶粒度檢驗(yàn)。檢驗(yàn)結(jié)果表明,焊接接頭全部符合鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼軌焊接 第2部分:閃光焊接》的要求。
拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,接頭抗拉強(qiáng)度主要取決于鋼軌組合中強(qiáng)度級(jí)別較低的鋼軌。沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明,不同鋼種鋼軌混焊接頭的沖擊吸收能量差別不顯著。接頭硬度與母材硬度之比均大于0.90。
采用通用焊接工藝參數(shù)焊接不同鋼種鋼軌,接頭性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求,技術(shù)上可行,有利于提高全路鋼軌的使用水平。
[1] 丁韋,劉艷紅,黃辰奎,等. 國內(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):7-9.
[2] 丁韋,白國慶,李力,等. 移動(dòng)式鋼軌閃光焊設(shè)備及工藝[J]. 鐵道建筑,2010(2):110-112.
[3] 李京增,胡玉堂,田甜,等. 槽型鋼軌閃光焊接頭與鋁熱焊接頭的性能試驗(yàn)研究[J]. 鐵道建筑,2013(6):150-152.
[4] TB/T 1632—2015 鋼軌焊接[S].
田 甜:中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所,助理研究員,北京,100081
高文會(huì):中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所,研究員,北京,100081
責(zé)任編輯 盧敏
基金項(xiàng)目:中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2014G002-G)。
中圖分類號(hào):TG47
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1672-061X(2016)02-0066-03