石孟雷 崔成林 馮子凌 王巖

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

軌道平順性是影響行車安全和控制行車速度的重要因素［1-2］。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，大多數(shù)原始不平順都發(fā)生在鋼軌焊接接頭處［3］。因此，除了鋼軌焊接接頭的內(nèi)在性能外，通過(guò)合理打磨控制接頭平直度進(jìn)而提高焊接接頭的外觀質(zhì)量亦至關(guān)重要［4-5］。

鋁熱焊因?yàn)槠洳僮骱?jiǎn)單、快捷，廣泛應(yīng)用于線路修復(fù)和斷軌搶修中［6-7］。線路應(yīng)急搶修天窗時(shí)間短，無(wú)法對(duì)鋁熱焊接頭精磨，制約了鋁熱焊接頭平直度的提高。接頭附近不平順會(huì)導(dǎo)致輪軌力異常波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)軌輪間作用力可達(dá)靜輪載的3 倍，一方面會(huì)大大惡化鋼軌的工作狀態(tài)，縮短其壽命，另一方面會(huì)促使接頭向大范圍不平順發(fā)展［8-9］。

本文針對(duì)侯月線貝氏體鋼軌試驗(yàn)段內(nèi)鋁熱焊接頭焊縫低塌的問(wèn)題，通過(guò)試驗(yàn)分析軌頂焊筋預(yù)留打磨量、終打磨溫度對(duì)鋁熱焊接頭焊后平直度的影響，優(yōu)化鋁熱焊打磨工藝參數(shù)，以避免焊縫低塌。

1 鋁熱焊接頭焊縫低塌原因

選取侯月線K0+80—K2+80 試驗(yàn)段內(nèi)鋁熱焊接頭，焊接后第2 d 使用SEC-RC 電子平直儀測(cè)量接頭平直度，發(fā)現(xiàn)個(gè)別接頭焊縫低塌，而且平直度曲線與磨耗引起的低塌有明顯不同。

1.1 磨耗引起的接頭低塌

選取侯月線服役一段時(shí)間后，由于磨耗不同引起焊縫低塌的鋁熱焊接頭，使用里氏硬度計(jì)沿鋼軌縱向?qū)ζ溥M(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試范圍為焊縫中心兩側(cè)各150 mm，測(cè)點(diǎn)間隔5 mm；使用SEC-RC 電子平直儀測(cè)量該接頭的平直度。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 低塌接頭的硬度及平直度曲線

從圖1可見(jiàn)：焊縫及軟化區(qū)的硬度低于母材，軟化區(qū)硬度最低；接頭附近的硬度曲線與平直度曲線相關(guān)性較強(qiáng)，硬度較低的焊縫及軟化區(qū)相對(duì)于母材低塌，溝壑狀明顯。接頭各個(gè)位置的磨耗量與硬度密切相關(guān)，服役過(guò)程中硬度較低的焊縫及軟化區(qū)磨耗量大于母材，隨著服役時(shí)間延長(zhǎng)，接頭逐漸低塌，且硬度最低的軟化區(qū)低塌最嚴(yán)重。

這種由接頭各個(gè)位置磨耗量不同引起的接頭低塌可以通過(guò)提高接頭內(nèi)部質(zhì)量及調(diào)整硬度分布來(lái)改善［10］。在不改變接頭耐磨性的情況下，通過(guò)適當(dāng)?shù)拇蚰シ椒ㄊ菇宇^最高點(diǎn)偏標(biāo)準(zhǔn)上限可以延緩焊縫低塌的出現(xiàn)時(shí)間。

1.2 打磨溫度引起的接頭低塌

使用SEC-RC 電子平直儀測(cè)量試驗(yàn)段內(nèi)2 種鋁熱焊接頭焊后第2 d的平直度，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 焊后第2 d接頭的2種平直度曲線

由圖2 可見(jiàn)，2 種接頭距離焊縫中心150 mm 外的平直度曲線基本為一條直線，僅上拱度略有差異。距離焊縫中心150 mm 以內(nèi)，接頭a 為一條平滑的曲線，最高點(diǎn)在焊縫中心，是理想的平直度曲線；接頭b的焊縫低塌，接頭最高點(diǎn)位于母材上，這種不平順會(huì)惡化接頭的服役條件，應(yīng)該盡量避免。

鋁熱焊劑反應(yīng)后鋼水溫度可以達(dá)到2 000 ℃以上［11］，焊接時(shí)有大量熱輸入，導(dǎo)致接頭沿鋼軌縱向溫度梯度大，冷卻過(guò)程中焊縫收縮量大于母材。天窗作業(yè)時(shí)由于受時(shí)間限制，有時(shí)終打磨后接頭溫度遠(yuǎn)高于室溫，隨后冷卻過(guò)程中焊縫繼續(xù)收縮，從而導(dǎo)致焊縫中心下凹，呈現(xiàn)接頭b 的平直度曲線特征。這種由打磨引起的焊縫低塌可以通過(guò)改進(jìn)打磨工藝避免。

2 初打磨時(shí)預(yù)留打磨量的計(jì)算

初打磨時(shí)接頭溫度過(guò)高或軌頂焊筋預(yù)留量不足，終打磨時(shí)焊縫處已經(jīng)低塌，必須加大向下的打磨量、增加打磨范圍，才能消除焊縫處的低塌。當(dāng)焊縫低塌較大時(shí)，打磨量也相應(yīng)增加，打磨后難以滿足接頭最高點(diǎn)偏標(biāo)準(zhǔn)上限的要求。為了避免這種情況，初打磨時(shí)應(yīng)為終打磨預(yù)留充足的打磨量。

使用60 kg/m 級(jí)U71Mn 鋼軌進(jìn)行鋁熱焊試驗(yàn)，選用ZTK-I 型鋁熱焊劑及配套焊接用品，軌縫30 mm，起拱量2 mm，焊1 個(gè)鋁熱焊接頭。推瘤結(jié)束立即初打磨，使用HE-P 手持紅外測(cè)溫儀測(cè)量軌頭側(cè)面溫度，測(cè)得溫度為750 ℃。假設(shè)焊縫不受母材約束，上下兩端同時(shí)自由收縮，焊縫上端收縮量h1為

式中：L0為鋼軌高度；α為鋼軌線膨脹系數(shù)；ΔT為溫度差。

以初打磨后的焊縫溫度為初始溫度，室溫為終止溫度，按式（1）計(jì)算可得，焊縫上端最大收縮量為0.76 mm。由于焊縫金屬受周圍金屬制約，冷卻時(shí)焊縫不能自由收縮，所以實(shí)際收縮值小于0.76 mm。

為了使終打磨后的接頭最高點(diǎn)偏標(biāo)準(zhǔn)上限，初打磨后應(yīng)預(yù)留一定的高度余量h2。現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)由于受軌道應(yīng)力、軌溫、線路狀況等因素影響，即使起拱量相同，接頭在冷卻至室溫后，上拱度也會(huì)有微小差異。如圖3 所示，若接頭冷卻至室溫時(shí)上拱度為0，初打磨后預(yù)留0.3 mm 的高度余量可以滿足終打磨后接頭最高點(diǎn)偏標(biāo)準(zhǔn)上限的要求。若接頭冷卻至室溫時(shí)上拱度在0～0.3 mm，適當(dāng)增加打磨量即可。

圖3 焊縫打磨示意

初打磨和終打磨均使用仿形打磨機(jī)對(duì)軌頭進(jìn)行打磨，打磨人員操作手法不同也是影響接頭平直度的原因之一。除需預(yù)留h1和h2外，還需預(yù)留一定的打磨余量h3。綜上所述，初打磨時(shí)預(yù)留打磨量H應(yīng)為

本試驗(yàn)使用的仿形打磨機(jī)進(jìn)給精度為0.2 mm，預(yù)留0.2 mm 的打磨余量可以提高打磨容錯(cuò)率。H=0.76＋0.3＋0.2=1.26 mm。即現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)初打磨后軌頂焊筋應(yīng)預(yù)留1.3 mm 以上的打磨量。根據(jù)線路條件和施工人員水平可以對(duì)預(yù)留打磨量進(jìn)行微調(diào)。

3 終打磨溫度對(duì)焊縫平直度的影響

使用相同焊接材料及工藝，焊接5個(gè)鋁熱焊接頭。推瘤后進(jìn)行初打磨，預(yù)留打磨量為1.3 mm。當(dāng)焊縫中心溫度降低至500，400，300，200 ℃和室溫時(shí)進(jìn)行終打磨，打磨軌頂焊筋至平順，打磨范圍600 mm。當(dāng)焊縫中心溫度降低至室溫后，使用SEC-RC 電子平直儀測(cè)量接頭平直度，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同終打磨溫度時(shí)接頭的平直度曲線

由圖4 可見(jiàn)：①終打磨溫度200 ℃的接頭與終打磨溫度為室溫的接頭平直度曲線特征相同，為一條平滑的曲線，最高點(diǎn)位于焊縫中心，說(shuō)明終打磨溫度低于200 ℃時(shí)不會(huì)出現(xiàn)焊縫低塌。②終打磨溫度為500，400，300 ℃時(shí)，接頭冷卻至室溫后，焊縫中心附近出現(xiàn)不同程度的低塌。終打磨溫度越低，接頭冷卻至室溫后低塌范圍越小。

接頭最高點(diǎn)與低塌范圍內(nèi)最低點(diǎn)的高度差稱為焊縫低塌量。焊縫低塌量與終打磨溫度的關(guān)系曲線見(jiàn)圖5。可知，終打磨溫度為500，400，300 ℃時(shí)焊縫低塌量分別為0.36，0.11，0.04 mm。焊縫低塌量隨著終打磨溫度降低而減小。低塌量減小幅度隨著終打磨溫度降低而逐漸減緩。終打磨溫度低于300 ℃時(shí)焊縫低塌量變化較小。

圖5 焊縫低塌量與終打磨溫度的關(guān)系曲線

以推瘤結(jié)束為時(shí)間起點(diǎn)，測(cè)量冷卻過(guò)程中接頭縱向溫度，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 接頭縱向溫度分布

由圖6 可見(jiàn)，隨時(shí)間推移接頭縱向溫度變化幅度較小。終打磨溫度越低，焊縫中心溫度降低至室溫時(shí)其收縮量與熱影響區(qū)的收縮量相差越小，則焊縫低塌量越小。

現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，焊縫溫度低于200 ℃進(jìn)行終打磨可以避免接頭焊縫低塌。天窗作業(yè)時(shí)終打磨溫度應(yīng)低于300 ℃，或者推瘤后40 min進(jìn)行終打磨。

4 實(shí)際應(yīng)用

天窗作業(yè)時(shí)，采用“初打磨+終打磨”的方式打磨2個(gè)鋁熱焊接頭。焊后第2 d使用SEC-RC 電子平直儀測(cè)量接頭平直度，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖7。可見(jiàn)，采用“初打磨+終打磨”方式打磨的鋁熱焊接頭焊縫無(wú)低塌，2 個(gè)接頭高度有微小的差異，均在0.3 mm左右。

圖7 “初打磨+終打磨”方式打磨的接頭平直度曲線

5 結(jié)論

1）焊接60 kg/m 鋼軌鋁熱焊接頭時(shí)，初打磨不應(yīng)將軌頂焊筋打磨平順，應(yīng)預(yù)留1.3 mm以上的打磨量。

2）終打磨溫度越低焊縫低塌量越小，焊縫低塌量減小幅度隨終打磨溫度降低而逐漸減緩。

3）終打磨溫度為300 ℃時(shí)焊縫低塌量較??；終打磨溫度低于200 ℃時(shí)焊縫無(wú)低塌現(xiàn)象。

4）采用“初打磨+終打磨”的打磨方式可以避免鋁熱焊接頭焊縫低塌。