石彤 馮子凌 崔成林 張銀花

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081

重載鐵路標(biāo)準(zhǔn)由國際重載運(yùn)輸協(xié)會(huì)（International Heavy Haul Association，IHHA）于1986年制定，此后于1994年和2005年分別進(jìn)行了兩次修訂，最終明確了重載鐵路需滿足以下三個(gè)條件中的兩個(gè)：列車質(zhì)量不小于8 000 t；軸重達(dá)27 t以上；在長度不小于150 km線路上年運(yùn)量不低于4 000萬t［1］。

從世界范圍來看，大軸重重載運(yùn)輸已成為世界鐵路貨運(yùn)發(fā)展的方向。美國、澳大利亞、加拿大等國家的重載鐵路車輛軸重普遍在23 t以上，其中運(yùn)輸鐵礦石的FMG（Fortescue Metals Group Ltd）鐵路軸重已達(dá)40 t［2-4］。目前，中國已建立25 t軸重下重載鐵路技術(shù)體系，并在大秦鐵路等重載線路成功應(yīng)用，創(chuàng)造了年運(yùn)量5億t的世界領(lǐng)先水平［5-6］。近年來，北同蒲鐵路、大秦鐵路已經(jīng)成功開行27 t軸重的C80E型貨車。中國已經(jīng)成功建成了首條30 t軸重重載鐵路瓦日鐵路，并進(jìn)一步推廣應(yīng)用于浩吉鐵路，通過提高軸重來增加運(yùn)量，提高鐵路運(yùn)輸效益［7-8］。

大秦鐵路是中國第一條雙線電氣化開行重載單元列車的運(yùn)煤專線，于1992年12月全線開通，車輛軸重以25 t為主。鋼軌主要傷損類型為側(cè)磨、剝離掉塊、疲勞核傷以及焊接接頭傷損，其中焊接接頭傷損以現(xiàn)場小型氣壓焊最為嚴(yán)重，其次是鋁熱焊［9］。2014年，大秦鐵路開始運(yùn)行27 t軸重的C80E型貨車，鋼軌傷損類型主要是焊縫傷損和母材核傷，焊縫傷損約為母材傷損的2~3倍［10-11］?？梢姡剌d鐵路鋼軌鋁熱焊接頭值得重點(diǎn)研究和關(guān)注。

本文依托美國交通技術(shù)中心（Transportation Technology Center，Inc.，TTCI）試驗(yàn)段開展相關(guān)試驗(yàn)，對鋼軌鋁熱焊接頭傷損進(jìn)行分析，找出其失效原因，并提出改進(jìn)措施與建議。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

TTCI試驗(yàn)段半徑350 m的曲線區(qū)段上股鋁熱焊接頭在通過總質(zhì)量46 Mt時(shí)發(fā)生了軌距角剝離傷損。該曲線區(qū)段鋪設(shè)68 kg/m的U78CrV熱處理鋼軌。該區(qū)段長度約100 m，包含16個(gè)閃光焊接頭和4個(gè)鋁熱焊接頭；列車軸重35.7 t，累計(jì)通過總質(zhì)量254 Mt。主要試驗(yàn)內(nèi)容如下。

1）對傷損鋁熱焊接頭進(jìn)行理化檢驗(yàn)，包括：利用數(shù)碼相機(jī)對焊接接頭拍照，進(jìn)行宏觀形貌觀察；采用ARL?4460真空直讀光譜儀對接頭進(jìn)行化學(xué)成分分析；采用R574洛氏硬度計(jì)對接頭進(jìn)行踏面硬度測試；采用Leica DMI 5000M光學(xué)顯微鏡對試樣縱截面進(jìn)行金相組織觀察；采用FEI?Quanta 400掃描電子顯微鏡對試樣進(jìn)行斷口形貌微觀觀察及能譜成分分析。

2）結(jié)合不同通過總質(zhì)量下的接頭平直度數(shù)據(jù)對傷損接頭進(jìn)行分析，平直度采用R2S電子平直尺進(jìn)行測試。

3）對鋁熱焊砂型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過滲透探傷和光學(xué)顯微鏡檢驗(yàn)各砂型結(jié)構(gòu)下的接頭疏松情況，得出疏松最少的軌縫數(shù)值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀形貌

傷損鋁熱焊接頭宏觀形貌見圖1。經(jīng)探傷可知，傷損位于鋁熱焊接頭軌頭中心部位，沿鋼軌縱向長為90 mm，橫向?qū)挒?5 mm，靠近工作邊一側(cè)，即圖1（a）、圖1（b）中白色區(qū)域?？梢钥闯觯搨麚p為軌距角剝離裂紋傷損。傷損部位經(jīng)線切割取下后，試樣長50 mm，厚12 mm，高34 mm?？梢悦黠@地看到軌頭踏面工作邊一側(cè)存在水平裂紋，裂紋源位于工作邊一側(cè)，從外側(cè)向內(nèi)部擴(kuò)展。

圖1 鋁熱焊接頭傷損宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分

對焊接接頭焊縫中心進(jìn)行化學(xué)成分分析。美國鐵路工程和維修協(xié)會(huì)（American Railway Engineering and Maintenance?of?Way Association，AREMA）鋼軌標(biāo)準(zhǔn)AREMA—2017《工程師手冊第3章鋼軌焊接接頭》中未對焊接接頭的合金元素含量進(jìn)行規(guī)定，因此采用中國標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.3—2019《鋼軌焊接第3部分：鋁熱焊接》進(jìn)行評價(jià)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，焊接接頭化學(xué)成分均滿足中國標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 踏面硬度

按照TB/T 1632.3—2019對鋁熱焊接頭取樣，進(jìn)行洛氏硬度分布及軟化區(qū)寬度測量，硬度測試采用HRC標(biāo)尺，間距2 mm，結(jié)果見圖2?？芍孩俾迨嫌捕葴y試長度320 mm，鋁熱焊接頭焊縫中心硬度為36~37 HRC；鋼軌母材硬度為40~41 HRC，平均值為40.69 HRC；焊接接頭兩側(cè)低硬度區(qū)域在距離焊縫中心±（64~74）mm處，兩側(cè)鋼軌熔合線在距離焊縫中心±56 mm處。②左右兩側(cè)軟化區(qū)寬度均為12 mm，符合TB/T 1632.3—2019標(biāo)準(zhǔn)要求（≤30 mm）。

圖2 鋁熱焊接頭洛氏硬度分布及軟化區(qū)寬度測量結(jié)果

2.4 顯微組織

對鋁熱焊接頭焊縫、熔合區(qū)、熱影響區(qū)的顯微組織進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖3。可知：焊縫、熱影響區(qū)的顯微組織均為珠光體和少量鐵素體，熔合區(qū)的顯微組織為珠光體。焊接接頭的各區(qū)域未見異常組織。

圖3 鋁熱焊接頭顯微組織形貌

2.5 掃描電鏡觀測

將接頭裂紋斷口經(jīng)超聲波設(shè)備清洗后放置于掃描電鏡下，進(jìn)行微觀形貌觀察，結(jié)果見圖4?？芍毫鸭y的疲勞擴(kuò)展區(qū)位于試樣下方，裂紋擴(kuò)展區(qū)為疲勞碾壓形貌，并伴有部分銹蝕；裂紋源位于工作邊表面；在裂紋源一側(cè)觀察到異常形貌，即裂紋源附近的斷口存在顯微疏松，高倍下［圖4（c）］發(fā)現(xiàn)疏松區(qū)域存在高溫熔融特征。

圖4 裂紋源掃描電鏡觀察

對裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行能譜成分分析，測試位置見圖5，能譜分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明，裂紋擴(kuò)展區(qū)Si、Mn、Cr、Ni合金元素含量與焊劑的設(shè)計(jì)成分相近；裂紋源區(qū)除Fe元素外還含有少量S、K、Ca元素，O元素含量較高是氧化的結(jié)果；裂紋源區(qū)Si元素偏高，Cr、Mn、Ni合金元素含量偏低。能譜分析結(jié)果表明，裂紋源區(qū)具有典型的疏松特征，疏松缺陷是焊接接頭軌距角剝離裂紋傷損產(chǎn)生的原因。

圖5 裂紋源（譜圖1）和裂紋擴(kuò)展區(qū)（譜圖2）能譜分析位置

表1 裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)能譜分析結(jié)果 %

2.6 接頭低塌

分別在通過總質(zhì)量0、22、44 Mt時(shí)對4個(gè)鋁熱焊接頭進(jìn)行平直度測量，其中焊縫低塌量最大的接頭的測量結(jié)果見圖6。

圖6 接頭焊縫低塌測量結(jié)果

由圖6可知，通過總質(zhì)量22、44 Mt時(shí)該接頭的焊縫低塌量分別為0.19、0.25 mm。該接頭在通過總質(zhì)量46 Mt時(shí)出現(xiàn)踏面剝離傷損?？梢?，較嚴(yán)重的焊縫低塌在一定程度上與傷損的出現(xiàn)存在相關(guān)性。

2.7 砂型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對鋁熱焊接頭疏松缺陷，開展焊接工藝優(yōu)化試驗(yàn)，以增強(qiáng)冒口的補(bǔ)償收縮能力，減少疏松出現(xiàn)概率。1#—4#鋁熱焊接頭的軌縫分別為28、30、32、34 mm。

對4個(gè)鋁熱焊接頭進(jìn)行探傷，發(fā)現(xiàn)焊縫中心存在反射波。對焊縫中心取金相試樣，采用滲透探傷的方法對其進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)接頭疏松缺陷位于軌頭中心處，隨著軌縫增大，疏松缺陷數(shù)量有增多的趨勢。1#鋁熱焊接頭焊縫中心無明顯疏松缺陷；2#鋁熱焊接頭焊縫中心有少量疏松缺陷；3#和4#焊縫中心疏松缺陷較多。利用金相顯微鏡對金相試樣（未經(jīng)過浸蝕）進(jìn)行觀察（圖7），觀察結(jié)果與滲透探傷結(jié)果相吻合。因此，應(yīng)選擇28 mm軌縫砂型結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋁熱焊接。。

圖7 不同軌縫的鋁熱焊接頭焊縫中心疏松缺陷

綜上可知，軌縫對鋁熱焊接頭的疏松缺陷影響較大，隨著軌縫的增大，鋁熱焊接頭焊縫中心疏松缺陷數(shù)量和尺寸明顯增加。28 mm軌縫在大軸重條件下較為適應(yīng)。

3 分析與討論

由化學(xué)成分、踏面硬度、顯微組織分析可知，傷損鋁熱焊接頭不存在異常。微觀形貌觀察和能譜分析表明，裂紋源區(qū)疏松是導(dǎo)致鋁熱焊接頭軌距角剝離裂紋傷損產(chǎn)生的直接原因。疏松缺陷割斷了材料內(nèi)部的連續(xù)性，是材料中最薄弱的環(huán)節(jié)。在實(shí)際鐵路運(yùn)營中，有很多由于鋁熱焊接頭疏松缺陷導(dǎo)致的傷損［12-13］。應(yīng)通過延長焊接預(yù)熱時(shí)間、嚴(yán)格控制預(yù)熱溫度、改進(jìn)砂型結(jié)構(gòu)等方式避免接頭疏松。

對不同通過總質(zhì)量下的鋁熱焊接頭平直度跟蹤觀測數(shù)據(jù)表明，較大的焊縫低塌使接頭和母材的平順性變差，也會(huì)引起接頭傷損。較大的磨耗低塌量是焊縫和熱影響區(qū)的硬度普遍偏低所致。大軸重運(yùn)行條件下，鋼軌母材的硬度有所提高，但鋁熱焊焊縫較軟，隨之產(chǎn)生磨耗低塌。同時(shí)，半徑350 m的小半徑曲線上股鋼軌及接頭所承受的應(yīng)力較大［14］，加重了焊縫與母材硬度不匹配的劣勢。因此，建議及時(shí)對低塌的鋁熱焊接頭進(jìn)行修理性打磨，提高平順性，減少?zèng)_擊，從而延長鋁熱焊接頭的服役壽命。

鋁熱焊砂型結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果表明，較窄的軌縫可以避免疏松缺陷，從而提高接頭性能。既有研究表明，鋼軌鋁熱焊軌縫對接頭性能具有顯著影響，當(dāng)焊接軌縫在32~40 mm時(shí)易在焊縫中央形成顯微疏松缺陷，使接頭的靜彎載荷低于標(biāo)準(zhǔn)要求；軌縫在24~30 mm時(shí)接頭靜彎載荷可滿足標(biāo)準(zhǔn)要求［15］。對于大軸重重載鐵路用鋼軌，需提高鋁熱焊接頭的靜彎值要求以提供足夠的承載能力。因此，適當(dāng)降低軌縫寬度，有利于提高接頭強(qiáng)度，減少傷損。

4 結(jié)論及建議

為分析重載鐵路鋁熱焊接頭傷損產(chǎn)生原因，本文通過宏觀形貌觀察、化學(xué)成分測試、踏面硬度測試、顯微組織觀察、掃描電鏡分析、能譜成分測試等方法，結(jié)合鋁熱焊接頭服役過程中的平直度數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。主要結(jié)論如下：

1）35.7 t軸重半徑350 m的小半徑曲線服役條件下鋁熱焊接頭軌距角剝離裂紋傷損的原因是焊縫中心存在內(nèi)部疏松缺陷。

2）在鋁熱焊接頭服役過程中，焊縫低塌在一定程度上與傷損的出現(xiàn)存在相關(guān)性。

3）采用28 mm軌縫焊接的鋁熱焊接頭焊縫中心無明顯疏松缺陷，在大軸重條件下較為適應(yīng)。

4）建議在大軸重條件下對68 kg/m鋼軌的鋁熱焊砂型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，適當(dāng)降低焊縫寬度，以減少疏松缺陷。同時(shí)，及時(shí)對低塌的鋁熱焊接頭進(jìn)行修理性打磨，以提高接頭平順性。