不同鋼種鋼軌焊接接頭的力學(xué)性能研究

■ 田甜　高文會(huì)

?

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(kāi)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)

1　概述

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(wèn)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　試驗(yàn)方案

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(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)項(xiàng)目

3　試驗(yàn)結(jié)果與分析

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(jiàn)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(jiàn)，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(méi)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(jiàn)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)。可見(jiàn)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。斷后伸長(zhǎng)率分布在7.6%～8.6%，抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)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(jiàn)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(cè)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(cè)量結(jié)果見(jiàn)表5，軟化區(qū)寬度測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表6。

在硬度測(cè)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(cè)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(méi)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(cè)量結(jié)果

表6　不同鋼種鋼軌焊接接頭軟化區(qū)寬度測(cè)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(cè)試顯微組織和晶粒度。測(cè)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(cè)量結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　不同鋼種鋼軌焊接接頭焊縫晶粒度測(cè)量結(jié)果　級(jí)

4　結(jié)論

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(kāi)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。

5　參考文獻(xiàn)

[1] 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)：7-9.

[2] 丁韋，白國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)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