鋼軌現場焊打磨工藝對接頭質量的影響

賈 春，戴 虹，汪鵬舉，鐘 元，李正浩

（1.西寧工務機械段，青海西寧810006；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

鋼軌現場焊打磨工藝對接頭質量的影響

賈 春1，戴 虹2，汪鵬舉2，鐘 元2，李正浩2

（1.西寧工務機械段，青海西寧810006；2.西南交通大學材料科學與工程學院，四川成都610031）

針對無縫線路換鋪工程中的鋼軌焊接接頭踏面上出現的縱向裂紋問題，采用現代材料分析方法分析該類裂紋的特征和組織形貌；采用數控鋼軌仿形精磨機進行打磨工藝的模擬對比試驗，探討該類裂紋的形成原因。結果表明，縱向裂紋的產生原因是焊后打磨操作違規導致焊接接頭軌頂面打磨發藍，形成了薄殼狀馬氏體硬化層，在列車車輪碾壓作用下形成了沿縱向的表面裂紋，致使鋼軌接頭損傷。打磨壓力越大，砂輪硬度越高，焊頭表面越容易發生打磨發藍現象。

鋼軌焊接接頭；表面裂紋；馬氏體硬化層；打磨工藝

0 前言

在無縫線路換鋪施工工程中，鋼軌現場焊接完成后，接頭都需要經過打磨或精磨工序才能滿足《鋼軌焊接》TB/B1632標準要求的平順性。打磨工序和打磨工藝是保證焊接接頭質量的最終環節。

在實際工程中，發現有的焊接接頭踏面出現了沿鋼軌縱向的表面裂紋，給線路安全帶來隱患。本研究采用現代材料分析方法和打磨工藝的模擬對比實驗方法，針對該類裂紋的形貌特征、形成條件以及開裂機理進行研究，對現場焊接施工過程中如何有效防止或杜絕產生該類裂紋、保證焊接接頭質量提出了有效措施。

1 試驗條件

1.1 傷損鋼軌焊接接頭

換鋪采用的鋼軌為包鋼U71Mn熱軋60 kg/m軌。其傷損接頭如圖1所示，裂紋沿著鋼軌縱向

分布，開裂區域35 mm×8 mm，在該區域內有明顯的垂直于裂紋方向的砂輪打磨痕跡。

圖1 傷損鋼軌焊接接頭縱向裂紋形貌

1.2 打磨試驗設備

打磨試驗設備采用數控鋼軌仿形精磨機，該機可以對鋼軌進行仿形打磨，打磨壓力可以檢測和控制[2]。該機采用的砂輪外型與通用仿形打磨機一致。

1.3 打磨試驗條件

選用兩種工程中通用的打磨砂輪，其特性參數如表1所示（其中砂輪2#的粒度粗、硬度高）。打磨試驗采用攀鋼60 kg/m U71Mn氣壓焊接頭。打磨工藝為：打磨壓力50～700 N、打磨時間2～25 s，觀察表面發藍和硬化程度。

表1 對比試驗用砂輪的特性參數

1.4 分析測試設備

采用蔡司Axio Observer A1m體視顯微鏡觀察裂紋低倍特征；采用OU1200里氏硬度計測試軌頂面的硬度；采用HVS-30維氏硬度計測試硬化層和母體硬度；采用JSM-9600LV型掃描電鏡觀察組織。

2 損傷接頭觀察結果分析

2.1 低倍觀察

損傷接頭裂紋低倍特征形貌如圖2所示（硬化層深度小于等于561 μm），可見裂紋區域的鋼軌踏面有最大深度為0.561 mm的硬化層，裂紋位于硬化層中平直開裂，當擴展到母體時發生彎曲。

圖2 損傷接頭裂紋特征形貌

2.2 硬度測試

裂紋區域的硬化層和母體的維氏顯微硬度壓痕特征如圖3a所示，硬度如圖3b所示，可見硬化層硬度遠遠高于母體硬度。

圖3 硬化層和母體硬度壓痕及硬度值對比

2.3 掃描電鏡觀察

如圖4所示，在硬化層內的組織為針狀馬氏體（見圖4a），母體內的組織為片狀珠光體（見圖4b），縱向裂紋呈現出沿著硬脆的針狀馬氏體區擴展的趨勢特征[1]（見圖4c～圖4f）。

2.4 損傷接頭縱向裂紋產生原因分析

目前，我國全路鋼軌焊接接頭焊后打磨都采用仿形打磨機，如圖5所示。

該設備完全是手動工作方式，由人工操作完成打磨作業，砂輪的往復運動由人手推行機架，仿形角度由手控機架傾斜角度，手動調節進給手柄控制打磨壓力。打磨質量完全依賴于操作人員的作業水平，經常發生手控砂輪進給量過大，導致打磨壓力過大，很難實現打磨過程的精確控制，尤其在天窗時間結束前或在夜間施工時，常常發生壓力過大、長

時間停留等違規操作，容易導致打磨軌面局部溫度急劇升高，超過奧氏體相變溫度，同時在相鄰金屬的快速冷卻作用下，在高溫打磨發藍區域表面產生高碳馬氏體的硬脆相組織，形成硬化層，在線路開通后，列車通過時車輪碾壓焊頭發藍區，馬氏體硬化層就不可避免地產生開裂，因此表現為該處焊接接頭軌頂面過早出現裂紋重傷。

圖4 掃描電鏡下觀察到的損傷接頭裂紋特征形貌

圖5 通用仿形打磨機打磨鋼軌示意

3 打磨對比試驗結果

為了模擬人工操作仿形磨時的施力條件，根據打磨原理，通過控制砂輪進給量，實現鋼軌軌面上的打磨壓力控制。在此選擇打磨壓力、砂輪類型和打磨時間等工藝參數，固定軌頂面打磨位置，進行打磨工藝模擬對比試驗。

3.1 打磨時間與發藍程度的關系

調整打磨工藝（進給壓力F=250 N，t1=10 s，t2= 12 s，t3=15 s，t4=20 s），獲得的不同程度的鋼軌軌頂面發藍特征如圖6所示。在打磨壓力不變的條件下，發藍程度隨打磨時間的增長而加重。

圖6 不同打磨時間條件下的發藍程度特征

3.2打磨壓力與發藍時間的關系

記錄打磨壓力與軌頂面發藍時間，繪制打磨壓力和發藍時間變化曲線，如圖7所示。曲線的右上方為發藍區，左下方為未發藍區。

圖7 打磨壓力與軌面發藍時間的關系

由圖7可知，隨著打磨壓力的增大，鋼軌越容易打磨發藍，為了避免發藍，打磨壓力的設定應在未發藍區域。

3.3 砂輪種類與發藍的關系

砂輪硬度是指磨粒在外力作用下從磨具表面脫落的難易程度，是影響磨削區溫度的重要因素，是影響打磨質量的關鍵因素。砂輪粒度直接影響工件表面粗糙度及磨削效率，打磨鋼軌時常用的砂輪粒度為16#～24#。選用表1中2#和1#兩種不同規格的砂輪進行打磨對比試驗，結果如圖8和圖9所示。

圖8 打磨砂輪類型、壓力與發藍時間關系曲線

圖9 打磨壓力與硬度值的關系

打磨砂輪硬度越高，打磨壓強越大，其打磨發藍時間越短，對應打磨的軌頂面硬度值越高。

3.4 發藍程度與硬度的關系

對不同發藍程度的軌頂面進行硬度測試，結果如圖10所示。可見，隨著打磨發藍程度的加重，發藍區域的硬度值越來越高，遠遠高于母材硬度，與損傷接頭試件的硬度水平相符（本研究以發藍1程度作為鋼軌打磨發藍的判斷依據）。

圖10 發藍程度與軌頂面硬度變化關系

4 結論

（1）采用仿形打磨機打磨鋼軌時，打磨壓力越大，砂輪硬度越高，焊頭表面越容易打磨發藍。

（2）損傷接頭縱向裂紋的產生原因是焊后打磨時，打磨壓力過大，砂輪選擇偏硬，同一位置打磨停留時間過長，在踏面上形成了薄殼狀的馬氏體硬化層后，在列車車輪碾壓條件下形成沿縱向表面裂紋，屬焊后打磨操作違規所產生的鋼軌損傷。

（3）現場焊接進行焊后打磨作業時必須嚴格控制打磨工藝，盡量選用硬度較低的砂輪，推薦選用數控仿形精磨機進行打磨作業，能有效防止打磨發藍，保障線路安全。

[1]鄒定強.鋼軌失效分析和傷損圖譜[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

[2]戴虹，李永鵬，黃正中，等.一種移動式鋼軌焊接接頭仿形精磨機[P].中國專利.專利號：202411982U.2011.12.3.

Influence of grinding procedure for the quality of rail field welded joint

JIA Chun1，DAI Hong2，WANG Pengju2，ZHONG Yuan2，LI Zhenghao2
（1.Xining Ngineering Mechanical Section，Xining 810006，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

For the problem of longitudinal crack has appeared on the rail surface when laying continuously welded rails（CWR），this article analyzes the characteristic and structure morphology of the cracks by the modern methods for material analysis.The simulation contrasts test for the grinding procedure has been done to discuss the factor of forming such cracks with the CNC rail profiling refiner. The result shows that the incorrect grinding operation after welding，which causes the top surface of the welding joint to become blue and form the hardened layer of the thin martensite，and then the longitudinal crack forms on the surface under the pressure from the train wheels causing the damage to the joint.That is why the longitudinal crack appears.The greater the pressure is，the higher hardness will be，the more chance of becoming blue.

rail welding joint；surface crack；hardening layer of martensite；grinding procedure

TG441.8

B

1001-2303（2016）08-0076-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.18

2016-06-16；

2016-07-08

中國鐵路總公司科技開發項目（2012G004-D）

賈春（1970—），男，工程師，主要從事鐵路大型養路機械維護工作。