重載線路用新型鋼軌閃光焊質量研究

趙 曦

（中國鐵路北京局集團有限公司北京工電大修段，北京102206）

0 前言

隨著鐵路運輸行業的飛速發展，能較大程度提升貨運能力的重載鐵路得到各國重視，對重載線路鋼軌鋪設也提出了更高的要求。我國大力開展重載運輸技術研究和重載鐵路建設，經過不斷的開拓發展，形成了大秦、朔黃、大包、蒙西和瓦日等一系列的重載線路運輸技術體系。。

在大秦、朔黃等運煤專線上，現有鋼軌的耐磨性已不能滿足長壽命使用要求。在此基礎上PG4、PG5及貝氏體鋼軌等各類高強鋼軌相繼研發問世，其高強度和高耐磨性能夠顯著改善重載鐵路需求。

本研究通過閃光焊焊接重載用新型鋼軌PG5和貝氏體鋼軌，研究其焊接接頭質量，實現PG5和貝氏體鋼軌的焊接，為后續改善焊接工藝及推廣高強度鋼軌應用提供依據。

1 試驗方法和設備

試驗用攀鋼 75N·U95Cr（PG5）熱處理鋼軌的化學成分及力學性能見表1。試驗用包鋼75N·U20Mn貝氏體鋼軌的化學成分及力學性能見表2。

PG5和貝氏體軌在鋼軌成分上區別于以往的釩軌和錳軌，碳含量的增加和合金元素的加入均對鋼軌的可焊性產生明顯影響，以往的焊接參數并不適合作為焊接PG5和貝氏體軌的試驗基礎參數[1-3]。大量試驗研究表明，通過調整焊接參數以及熱處理時的加熱溫度和風壓，加熱和冷卻接頭，可找到合適的焊接工藝參數和熱處理參數[3]。目前鐵道行業標準在鋼軌焊接接頭的硬度方面并未區分重載鐵路和普通鐵路，在試驗中采用了與普通鐵路一樣的熱處理作業過程[4]，使鋼軌焊接接頭硬度達到TB/T1632-2014《鋼軌焊接》中的相關要求。

表1 75N·U95Cr（PG5）熱處理鋼軌化學成分及力學性能

表2 75N·U20M n貝氏體鋼軌化學成分及力學性能

試驗設備為GAAS80/580閃光焊機，焊后通過感應加熱進行正火工序，實現PG5鋼軌和貝氏體鋼軌的焊接。閃光焊焊接PG5熱處理鋼軌主要參數如表3所示，焊后采用單頻電感應正火，加熱到920℃后停止加熱（加熱時間130～150 s）。并進行自動噴風處理，噴風壓力0.22～0.25MPa，噴風時間120 s。

表3 PG5鋼軌閃光焊焊接主要參數

閃光焊焊接貝氏體鋼軌主要參數如表4所示。

焊后采用雙頻電感應正火，低頻轉高頻溫度830℃（低頻加熱時間150～160 s），加熱到880℃后停止加熱（總加熱時間240～280 s）。不進行噴風冷卻。

PG5鋼軌和貝氏體鋼軌的閃光焊焊接記錄曲線如圖1所示，根據各接頭的記錄曲線統計參數檢測值，得到頂鍛量、頂鍛速度等參數如表5所示。

按照TB/T1632-2014《鋼軌焊接》要求取樣，進行落錘試驗、硬度試驗、顯微組織、拉伸試驗、沖擊試驗、靜彎試驗和疲勞試驗等性能試驗，檢驗接頭焊接質量。

2 PG5鋼軌閃光焊接頭質量

2.1 落錘性能

按TB/T1632-2014《鋼軌焊接》要求：錘重1.0 t，落錘高度6.4m，支點間距1.0m，連續25個接頭一錘不斷為合格[5]。

經過試驗，PG5閃光焊A001～A025接頭連續一錘不斷，通過了落錘檢驗，擾度15～17mm。落錘斷口如圖2所示，斷口撕裂感明顯，焊接效果良好。

表4 貝氏體鋼軌閃光焊焊接主要參數

圖1 閃光焊焊接記錄曲線

表5 閃光焊焊接過程主要參數檢測值

2.2 沖擊性能

按TB/T1632-2014標準對A041號接頭取樣進行沖擊試驗，采用夏比U型缺口沖擊試驗方法，結果如表6所示。沖擊功均值為11.1 J，接頭沖擊性能及韌性達到良好水平。

2.3 拉伸性能

按TB/T1632-2014標準對A042號接頭取樣進行拉伸試驗，軌頭、軌腰和軌底各取3個試樣，結果如表7所示。抗拉強度均值為1 090MPa，斷后延伸率均值為8%，接頭抗拉性能良好。

圖2 PG5鋼軌閃光焊接頭落錘斷口照片

2.4 硬度性能

PG5鋼軌閃光焊接頭試樣硬度分布如圖3所所示。圖3a為PG5焊接接頭A043和A044的軌頂面布氏硬度分布，圖3b為A045縱斷面洛氏硬度分布。接頭軌頂面和縱斷面硬度以焊縫零位置線為中心呈對稱分布。

表6 PG5鋼軌閃光焊接頭沖擊試驗結果

表7 PG5鋼軌閃光焊接頭拉伸試驗結果

用5%硝酸酒精腐蝕測試面，出現兩側熱影響區與母材交界線。以兩交界線內硬度均值為焊縫均值HJ，兩交界線外硬度均值為母材均值HP。以母材均值的90%劃分軟化區，低于該劃分線區域為軟化區，軟化區硬度均值HJ1。硬度試驗統計結果如表8所示。PG5閃光焊接頭HJ/HP和HJ1/HP均滿足TB/T1632-2014標準要求，硬度指標達標，軟化區寬度亦滿足標準要求，但寬度較寬，后續可通過調節正火及冷卻工藝來縮小軟化區，避免接頭出現馬鞍形磨耗。

圖3 PG5鋼軌閃光焊接頭試樣硬度分布

表8 PG5鋼軌閃光焊接頭硬度試驗結果

2.5 顯微組織及晶粒度

利用硬度試件A043和A044接頭進行顯微組織試驗和晶粒度檢驗，按TB1632-2014標準取樣，軌頭1處，軌底三角區1處，軌底角2處。觀察顯微組織發現，各試樣組織一致，焊縫和熱影響區組織均為珠光體和少量鐵素體，未發現異常組織。A044接頭軌頭顯微組織如圖4所示。TB/T1632.2-2014要求焊縫晶粒度：軌頭和軌腳邊緣部分不應低于8級，軌底三角區不應低于6級[5]，試驗獲得的各試樣焊縫和熱影響區晶粒度等級均在8級以上（見表9），滿足標準要求。晶粒細小，力學性能良好。

2.6 靜彎及疲勞性能

靜彎試驗結果表明：A026～A029、A031～A034和A036～A039三組接頭軌頭受壓，承受1 850 kN載荷未發生斷裂；A030、A035和A040接頭軌頭受拉，承受1 600 kN載荷未發生斷裂，滿足TB/T1632-2014標準要求。

圖4 A044接頭軌頭試樣顯微組織

表9 PG5鋼軌閃光焊接頭顯微組織晶粒度等級匯總

疲勞試驗結果表明：A046～A048接頭在支距為1.4m，Fmin=86 kN，Fmax=429 kN載荷（頻率5Hz）作用下，循環2×106次未發生斷裂，滿足TB/T1632-2014標準要求。

3 U20M n貝氏體鋼軌閃光焊的接頭質量

3.1 落錘性能

按TB/T1632-2014《鋼軌焊接》要求：錘重1.0 t，落錘高度6.4m，支點間距1.0m，連續25個接頭一錘不斷為合格[5]。

經過試驗，U20Mn貝氏體閃光焊B001～B025接頭連續一錘不斷，通過了落錘檢驗。落錘斷口如圖5所示，斷口未見明顯缺陷，焊接效果良好。

3.2 沖擊性能

按TB/T1632-2014標準對B041號接頭取樣進行沖擊試驗，采用夏比U型缺口沖擊試驗方法，結果見表10。沖擊功均值為38.3 J，接頭沖擊性能及韌性良好。

圖5 貝氏體鋼軌閃光焊接頭落錘斷口照片

表10 貝氏體鋼軌閃光焊接頭沖擊試驗結果

3.3 拉伸性能

按TB/T1632-2014標準對B042號接頭取樣進行拉伸試驗，軌頭、軌腰和軌底各取3個試樣，結果見表11。抗拉強度均值為1 081MPa，斷后延伸率均值為8%，接頭抗拉性能良好。

表11 貝氏體鋼軌閃光焊接頭拉伸試驗結果

3.4 硬度性能

貝氏體鋼軌閃光焊接頭試樣硬度分布如圖6所示。圖6a為貝氏體焊接接頭B043和B044的軌頂面布氏硬度分布，圖6b為B045和B046縱斷面測試線1洛氏硬度分布。接頭軌頂面和縱斷面硬度呈對稱分布。

硬度統計結果見表12。試驗獲得的貝氏體閃光焊接頭HJ/HP值和HJ1/HP值均滿足TB/T1632-2014標準要求，硬度指標達標，接頭硬度與母材相當，有利于減少馬鞍型磨耗，軟化區寬度亦滿足標準要求。

圖6 貝氏體鋼軌閃光焊接頭試樣硬度分布

表12 貝氏體鋼軌閃光焊接頭硬度試驗結果

3.5 顯微組織及晶粒度

利用硬度試件B043和B044接頭進行顯微組織試驗和晶粒度檢驗，試樣取樣位置為軌頭3處，軌底角2處。

觀察顯微組織發現，焊縫和熱影響區組織均為貝氏體和少量鐵素體，未發現異常組織。B043接頭軌頭顯微組織如圖7所示。

圖7 B043接頭軌頭踏面試樣顯微組織

TB/T1632.2-2014要求焊縫晶粒度：軌頭和軌腳邊緣部分不應低于8級，軌底三角區不應低于6級[5]，各試樣焊縫和熱影響區晶粒度等級均在8級以上，見表13。晶粒細小，力學性能良好

表13 貝氏體鋼軌閃光焊接頭顯微組織晶粒度等級匯總

3.6 靜彎及疲勞性能

靜彎試驗結果表明：B026～A029、B031～B034和B036～B039三組接頭軌頭受壓，承受1 850 kN載荷未發生斷裂；B030、B035和B040接頭軌頭受拉，承受1 600 kN載荷未發生斷裂，滿足TB/T1632-2014標準要求。

疲勞試驗結果表明：B047～B049接頭在支距為1.4m，Fmin=86 kN，Fmax=429 kN載荷（頻率5Hz）作用下，循環5×106次未發生斷裂，滿足標準要求。

4 結論

（1）采用GAAS80/580閃光焊機及配套焊接正火工藝，分別對攀鋼75N·U95Cr（PG5）熱處理鋼軌和包鋼75N·U20Mn貝氏體鋼軌進行焊接，經落錘、硬度、沖擊、拉伸、疲勞、靜彎等試驗檢測，其焊接質量滿足標準TB/T1632-2014《鋼軌焊接》的要求，工藝具有良好的穩定性。

（2）PG5鋼軌接頭沖擊功均值11.1 J，抗拉強度1 090MPa，斷后延伸率8%，硬度呈對稱分布，HJ/HP值為0.91，HJ1/HP值為0.81，晶粒細小，無馬氏體等硬脆組織，晶粒度在8.5級以上，接頭綜合性能良好。

（3）貝氏體鋼軌接頭沖擊功均值38.3 J，抗拉強度1 081MPa，斷后延伸率7%，硬度呈對稱分布，HJ/HP值為1.02，HJ1/HP值為0.86，接頭硬度與母材相當，晶粒度在8級以上。

（4）成功利用閃光焊實現重載線路用新型鋼軌焊接，為PG5鋼軌和貝氏體鋼軌現場焊接、延長重載鐵路使用壽命提供了強力的技術支撐。

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[5]TB/T1632-2014，鋼軌焊接[S].