鋼軌鋁熱焊接接頭軌腳雜波原因分析

高松福 高東海 任金雷 石孟雷 宋宏圖

中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京100081

無縫線路是軌道線路結構技術進步的重要發展標志，也是高速鐵路軌道線路結構的最佳選擇，可有效降低線路和車輛的振動與噪聲，提高列車的平穩性和安全性［1］。焊接質量是保證無縫線路正常運行的關鍵［2］，直接關系到無縫線路的使用壽命和行車安全。而鋼軌鋁熱焊接是鐵路無縫線路主要焊接方法之一，由于其作業靈活方便，機動性強，廣泛應用于道岔焊接和既有線路的維修焊接［3］。

超聲波探傷技術具有無損傷、靈敏度高、檢測速度快、成本低等優點，已廣泛應用于線路維修檢測領域［4］，是當前我國鐵路新焊鋼軌鋁熱焊接接頭質量驗收和在線鋼軌鋁熱焊接接頭周期性檢測的主要檢測方法［5］。

目前我國鐵路鋼軌鋁熱焊接根據采用的焊接材料不同主要分為國焊、德焊、法焊三種。其焊接工序均為鋼軌準備→鋼軌對正→砂型裝卡→封箱→軌端預熱→點火澆注→砂型拆除→推瘤→打磨和接頭清理。最后，要進行焊接接頭的平直度檢查和超聲波探傷檢測驗收。

采用超聲波方法檢測鋁熱焊接接頭過程中發現，接頭軌腳邊普遍存在呈簇狀回波顯示，且波幅較高，如圖1所示，但雜波部位經打磨后未發現宏觀缺陷。

圖1 軌腳雜波典型波形

本文通過開展不同類型焊接接頭超聲波探傷對比，進行焊接接頭雜波位置的宏觀、微觀組織檢查以及接頭靜彎強度試驗，研究焊接接頭軌腳雜波產生的原因。

1 試驗方法

隨機抽取國焊、德焊和法焊三種鋁熱焊接材料及采用相應工藝焊接的鋁熱焊接接頭各5件。焊接采用鞍鋼U75V 鋼軌，焊接后鋼軌總長度為1.3 m。焊接接頭經精打磨處理，接頭表面及附近鋼軌表面用鋼絲輪拋光，使各個接頭的表面狀態基本相同。

采用KW-4C 型超聲波探傷儀，2.5P-13×13-K2.5探頭，在焊接接頭軌腳邊0 ～15 mm 區域內向焊縫金屬方向進行掃查，如圖2 所示。掃查靈敏度為62 dB（標定靈敏度為60 dB），對儀器顯示的深度12 ～16 mm內出現的雜波進行記錄。

圖2 焊接接頭軌腳超聲波掃查位置

為研究雜波反射的形成原因，從試件中隨機選取三種類型的焊接接頭各1 件，按照圖3 所示位置進行取樣，制備金相試樣。試樣表面用4%硝酸酒精進行腐蝕，觀察其宏觀組織。箭頭所指為金相觀察面。

圖3 金相組織取樣位置示意

2 試驗結果及分析

2.1 超聲波探傷掃查

對三種類型的焊接接頭試件進行編號，5 個接頭分別編號1—5，每個接頭的四個軌腳邊分別編號A—D。在相同靈敏度下對焊接接頭軌腳邊區域進行超聲波探傷掃查。三種類型的焊接接頭軌腳邊雜波波幅的統計結果見圖4。

圖4 軌腳邊雜波波幅

由圖4 可以看出，三種類型焊接接頭軌腳邊0 ～15 mm 區域內均存在一定波幅的雜度，平均波幅為33% ～42%，最高波幅均在50%左右。不同類型焊接接頭雜波波幅無明顯區別，軌腳雜波的產生與所采用的焊接材料無明確關系。

2.2 焊接接頭金屬宏觀組織

三種類型的焊接接頭軌腳邊金屬宏觀組織形貌如圖5所示。可以看出：對于三種類型的焊接接頭，在焊接接頭兩側靠近焊筋邊緣的外側均存在明顯的熔合線，兩熔合線之間上寬下窄；三種類型焊接接頭熔合線的位置和分布特征相同。

圖5 不同類型接頭軌腳邊金屬宏觀組織

熔合線是焊縫金屬與母材的分界線［6］。由于焊縫金屬是鋁熱焊劑生成鋼水凝固后的鑄造組織，而鋼軌母材是連續鑄造高碳鋼方坯軋制后的組織，兩者的差異較大。

從超聲波反射雜波位置和軌腳宏觀組織熔合線的位置判斷，軌腳邊熔合線位置就是形成超聲波反射雜波的位置，熔合線兩側的組織差異是超聲波反射雜波形成的主要原因。此外，由于焊接接頭軌腳上方為鋼軌鋁熱焊接接頭冒口根部所在位置，在焊接時存留的高溫鋼液較軌底要多，因而焊接接頭軌腳上表面的溫度要高于軌腳下表面的溫度，使得焊接接頭軌腳邊兩熔合線間的距離呈現上寬下窄的分布。

2.3 焊縫與鋼軌母材金屬晶粒度對比

為了進一步研究焊縫與鋼軌母材金屬組織晶粒尺寸差異，將金相試樣用飽和苦味酸進行腐蝕，試樣經輕度拋光后，用光學顯微鏡觀察其晶粒度，并根據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定法》［7］進行分級。國焊、德焊、法焊焊接接頭金屬晶粒度和鋼軌母材金屬晶粒度如圖6 所示。可以看出：鋁熱焊接接頭軌腳焊縫金屬晶粒度為2級—3級，而鋼軌母材金屬晶粒度為8級。

圖6 軌腳邊焊縫與母材金屬晶粒度對比

在鋼軌鋁熱焊接過程中，鋁熱焊接的焊縫是由鋁熱焊劑反應生成的高溫液態金屬冷卻至常溫形成的，焊縫金屬為鑄造組織，在凝固過程中伴隨著形核及晶核長大過程，接頭成型后金屬組織為晶粒較為粗大的鑄態組織。鋼軌母材在生產過程中經過多道軋制，加之化學方法的細晶措施，因此晶粒較為細小。焊縫金屬與鋼軌母材金屬晶粒度具有明顯差異，且形成較明析的界面，導致超聲波從鋼軌母材進入焊縫金屬時形成局部較集中的粗晶反射雜波。

2.4 熱處理對軌底雜波的影響

為驗證晶粒差異導致軌底角雜波這一現象，對接頭進行熱處理試驗，研究熱處理晶粒細化后反射雜波的情況。

進行熱處理時采用氧氣-丙烷作為加熱氣體，將軌腳加熱到900 ～950 ℃后，置于空氣中自然冷卻至環境溫度。熱處理后焊縫及鋼軌母材金屬的金相組織如圖7所示?？梢钥闯?，熱處理后二者已無明顯差別。焊接接頭經熱處理后，焊縫金屬組織明顯細化，消除了熔合線附件焊縫金屬與鋼軌母材金屬組織晶粒度的差異。

圖7 熱處理后熔合線兩側金相組織對比

焊接接頭經熱處理后，用同一探傷儀和探頭在相同靈敏度下進行掃查，超聲波在軌腳邊熔合線附近未形成集中晶粒反射雜波。

2.5 接頭靜彎試驗

隨機取三種類型焊接接頭各3 件，按照TB/T 1632.3—2019《鋼軌焊接 第3 部分：鋁熱焊接》［8］的方法進行靜彎試驗，研究反射雜波對接頭靜彎強度的影響。試驗結果見表1。可以看出：三種類型鋁熱焊接接頭的靜彎載荷結果均大于1 300 kN，撓度均大于10 mm，滿足TB/T 1632.3—2019 關于靜彎試驗的要求。可見，軌腳邊存在反射雜波焊接接頭的靜彎強度滿足相關技術標準要求。

表1 焊接接頭靜彎試驗結果

3 結論

1）超聲波探傷掃查鋁熱焊接接頭軌腳邊有明顯反射雜波。焊接材料的種類對軌腳邊反射雜波幅度的影響不大。

2）焊縫金屬與鋼軌母材金屬晶粒度差異較大是導致焊縫軌腳雜波的主要原因。

3）焊接接頭經熱處理后，焊縫金屬組織細化，消除了焊縫金屬與鋼軌母材金屬的晶粒度差異，軌腳邊反射雜波被消除。

4）軌腳邊存在反射雜波的焊接接頭的靜彎強度滿足相關技術標準要求。