大軸重下鋼軌鋁熱焊接頭傷損原因與改進措施

石彤 馮子凌 崔成林 張銀花

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

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

從世界范圍來看，大軸重重載運輸已成為世界鐵路貨運發展的方向。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，其中運輸鐵礦石的FMG（Fortescue Metals Group Ltd）鐵路軸重已達40 t［2-4］。目前，中國已建立25 t軸重下重載鐵路技術體系，并在大秦鐵路等重載線路成功應用，創造了年運量5億t的世界領先水平［5-6］。近年來，北同蒲鐵路、大秦鐵路已經成功開行27 t軸重的C80E型貨車。中國已經成功建成了首條30 t軸重重載鐵路瓦日鐵路，并進一步推廣應用于浩吉鐵路，通過提高軸重來增加運量，提高鐵路運輸效益［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場小型氣壓焊最為嚴重，其次是鋁熱焊［9］。2014年，大秦鐵路開始運行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］。可見，重載鐵路鋼軌鋁熱焊接頭值得重點研究和關注。

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

1 試驗內容

TTCI試驗段半徑350 m的曲線區段上股鋁熱焊接頭在通過總質量46 Mt時發生了軌距角剝離傷損。該曲線區段鋪設68 kg/m的U78CrV熱處理鋼軌。該區段長度約100 m，包含16個閃光焊接頭和4個鋁熱焊接頭；列車軸重35.7 t，累計通過總質量254 Mt。主要試驗內容如下。

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

2）結合不同通過總質量下的接頭平直度數據對傷損接頭進行分析，平直度采用R2S電子平直尺進行測試。

3）對鋁熱焊砂型結構進行優化，通過滲透探傷和光學顯微鏡檢驗各砂型結構下的接頭疏松情況，得出疏松最少的軌縫數值。

2 試驗結果

2.1 宏觀形貌

傷損鋁熱焊接頭宏觀形貌見圖1。經探傷可知，傷損位于鋁熱焊接頭軌頭中心部位，沿鋼軌縱向長為90 mm，橫向寬為25 mm，靠近工作邊一側，即圖1（a）、圖1（b）中白色區域。可以看出，該傷損為軌距角剝離裂紋傷損。傷損部位經線切割取下后，試樣長50 mm，厚12 mm，高34 mm。可以明顯地看到軌頭踏面工作邊一側存在水平裂紋，裂紋源位于工作邊一側，從外側向內部擴展。

圖1 鋁熱焊接頭傷損宏觀形貌

2.2 化學成分

對焊接接頭焊縫中心進行化學成分分析。美國鐵路工程和維修協會（American Railway Engineering and Maintenance?of?Way Association，AREMA）鋼軌標準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行規定，因此采用中國標準TB/T 1632.3—2019《鋼軌焊接第3部分：鋁熱焊接》進行評價。試驗結果顯示，焊接接頭化學成分均滿足中國標準要求。

2.3 踏面硬度

按照TB/T 1632.3—2019對鋁熱焊接頭取樣，進行洛氏硬度分布及軟化區寬度測量，硬度測試采用HRC標尺，間距2 mm，結果見圖2。可知：①洛氏硬度測試長度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；焊接接頭兩側低硬度區域在距離焊縫中心±（64~74）mm處，兩側鋼軌熔合線在距離焊縫中心±56 mm處。②左右兩側軟化區寬度均為12 mm，符合TB/T 1632.3—2019標準要求（≤30 mm）。

圖2 鋁熱焊接頭洛氏硬度分布及軟化區寬度測量結果

2.4 顯微組織

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

圖3 鋁熱焊接頭顯微組織形貌

2.5 掃描電鏡觀測

將接頭裂紋斷口經超聲波設備清洗后放置于掃描電鏡下，進行微觀形貌觀察，結果見圖4。可知：裂紋的疲勞擴展區位于試樣下方，裂紋擴展區為疲勞碾壓形貌，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）］發現疏松區域存在高溫熔融特征。

圖4 裂紋源掃描電鏡觀察

對裂紋源區和裂紋擴展區進行能譜成分分析，測試位置見圖5，能譜分析結果見表1。結果表明，裂紋擴展區Si、Mn、Cr、Ni合金元素含量與焊劑的設計成分相近；裂紋源區除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果；裂紋源區Si元素偏高，Cr、Mn、Ni合金元素含量偏低。能譜分析結果表明，裂紋源區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生的原因。

圖5 裂紋源（譜圖1）和裂紋擴展區（譜圖2）能譜分析位置

表1 裂紋源區和裂紋擴展區能譜分析結果 %

2.6 接頭低塌

分別在通過總質量0、22、44 Mt時對4個鋁熱焊接頭進行平直度測量，其中焊縫低塌量最大的接頭的測量結果見圖6。

圖6 接頭焊縫低塌測量結果

由圖6可知，通過總質量22、44 Mt時該接頭的焊縫低塌量分別為0.19、0.25 mm。該接頭在通過總質量46 Mt時出現踏面剝離傷損。可見，較嚴重的焊縫低塌在一定程度上與傷損的出現存在相關性。

2.7 砂型結構優化

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

對4個鋁熱焊接頭進行探傷，發現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行觀察，發現接頭疏松缺陷位于軌頭中心處，隨著軌縫增大，疏松缺陷數量有增多的趨勢。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（未經過浸蝕）進行觀察（圖7），觀察結果與滲透探傷結果相吻合。因此，應選擇28 mm軌縫砂型結構進行鋁熱焊接。。

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量和尺寸明顯增加。28 mm軌縫在大軸重條件下較為適應。

3 分析與討論

由化學成分、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，裂紋源區疏松是導致鋁熱焊接頭軌距角剝離裂紋傷損產生的直接原因。疏松缺陷割斷了材料內部的連續性，是材料中最薄弱的環節。在實際鐵路運營中，有很多由于鋁熱焊接頭疏松缺陷導致的傷損［12-13］。應通過延長焊接預熱時間、嚴格控制預熱溫度、改進砂型結構等方式避免接頭疏松。

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

鋁熱焊砂型結構優化結果表明，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，當焊接軌縫在32~40 mm時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準要求；軌縫在24~30 mm時接頭靜彎載荷可滿足標準要求［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，適當降低軌縫寬度，有利于提高接頭強度，減少傷損。

4 結論及建議

為分析重載鐵路鋁熱焊接頭傷損產生原因，本文通過宏觀形貌觀察、化學成分測試、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，結合鋁熱焊接頭服役過程中的平直度數據進行研究。主要結論如下：

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存在相關性。

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。

4）建議在大軸重條件下對68 kg/m鋼軌的鋁熱焊砂型結構進行優化改進，適當降低焊縫寬度，以減少疏松缺陷。同時，及時對低塌的鋁熱焊接頭進行修理性打磨，以提高接頭平順性。