高錳鋼轍叉在線焊修現狀分析及前景展望★

程 亮，范慶波

(中鐵寶橋集團有限公司,陜西 寶雞 721006)

0 引言

高錳鋼轍叉是鐵路交通線上的重要設備之一[1],是一種高消耗量的部件,也是鐵路結構中損傷最嚴重的部件。雖然近些年國內外的專家學者研究出了轍叉的新型材料,如貝氏體鋼等,但由于成本等原因,大范圍的推廣應用有限,由高錳鋼材料制造的轍叉仍然占到鐵路轍叉總量的80%。近年來,隨著鐵路線路運量的增加,對高錳鋼轍叉的磨損顯著加劇,在車輛的交變載荷下,經常會出現磨損、裂紋等現象,以致高錳鋼轍叉提前報廢。因此,尋求一種經濟合理的修復技術已經成為工務部門待解決的關鍵問題之一[2]。

1 現狀分析

轍叉在服役過程中承受著車輪強大的碾壓力、沖擊力和振動力等復雜作用力,致使轍叉產生接觸疲勞達不到設計壽命而失效下道。高錳鋼轍叉的失效形式主要以磨耗到限和裂紋失效為主。現場調查結果表明,裂紋和心軌剝落掉塊兩大病害,特別是占失效高錳鋼轍叉60%的剝落掉塊,已經成為提高高錳鋼轍叉使用壽命的最大困擾問題。轍叉的過早下道不僅是巨大的經濟損失,也是鐵路線上的一個大的安全隱患。

大量調查統計資料發現,60-12號高錳鋼轍叉,通過運量總重平均約1億t就失效而下道,其中最高達到2.5億t,最低約4千萬t～5千萬t,使用壽命離散性相當大。裂紋和心軌剝落掉塊兩大病害,已經成為提高使用壽命的最大障礙,經失效分析認為,裂紋主要與高錳鋼轍叉材料本身有關系,如疏松、縮孔以及碳化物、磷共晶、非金屬夾雜物有關[3]。

對剝落掉塊等傷損部位進行線上補焊是包括國際聯盟(UIC)在內的國際通用慣例,受線路施工條件、工人操作水平、“天窗”時間長短等影響,國內鐵路線上焊補效果不理想。目前,我國鐵路線上使用的高錳鋼轍叉平均壽命為通過總重1.2億t～1.4億t之間,其使用壽命與鋼軌的使用壽命嚴重不匹配,據資料顯示,通過對傷損部位進行補焊,可使在線服役時間延長1倍,有明顯的社會效益和經濟效益。

本文通過工藝試驗及在線焊修的實際案例,討論了目前高錳鋼在線焊補存在的問題,分析了高錳鋼轍叉在線焊補可行性及前景展望。

2 焊接工藝試驗

按照Q/CR406—2021高錳鋼轍叉電弧焊補技術要求[4],進行了工藝試驗,采用D286焊條,焊層金屬為單相奧氏體,電流100 A～110 A,堆焊厚度2 mm～10 mm,層溫60 ℃～90 ℃之間。

2.1 力學性能試驗

焊接完成后對所有試件進行拉伸和沖擊試驗,試驗結果見表1,根據試驗結果,其力學性能指標符合標準要求。

表1 焊接材料熔敷金屬檢驗結果

2.2 金相組織

金相檢驗報告結果表明,在焊縫橫向的熔合線附近靠高錳鋼一側均無明顯碳化物析出,均在X1級—X3級;試樣在橫向均無明顯的熱影響區,焊縫組織均為奧氏體,其上分布有小顆粒狀碳化物,試樣的顯微組織無明顯差異,離散性小。試件碳化物形貌見圖1。

2.3 硬度

用堆焊試樣進行焊縫和母材的布氏硬度檢驗,檢驗結果如表2所示。

表2 布氏硬度試樣檢驗結果 HBW

2.4 試驗結果分析

1)從焊縫金屬的機械性能試驗結果看,熔敷金屬抗拉強度、沖擊功、延伸率均高于Q/CR406—2021高錳鋼轍叉電弧焊補技術要求中的標準要求。

2)從堆焊焊縫的金相檢驗結果來看,焊縫熱影響區無明顯碳化物析出。雖然接近堆焊層的高錳鋼基體在每次焊接瞬間都達到較高的焊接問題,但是在焊接中采用澆水冷卻和控制道間溫度的方法,嚴格控制了焊接熱影響區在高溫停留時間從而控制了碳化物的析出,造成亞表層碳化物析出,然而這種析出不影響高錳鋼轍叉堆焊層的正常使用[5]。焊縫由于經歷了熔化到結晶的過程,并且在高溫停留時間較長,碳化物為顆粒狀且不連續,不會增加脆性。

3)從堆焊焊縫的硬度檢驗結果來看,兩種焊條的堆焊焊縫硬度和母材硬度無明顯差別;但由于焊條本身是碳鋼芯,合金元素靠藥皮過渡,合金元素過渡存在不均勻性,使得焊縫組織硬度存在離散性。

綜上所述,焊修后焊縫及熱影響區在金相組織、硬度和機械性能等方面,均符合Q/CR406—2021,且焊縫性能不低于高錳鋼母材,故可用于高錳鋼的焊修[6]。

3 線路焊修效果跟蹤

根據上述試驗結果,制定了“高錳鋼轍叉在線焊補作業指導書”,明確了焊前、焊中、焊后的注意事項,并確定可以進行焊修的缺陷類型、焊修用焊接材料、焊接工藝等。在2019年—2022年三年間,詳細統計了北京局等站用42根高錳鋼轍叉焊修原因、同一部位焊修一次后使用壽命統計如圖2所示。

結果顯示:首次焊修前使用時間240 d～450 d的為28根,占67%,450 d以上的14根,占33%;一次焊修后使用時間在120 d(4個月)以下的為7根,占16.7%,120 d～360 d的21根,占50%,360 d以上的14根,占33%,同時對長春地鐵、青島地鐵等線路焊修效果進行統計,焊修后使用均可達到360 d以上。

通過以上分析可知,一次焊修后國鐵線路50%都可以延長在線服役時間達1 a、地鐵均可達1 a以上;同焊修前的使用時間比較,一次焊修后,67%以上的都可以達到首次焊修前運營時間的一半以上,效果良好。

4 前景展望

高錳鋼轍叉是鐵路線路中重要的組成部件,承受著鐵路線路復雜的作用力,是關鍵線路的薄弱環節之一。隨著我國路網規模的擴大和線路提速,轍叉的傷損日漸增多。對高錳鋼轍叉的傷損缺陷進行焊補修復,是一種提高轍叉使用壽命、延長更換周期直接有效的措施,同時還可以節約因更換傷損轍叉而花費的大量資金[7]。

高錳鋼轍叉使用一段時間后,其承載部位有較大深度的致密層,對表層出現的缺陷在線修復提供了堅實的基體基礎,對修復后基體的整體性和連續性提供了有力的保證。一直以來,國內高錳鋼轍叉修復均采用人工堆焊的方法,因員工操作水平、受鐵路“天窗”點影響修復時間短等原因影響,轍叉焊修質量參差不齊,加之手工電弧焊修勞動強度大、人員成本高等因素影響,焊修后使用時間短,焊修性價比不高,和歐美國家相比較,傷損轍叉焊修率極低,導致大量高錳鋼轍叉未達到設計壽命提前下道,造成大量的浪費。通過對高錳鋼轍叉在線焊修,從而延長轍叉在線服役壽命,保證鐵路運營安全,提高社會經濟效益,勢必成為高錳鋼轍叉使用的一種趨勢。

近年來,隨著智能化生產水平的不斷發展提升,智能化再制造技術的廣泛應用,智能化修復高錳鋼轍叉技術勢在必行。開發一種高錳鋼轍叉智能化在線焊修方法,實現高錳鋼轍叉智能化在線焊修及修復后的輪廓檢測,提高焊修效率,減少人為因素對修復質量的影響,提高焊修穩定性,對延長道岔的使用壽命、推動行業技術升級具有重大意義。

5 結語

1)高錳鋼轍叉按照要求工藝進行焊修后,焊縫及熱影響區在金相組織、硬度和機械性能等方面,均符合Q/CR406—2021,且焊縫性能不低于高錳鋼母材,焊修后效果良好,延長了轍叉在線服役時間,提高了社會經濟效益。

2)隨著智能化生產水平的不斷發展提升,智能化再制造技術應用越來越廣泛,智能化焊修高錳鋼轍叉技術勢在必行。