槽型鋼軌閃光焊接頭與鋁熱焊接頭的性能試驗研究

李京增，胡玉堂，田 甜，李金華

(1.蘇州高新有軌電車有限公司，江蘇蘇州 215011;2.中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100081)

槽型鋼軌是鋪設于城市有軌電車軌道中的一種鋼軌［1］。關于槽型鋼軌的焊接，目前國內通常采用閃光焊和鋁熱焊兩種焊接方法。一般對于普通鐵路、高速鐵路、城市地鐵、輕軌等鋼軌的焊接，閃光焊接頭的性能均優于鋁熱焊接頭［2］。對于在城市有軌電車軌道上使用的槽型鋼軌采用閃光焊和鋁熱焊的效果，本文進行了試驗研究。試驗選用59R2型槽型鋼軌，分別采用閃光焊和鋁熱焊兩種焊接方法焊接一定數量的焊接接頭，并對這兩種焊接接頭的力學性能進行測試和分析［3-5］。

1 試驗內容

1.1 靜彎性能

靜彎試驗的支距為1.0 m，焊縫居中，焊縫中心承受集中荷載，在接頭處加載至其斷裂。對閃光焊和鋁熱焊分別測試5根焊接接頭試件，其中4根軌頭受壓，1根軌頭受拉，試驗結果見表1。

從表1可以看出，閃光焊接頭在軌頭受壓的靜彎試驗條件下，接頭平均破壞荷載為1 236 kN，大于閃光焊接頭的1 139 kN，軌頭受拉的試驗條件下兩種焊接方法的接頭破壞荷載相近。試驗表明，在軌頭受壓的條件下閃光焊接頭的抗壓能力高于鋁熱焊接頭。

1.2 疲勞性能

鋁熱焊接頭疲勞試驗支距為1.0 m，最小加載荷載Fmin=60 kN，最大加載荷載Fmax=300 kN;閃光焊接頭疲勞試驗支距為1.4 m，Fmin=67 kN，Fmax=335 kN。荷載作用于支距中央的焊縫處，軌頭向上。試驗頻率f為5 Hz，應力循環系數r為0.2。

按照上述試驗條件，分別對3根鋁熱焊接頭試件和3根閃光焊接頭試件進行試驗。試驗結果表明，鋁熱焊接頭經歷頻率5 Hz，2×106次疲勞試驗仍未斷裂;閃光焊接頭在疲勞載荷明顯高于鋁熱焊的情況下，經歷頻率5 Hz，2×106次疲勞試驗也未斷裂。

1.3 拉伸性能

對鋁熱焊及閃光焊接頭試件取樣進行拉伸試驗，分別在軌頭、軌腰、軌底各取3個拉伸試樣，測試其平均屈服強度Rm和斷后伸長率A。焊接接頭拉伸試樣直徑為6 mm，試樣標距為30 mm。試驗結果見表2。

表2 焊接接頭拉伸試驗結果

從接頭的拉伸試驗結果可以得到，閃光焊接頭的平均屈服強度為1 015 MPa，高于鋁熱焊接頭的844 MPa;閃光焊接頭斷后伸長率為5.0%，高于鋁熱焊接頭的2.1%。

1.4 硬度

1)焊縫硬度

對鋁熱焊接頭試件取樣測試焊縫硬度。焊縫硬度試驗在軌頂面焊縫中心橫向位置進行，檢測3點布氏硬度，計算平均硬度值，記為焊縫硬度;在焊縫左右兩側母材上分別檢測3點，計算平均硬度值，記為母材平均硬度HP。檢測結果見表3。

表3 鋁熱焊接頭軌頂面硬度測量結果 HB

由表3可見，母材平均硬度HP=298 HB，焊縫硬度HJ=288 HB，接頭硬度與母材之比 HJ/HP=96.6%。

對閃光焊接頭試件取樣測試軌頂面布氏硬度，焊縫處記為0點，向焊縫兩側每隔7.5 mm測量一點，檢測結果見表4，可見母材平均硬度HP=310.7 HB。焊縫硬度HJ為305.5 HB，HJ/HP=98.3%。

從焊接接頭的軌頂面硬度試驗得到，閃光焊接頭的硬度與母材的硬度比率為98.3%，高于鋁熱焊接頭的96.6%。試驗表明，與鋁熱焊接頭相比閃光焊接頭硬度與母材硬度更接近。

2)軟化區寬度

對鋁熱焊接頭試件取樣測試軟化區寬度。取焊接接頭縱向斷面，在一條距軌頂面4 mm寬的縱向線上檢測洛氏硬度，從兩側熔合線開始逐漸延伸至未受熱影響的母材20 mm處，測點間距為2 mm，采用HRC標尺。

表4 閃光焊接頭軌頂面硬度測量結果 HB

硬度測量結果見圖1。在未受影響的鋼軌母材上測量不少于10點，計算其平均硬度，以直線的形式標在硬度曲線圖上，見圖1中線1。將線1向下平移1.5 HRC，即得到軟化區寬度測量線，見圖1中線2。可見，兩側軟化區寬度W≤20 mm。

圖1 鋁熱焊洛氏硬度測量結果

對閃光焊接頭試件取樣測試縱斷面洛氏硬度，焊縫兩側每隔5 mm測量一點。利用硬度值繪制硬度曲線和0.95HP水平線，見圖2，則可得軟化區寬度W≤20 mm。

上述兩種接頭的軟化區寬度測試結果表明，鋁熱焊接頭的軟化區寬度小于閃光焊接頭。

1.5 顯微組織

對鋁熱焊接頭試件取樣測試顯微組織，試驗結果見圖3，可見焊縫和熱影響區顯微組織為珠光體和少量鐵素體，未見異常組織。閃光焊接頭金相組織試驗結果見圖4，可見焊縫和熱影響區顯微組織為珠光體和少量鐵素體，亦未見異常組織。

圖2 閃光焊洛氏硬度測試曲線

圖3 鋁熱焊顯微組織

圖4 閃光焊顯微組織

從上述兩種焊接接頭的金相組織照片可以看到，閃光焊接頭的晶粒組織要細于鋁熱焊接頭組織。

2 結論與建議

1)在軌頭受壓的條件下閃光焊接頭的抗壓能力要高于鋁熱焊接頭。

2)閃光焊在疲勞荷載比鋁熱焊高的情況下，經歷頻率5 Hz，2×106次疲勞試驗焊接接頭仍不斷裂。

3)閃光焊接頭的屈服強度及斷后伸長率都要高于鋁熱焊接頭。

4)閃光焊接頭硬度比鋁熱焊接頭硬度更接近母材，閃光焊和鋁熱焊接頭的軟化區寬度均≤20 mm。

5)兩種焊接方法的焊縫和熱影響區的顯微組織為珠光體和少量鐵素體，未見異常組織。閃光焊接頭的晶粒組織要細于鋁熱焊接頭組織。

綜上可見，閃光焊接頭性能明顯優于鋁熱焊。為了提高建設工程的施工質量，保障車輛的營運安全，建議在城市有軌電車的建設項目中應盡可能使用閃光焊方法焊接槽型鋼軌。

［1］于禹夫，方力.現代有軌電車交通系統及其車輛的技術定位［M］.機電設備與監控，2003:43-47.

［2］丁韋，劉艷紅，黃辰奎，等.國內外鐵路鋼軌焊接標準接頭力學性能檢驗方法對比分析［J］.鐵道技術監督，2006(7):4-6.

［3］李歡，陳春秋.鋼軌鋁熱焊接技術在高速鐵路上的應用［J］.鐵道建筑，2012(3):118-120.

［4］俞喆，張銀花，周清躍.U75V鋼軌移動閃光焊焊后熱處理工藝研究［J］.鐵道建筑，2012(10):130-132.

［5］中華人民共和國鐵道行業標準.TB/T 1632— 2005 鋼軌焊接［S］.北京:中國鐵道出版社，2008.