重載鐵路75 kg·m-1鋼軌鋁熱焊接頭力學(xué)性能試驗(yàn)分析

程建平，陶佳元，許玉德，王天一，孫宏方

（1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

重載鐵路75 kg·m-1鋼軌鋁熱焊接頭力學(xué)性能試驗(yàn)分析

程建平1，陶佳元2，許玉德2，王天一2，孫宏方1

（1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北 肅寧 062350；2.同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804）

某重載鐵路線路采用鋁熱焊技術(shù)實(shí)現(xiàn)鋼軌現(xiàn)場焊接，為分析評價鋁熱焊接頭的力學(xué)性能，對現(xiàn)場取樣的焊接鋼軌進(jìn)行一系列室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：部分試樣軌頭受壓靜彎試驗(yàn)不滿足荷載力要求，所有試樣最大撓度均低于規(guī)范限值；部分試樣疲勞加載次數(shù)未達(dá)到200萬次要求的；所有試樣的沖擊吸收功遠(yuǎn)低于規(guī)范要求。該重載鐵路75 kg·m-1鋼軌鋁熱焊接頭的力學(xué)性能不滿足規(guī)范要求，需要對焊劑、焊接設(shè)備以及焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)，以滿足重載鐵路高強(qiáng)度鋼軌對鋁熱焊接頭力學(xué)性能的要求。

重載鐵路；鋁熱焊；焊接接頭；力學(xué)性能；試驗(yàn)

鋁熱焊是一種以氧化鐵為氧化劑，鋁粉為還原劑的熱劑焊。作為鋼軌在線焊接、原位修復(fù)和斷軌搶修的主要手段之一，鋁熱焊因其機(jī)動性好、操作方便、不依賴電力、焊接速度快的特點(diǎn)［1-2］，在國內(nèi)外重載鐵路現(xiàn)場作業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用［3-6］。目前，我國重載鐵路面臨著擴(kuò)能改造的需求，列車軸重、編組數(shù)及年運(yùn)量不斷增加，原有的鋼軌已無法滿足近乎苛刻的使用條件，磨耗非常嚴(yán)重［7-8］，因此，越來越多具有高強(qiáng)度、高硬度的新型鋼軌投入使用，對鋁熱焊劑以及現(xiàn)場的焊接工藝都提出了更高的要求［9-10］。鋁熱焊在自身質(zhì)量控制方面的缺點(diǎn)［3］以及對重載鐵路高強(qiáng)度鋼軌鋁熱焊經(jīng)驗(yàn)的不足，勢必對鋼軌焊接接頭的質(zhì)量產(chǎn)生影響。現(xiàn)場運(yùn)營實(shí)踐表明，75 kg·m-1的PG4淬火軌（強(qiáng)度1 300mPa級，軌頂面硬度380 HB）鋁熱焊接頭連續(xù)出現(xiàn)了多處斷裂，對行車運(yùn)行帶來安全隱患。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，對某重載鐵路線路現(xiàn)場獲取的75 kg·m-1鋁熱焊焊接鋼軌試樣進(jìn)行了一系列力學(xué)試驗(yàn)，以此評價鋼軌焊接接頭的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)方法

根據(jù)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋼軌焊接（TB/T 1632.1-2005）［11］的要求，對鋁熱焊焊接鋼軌進(jìn)行取樣。具體取樣及試樣編號情況如表1所示。為了準(zhǔn)確地對鋁熱焊鋼軌的各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，在試驗(yàn)前對鋼軌試樣焊接接頭的平直度、表面質(zhì)量以及內(nèi)部傷損進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果符合規(guī)范要求。

表1 鋼軌取樣及編號情況Tab.1 The number scheme of rail samples

靜彎試驗(yàn)鋼軌試樣長度為1.3m，焊縫中心位于試樣中心，兩端鋸切加工，鋼軌試樣置于支距為1m的支座上，焊縫中心承受集中荷載。試驗(yàn)設(shè)備選用壓力試驗(yàn)機(jī)。疲勞試驗(yàn)鋼軌試樣長度為1.8m，試樣簡支于支距為1.5m的支座上，采用脈動彎曲疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備主要為疲勞試驗(yàn)機(jī)。拉伸試驗(yàn)采用d0=10mm，l0= 5 d0的圓棒狀拉伸試樣，試驗(yàn)設(shè)備為電子萬能試驗(yàn)機(jī)。沖擊試驗(yàn)采用10mm×10mm×55mm的U形缺口試樣，所用設(shè)備為沖擊試驗(yàn)機(jī)。各試驗(yàn)設(shè)備型號及圖片見表2和圖1。

表2 試驗(yàn)設(shè)備型號Tab.2 Type of testing equipment

圖1 試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Testing equipments

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 靜彎試驗(yàn)

試樣1#-8#進(jìn)行軌頭受壓靜彎試驗(yàn)，9#-10#進(jìn)行軌頭受拉靜彎試驗(yàn)。記錄鋼軌發(fā)生脆斷時的荷載和支距中間的對應(yīng)撓度，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 靜彎試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Results of bending test

根據(jù)鋼軌焊接標(biāo)準(zhǔn)（TB/T 1632.3-2005）［12］中規(guī)定，75 kg·m-1的980mPa級以上鋼軌靜彎試驗(yàn)承受的荷載力F應(yīng)分別大于1 600 kN（軌頭受壓）、1 500 kN（軌頭受拉），最大撓度fmax應(yīng)大于10mm。本次試驗(yàn)除受壓試樣4#不滿足荷載力要求（達(dá)到限值的99.8%），其余試樣均滿足規(guī)范要求；所有試樣均不滿足最大撓度大于10mm的規(guī)范要求，試樣最大撓度平均值僅為規(guī)范限值的67.7%。

2.2 疲勞試驗(yàn)

根據(jù)鋼軌試樣類型及試驗(yàn)設(shè)備支座支距，確定本次試驗(yàn)最大荷載為300 kN，荷載頻率為5 Hz，荷載比為0.2。試驗(yàn)結(jié)果為：11#鋼軌發(fā)生脆斷，脆斷時加載次數(shù)為156萬次；其余3根試樣（12#-14#）均達(dá)到200萬次的荷載循環(huán)次數(shù)要求。

2.3 拉伸試驗(yàn)

按照鋼軌焊接標(biāo)準(zhǔn)（TB/T 1632.3-2005）中規(guī)定，對焊接鋼軌的軌頭（15#-1，15#-2，15#-3）、軌腰（15#-4，15#-5，15#-6）和軌底（15#-7，15#-8，15#-9）分別取樣，取樣位置如圖2所示（單位為mm）。對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，分別記錄抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率，如表4所示。將9個試樣的抗拉強(qiáng)度平均值Rm、斷后伸長率平均值A(chǔ)作為試驗(yàn)結(jié)果。

根據(jù)鋼軌焊接標(biāo)準(zhǔn)（TB/T 1632.3-2005）中規(guī)定，75 kg·m-1的980mPa級以上鋼軌抗拉強(qiáng)度平均值Rm須大于780mPa，斷后伸長率平均值A(chǔ)須大于2%。兩項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求。但由表4中結(jié)果可知，焊接鋼軌橫斷面抗拉強(qiáng)度分布并不均勻，其中軌頭、軌腰及軌底各位置的抗拉強(qiáng)度平均值分別為809.25，794.10mPa和765.73mPa，由上至下呈現(xiàn)出下降趨勢。

2.4 沖擊試驗(yàn)

按規(guī)范要求，對焊接鋼軌的軌頭（16#-1，16#-2，16#-3，16#-4）、軌腰（16#-5，16#-6，16#-7，16#-8）和軌底（16#-9，16#-10，16#-11，16#-12）分別取樣，取樣位置如圖3所示（單位為mm）。記錄12個試樣的沖擊吸收功，并將12個試樣的沖擊吸收功AKU的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣各位置處的沖擊吸收功均小于規(guī)范要求（6 J），而其中軌頭處沖擊韌性明顯高于軌腰和軌底處，分布規(guī)律與拉伸試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖2 拉伸試驗(yàn)取樣位置Fig.2 Sampling location in tensile test

圖3 沖擊試驗(yàn)取樣位置Fig.3 Sampling location in impact test

表4 拉伸試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Results of tensile test

表5 沖擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of impact test

3 結(jié)論與建議

對鋁熱焊焊接鋼軌進(jìn)行了靜彎、疲勞、拉伸和沖擊試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1）靜彎試驗(yàn)結(jié)果表明，除受壓試樣4#不滿足荷載力要求（1 600 kN），其余均滿足荷載力要求；所有試樣均不滿足最大撓度限值（10mm）的規(guī)范要求。

2）疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明，11#試樣發(fā)生脆斷，脆斷時加載次數(shù)為156萬次；其余3根試樣均達(dá)到200萬次的荷載循環(huán)次數(shù)要求。

3）拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，部分試樣抗拉強(qiáng)度低于標(biāo)準(zhǔn)要求，各試樣抗拉強(qiáng)度平均值789.69mPa，滿足強(qiáng)度要求（780mPa）；斷后伸長率均值為2.32%，滿足規(guī)范要求（2%）。

4）沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明，試樣的沖擊吸收功平均值3.2 J低于規(guī)范要求（6.0 J）。

綜上，該重載鐵路75 kg·m-1鋼軌鋁熱焊接頭的力學(xué)性能不滿足規(guī)范要求，主要表現(xiàn)為：所有試樣最大撓度及沖擊吸收功均低于規(guī)范限值；部分試樣靜彎試驗(yàn)荷載力與疲勞加載次數(shù)未達(dá)到規(guī)范要求；試樣橫斷面抗拉強(qiáng)度及沖擊韌性分布不均勻。測試結(jié)果表明現(xiàn)場對重載鐵路75 kg·m-1鋼軌的鋁熱焊技術(shù)尚不成熟，缺乏經(jīng)驗(yàn)，從而導(dǎo)致焊接接頭的質(zhì)量波動較大。

因此，需要針對重載鐵路高強(qiáng)度鋼軌改進(jìn)鋁熱焊的焊劑、焊接設(shè)備以及焊接工藝，以滿足鋼軌鋁熱焊接頭的力學(xué)性能要求，保障行車安全。

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[11]中華人民共和國鐵道部.TB/T 1632.1-2005鋼軌焊接第1部分:通用技術(shù)條件[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

[12]中華人民共和國鐵道部.TB/T 1632.3-2005鋼軌焊接第3部分:鋁熱焊接[S].北京:中國鐵道出版社,2005.

Test Study onmechanical Properties of Thermit Welded Joint of 75 kg·m-1Rail in Heavy Haul Railway

Cheng Jianping1,Tao Jiayuan2,Xu Yude2,Wang Tianyi2,Sun Hongfang1
(1.Shuohuang Railway Development Co.,Ltd.,Suning 062350,China;2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of theministry of Education,Tongji University,Shanghai 201804,China)

Thermit welding is applied in the heavy haul railway line to realize site welding of rails.In order to eval?uatemechanical properties of the thermit welded joint,this study carried out a series of laboratory tests for the site samples.The test results show as follows:Some of the samples do notmeet the requirements of load in bending test;Themaximum deflection of each testing sample is lower than limit;The number of fatigue loading cycles of some samples are less than the limit of 2×106;The impact absorbing energy of all samples do notmeet the standard requirements.In general,mechanical properties of thermit welded joint of 75 kg·m-1rail do notmeet the current requirements.It is necessary tomake improvements in welding flux,equipment and process to enhance the perfor?mance of thermit welded joint and tomeet the requirements as well.

heavy haul railway;thermit welding;welded joint;mechanical properties;test

U213.9+2

A

2014-10-08

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAG20B00）

程建平（1965—），男，高級工程師，研究方向?yàn)殍F路重載運(yùn)輸。

1005-0523（2014）06-0024-05