大秦線75 kg/m鋼軌鋁熱焊接頭傷損分析及對策

孫楠楠

(大秦鐵路股份有限公司茶塢工務段，北京 101402)

大秦鐵路是中國第一條雙線電氣化重載鐵路，2014年運量達到4.6 億t，創下又一個重載奇跡。大秦鐵路現用Ⅱ型、Ⅲ型混凝土枕，75 kg/m 鋼軌形成區間無縫線路。隨著運量的不斷增加，對鋼軌及焊接接頭的性能有了更高的要求。鋼軌接頭傷損逐漸嚴重，尤其是焊接接頭傷損顯著增加，而鋁熱焊存在的問題尤為突出，已對運輸安全構成了威脅，因此提高鋁熱焊焊接質量，延長鋼軌焊接接頭壽命，已成為迫切需要研究的重要課題。

1 鋁熱焊接頭質量問題、傷損及對策

當前在大秦線上使用的鋁熱焊接頭，每個都打著鋁熱焊專用夾板，盡管如此，鋁熱焊問題仍然較多，主要包括:焊劑、預熱、鋼軌溫度應力等方面的問題。

1.1 焊劑成分不匹配造成焊縫硬度偏低并且磨損嚴重

經過現場多次測量記錄及觀察，發現大部分鋁熱焊接頭服役一定時期后接頭區域低塌比較嚴重，焊接接頭低塌造成的危害有:1)輪軌間動作用力增加，造成焊縫處道床塌陷、軌枕失效，幾何尺寸不能有效保持，嚴重威脅行車安全;2)鋼軌焊接接頭壓潰，導致軌面剝離、掉塊和軌頭核傷;3)根據車輛轉向架及其對鋼軌的反應特性，鋼軌隆起導致的沖擊力比低接頭的小，而且沖擊力最大處為遠離隆起的地方。焊接接頭起始預留平直度不合格導致的低塌有兩種:一種接頭焊完之后就是低接頭;一種錯牙接頭，導致一側由于沖擊而造成的低塌。起始預留平直度不合格導致接頭在1 m 范圍內呈現V 形狀低塌。預留平直度合格的接頭，只在焊縫區域低塌形狀有兩種:一種是在焊縫兩邊軟帶處出現較大的低塌;另一種是焊縫及其熱影響區整體低塌。鋼軌焊接接頭的磨損狀態與接頭附近軌面硬度分布有密切關系，焊接接頭在焊縫和熱影響部分的軟化區域相對其他位置的磨損較重，磨損程度與硬度差異的程度有關。通過對大量鋁熱焊接頭(包括低塌嚴重和服役過程中比較正常的接頭)的平直度曲線和硬度曲線分析，焊縫及熱影響區域的硬度與母材硬度的差異成為接頭服役過程中是否出現低塌的主要原因。焊縫及熱影響區硬度的不合格導致了接頭與母材磨耗的差異性，導致了焊縫區域磨損較母材嚴重，這是部分鋁熱焊接頭低塌嚴重的主要原因。大秦重載線現狀服役的PG4，U77MnCr 鋼軌都是高Cr 鋼軌，此類鋼軌強度高、耐磨性好，但是硬度也比較高，而且線上服役的很大一部分鋼軌都經過了在線熱處理，硬度更高，經過在線熱處理的鋼軌母材踏面硬度可以達到370 HB 以上。按照現有焊劑配方，焊接PG4 熱處理軌，硬度差距過大。目前現有的鋁熱焊劑按照焊縫硬度可以分為300 HB和340 HB，其中，第一種焊劑使用時的實測硬度是310 HB～320 HB，是用來焊接U75V 鋼軌的;第二種焊劑的實測硬度是350 HB～360 HB，是用來焊接U77MnCr 和PG4 鋼軌的。值得注意的是由于U77MnCr 和PG4 母材硬度已經達到380 HB，使用中的測試結果更是高達410 HB 以上，因此第二種焊劑也顯得硬度偏低。比較合理的方法是用第二種焊劑焊接非熱處理軌，這樣焊縫硬度略高于母材，焊縫的磨損會小于母材。高硬度的鋼軌母材，對線上鋁熱焊焊接的焊劑和焊接過程都提出了較高的匹配要求。為適應高硬度鋼軌的需求，高硬度鋼軌鋁熱焊接技術的研究是必不可少的。對策及措施:1)研發適合焊接U77MnCr 和PG4熱處理軌的鋁熱焊焊劑，充分考慮硬度匹配問題;2)開展U77MnCr和PG4 熱處理軌的鋁熱接頭焊熱處理工藝研究，在焊劑直接焊接無法達到硬度匹配的情況下，應當開發出有效的配套工藝。

1.2 預熱溫度不足造成焊縫氣孔及夾渣

圖1 鋁熱焊接頭（K206+133 左股）傷損取樣斷口宏觀形貌

圖1 是鋁熱焊傷損接頭(K206 +133 左股)斷口宏觀形貌，2010年8 月鋪軌，2011年3 月發現重傷，2011年5 月下線，通過總重約3 億t。通過對現場斷裂接頭取樣試驗分析研究，傷損的具體位置在鋁熱焊接頭軌沿下顎至軌腰間鋼軌表層，存在若干分散的組織缺陷，未形成擴展裂紋。組織缺陷由粗大的顆粒狀和塊狀夾渣形成，在塊狀夾雜物之間及周圍分布著一些形狀不盡相同、大小不一的球狀夾雜物，主要成分是鐵、鋁、氧和少量的碳、硅、錳元素，主要存在于氧化鐵、氧化鋁和其他氧化物中。夾渣缺陷作為鋁熱焊接頭的一種常見缺陷形式，形成的主要原因是:1)焊接作業時，坩堝中噴出的熔渣進入型腔后，粘附在鋼軌表面，但是鋼水在進入型腔后，并不能把這部分熔渣沖掉上浮;2)在反應還沒有完成時，便直接澆筑，熔渣不能徹底上浮;3)鋼軌軌縫較大，鋼水不足或鑄型時“跑鐵”，熔渣進入型腔時，在軌頂容易形成夾渣。從夾渣缺陷的形態與分布特點來分析，產生的主要原因是，在鋼軌表面粘附的熔渣不能被沖掉上浮，其原因可能是:1)鋁熱反應還未進行徹底，就直接澆筑;2)焊劑存放期限過長，對鋁熱反應的進行產生了不良影響;3)預熱溫度或位置不正確，造成部分區域凝固過早，從而脫渣不徹底。對策及措施:1)焊前預熱應按合理的預熱位置和溫度進行操作，強化操作工對工藝要求的認知，嚴格按規定進行操作;2)焊前仔細檢查坩堝，鑄型設備，發現有問題的應及時更換;3)加強對鋁熱焊焊劑的質量和存儲狀態的檢查，不符合焊接要求的鋁熱焊焊劑杜絕使用。

2 鋼軌溫度應力造成焊縫拉開

圖2 為2011年，在K369 +029 位置進行鋼軌鋁熱焊，方法為法國鋁熱焊，在焊接時，由于受到鋼軌溫度應力的拉伸，未冷卻到室溫焊縫即被拉開，造成鋼軌焊接接頭斷裂。

圖2 鋁熱焊焊縫拉開全斷面形貌及軌底局部斷口

鋁熱焊焊縫被拉開的主要原因是鋼軌的溫度應力。在線上進行鋼軌鎖定焊接時，鋼軌兩端均為長軌，受到溫度的影響，鋼軌會出現伸長或縮短的長度變化。鋼軌在焊接過程中，高溫下已經凝固的焊縫強度較低，如果此時焊縫受到兩端鋼軌的拉伸，有可能出現拉開的現象。有時，即使沒有被拉開，其焊接強度也會受到嚴重影響，為此必須引起注意。

對策及措施:1)避免在鋼軌溫度下降時進行線上鋁熱焊。例如鎖定焊時，在有條件的情況下盡量上午進行線上焊接;2)采用拉伸器對鋼軌進行保壓，固定鋼軌，避免鋼軌收縮。

3 結論及建議

1)結論。鋁熱焊絕大數的傷損為下顎開裂，并且數量也是最高的。通過對傷損接頭的分析發現，裂紋并非起源于焊縫缺陷處，主要原因是接頭局部結構突變引起的應力集中，從而導致開裂。如果消除此類裂紋成為現實，將大幅度降低鋁熱焊接頭的傷損數量，提高鋁熱焊在重載鐵路中應用的水平。PG4 和U77MnCr熱處理軌接頭磨損最為嚴重(比氣壓焊還要嚴重)，一年接頭磨耗超過了1 mm，由于焊縫硬度大大低于母材，硬度匹配不合理，應當統籌考慮熱處理軌的鋁熱焊硬度匹配問題。一方面可以改進焊劑化學成分，提高焊縫材質硬度，另一方面也可以研發一種適合鋁熱焊接頭正火的設備，對焊接接頭進行淬火，使得接頭硬度接近鋼軌母材。

2)建議。開展降低鋁熱焊接頭傷損率的研究。鋁熱焊接頭的傷損絕大多數集中在軌頭下顎，并且傷損數量極高，這已經成為重載線路最主要的傷損形式之一。因此，建議開展降低鋁熱焊軌頭下顎傷損的研究，并進行相應的實驗驗證工作，有效降低該類型傷損。

［1］王金虎.大秦線運量逐年遞增情況下的鋼軌傷損分析及對策［J］.鐵道建筑，2008(11):40-41.

［2］盧永成.大秦鐵路工務設備狀態分析及其對策建議［J］.技術創新，2004(20):49-51.

［3］張偉娜，許富民，譚 毅.鋼軌鋁熱焊縫的微觀缺陷種類和形成機制［J］.機械工程材料，2007(22):35-36.