重載鐵路焊接接頭損傷形式及研究現(xiàn)狀

摘要：鐵路是對(duì)一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展都有著非常重要的作用，相對(duì)于常規(guī)客運(yùn)與貨運(yùn)鐵路，重載鐵路有著顯著的效率和經(jīng)濟(jì)效益。鋼軌焊接是重載線路最重要、最復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)研究重載鋼軌焊接方式、鋼軌焊接接頭損傷問(wèn)題以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀論述，為減少鋼軌接頭損傷及提升接頭質(zhì)量提供參考。

關(guān)鍵詞：重載鐵路 ?焊接 ?接頭 ?損傷

緒論

重載鐵路由于有著速度快、效率高、成本低、運(yùn)輸路線穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)完全扮演了功能最全，效率最高且能橫跨大陸大宗貨物搬運(yùn)者。

重載鐵路一般是一條軸線大、列車(chē)總重大或行駛列車(chē)量大的路線。主要用于煤、鐵礦石等的運(yùn)輸。

目前，美國(guó) 70%的鐵路是重載鐵路，重載鐵路貨物輸送以煤炭為主。南非的礦產(chǎn)資源十分豐富，先天的資源優(yōu)勢(shì)加快了南非重載鐵路的發(fā)展。其中兩條里程占比不足 7%重載線路的卻足足承擔(dān)了南非貨運(yùn)總運(yùn)量 60%的運(yùn)輸量，由此可以看到重載線路對(duì)南非鐵路的重要意義。

80年代，我國(guó)開(kāi)始發(fā)展重載鐵路。目前我國(guó)主要重載線路有大秦鐵路、包神-神朔-朔黃鐵路、山西中南部鐵路、蒙華鐵路等。其中蒙華鐵路的運(yùn)行顯著的提升了我國(guó)鐵路南北方向的貨運(yùn)能力，使整個(gè)交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)更加的靈活，是將我國(guó)中部與歐亞路橋連接的重要通道，其戰(zhàn)略意義非常重要[2]。

1重載鐵路焊接方法

鐵路線路上的鋼軌對(duì)接焊縫不僅對(duì)軌道施工、機(jī)車(chē)車(chē)輛使用壽命、乘客舒適度和能源消耗等產(chǎn)生一定的不利影響，而且直接危及列車(chē)安全。要想解決這一系列的問(wèn)題，就必須要提高鋼軌接頭焊縫的穩(wěn)固性與平順性。國(guó)鋼軌焊接技術(shù)的發(fā)展情況直接影響工程進(jìn)度、保證工程質(zhì)量的最為關(guān)鍵的因素之一。

重載鐵路鋼軌焊接方法有閃光焊、鋁熱焊、氣壓焊[3]。我國(guó)氣壓焊使用較少，使用最廣泛的是閃光焊，閃光焊接頭占接頭總數(shù)約為90%。

1.1閃光焊

閃光對(duì)焊也稱為接觸焊。焊接時(shí)，電流流過(guò)待焊接鋼軌的接觸面，產(chǎn)生大量電阻熱。焊接端面被迅速加熱到熔化狀態(tài)，然后鋼軌被加壓，鐓粗熔晶使兩條鋼軌焊接在一起。如下圖所示。

1.2鋁熱焊

鋁熱焊的焊接原理是利用鋁熱劑在氧化還原反應(yīng)時(shí)釋放力巨大熱量將坩堝中的焊劑加熱至熔化然后澆筑到形腔中，由高溫的鋼水把鋼軌的端面熔化，冷卻后成為統(tǒng)一整體，完成鋼軌的焊接。

1.3氣壓焊

氣壓焊又稱加壓焊，鋼軌氣壓焊屬于塑性氣壓焊。在一定的壓力下移動(dòng)兩端面至緊密接觸，此時(shí)采用加熱器進(jìn)行乙炔火焰加熱，將鋼軌端面加熱處理至鋼軌進(jìn)入塑性半熔狀態(tài)，然后施加頂鍛力，在力作用下，端面半熔狀態(tài)的部位發(fā)生金屬原子的擴(kuò)散和再結(jié)晶，從而將兩鋼軌焊接在一起。

氣壓焊的焊接工藝非常復(fù)雜。一般來(lái)說(shuō)，氣壓焊接是在戶外進(jìn)行的，因此受環(huán)境的影響很大。在焊接過(guò)程中，容易出現(xiàn)受熱不均、鐓粗加載不均、接頭焊縫變形等現(xiàn)象。

2 重載鐵路焊接接頭損傷

焊接接頭是路線中最復(fù)雜的部分。鋼軌焊接接頭的主要損傷是擦傷、側(cè)面磨損、崩刃等。

2.1鋼軌接頭壓潰

重載鐵路上的下股鋼軌壓潰是由鋼軌的連續(xù)塑性變形引起的。一般的材料在受到反復(fù)的作用力的時(shí)候，會(huì)在被作用的表面形成殘余應(yīng)力，經(jīng)過(guò)一定的積累之后參與應(yīng)力會(huì)達(dá)到一個(gè)極限值不再變化，材料也就不再發(fā)生塑性變形，這就是材料的安定極限載荷。在重載鐵路大軸重的情況下，輪軌接觸區(qū)的載重量隨之增加，隨著變形量的不斷累積，就會(huì)破壞輪軌接觸區(qū)，進(jìn)一步出現(xiàn)鋼軌的壓潰現(xiàn)象。

2.2 接頭處不平順

接頭處的不平順是鋼軌接頭損傷中比較輕微的一種，它也廣泛的存在于重載線路的接頭之中。接頭本身的力學(xué)性能，尤其是耐磨性和抗壓性能都與母材存在差異，在鋼軌長(zhǎng)時(shí)間的服役過(guò)程中受到來(lái)自車(chē)輪的沖擊、擠壓和磨損，最終就會(huì)表現(xiàn)出接頭一般會(huì)出現(xiàn)低塌的不平順的現(xiàn)象

2.3 鋼軌接頭剝離掉塊

鋼軌剝離是重在線路中很普遍的一種傷損類型，鋼軌出現(xiàn)剝離損傷后，表面失去原有的金屬光澤，形成黑色的斑紋，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)形成魚(yú)鱗狀的剝落現(xiàn)象，即剝離掉塊，如下圖所示。剝離掉塊會(huì)在踏面形成凹坑，影響輪軌正常的接觸關(guān)系，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起列車(chē)震動(dòng)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲。

2.4鋼軌接頭側(cè)磨

在曲線路段上股鋼軌，容易發(fā)生鋼軌側(cè)磨，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)曲線段時(shí)，由于要提供向心力，車(chē)輪的輪緣與鋼軌側(cè)面接觸并產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，較大的滑動(dòng)摩擦力造成鋼軌側(cè)面的嚴(yán)重磨耗。

2.5輪軌裂紋

鋼軌接頭接頭裂紋一般是由于焊接接頭受到車(chē)輪循環(huán)反復(fù)的拉壓應(yīng)力作用產(chǎn)生，在交變應(yīng)力作用下，接頭表面以及次表面出現(xiàn)塑性變形，塑性變形在車(chē)輪不斷的碾壓作用下累積，表層組織出現(xiàn)位錯(cuò)和滑移，位錯(cuò)不斷堆積導(dǎo)致組織變形破碎。

3鋼軌焊接接頭損傷研究現(xiàn)狀

對(duì)于接頭的研究主要分為三類：一是在線路上實(shí)地對(duì)焊接接頭的損傷進(jìn)行測(cè)試研究，得到損傷情況的原始數(shù)據(jù)。二是在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)焊接接頭的損傷進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，研究各種不同參數(shù)下的接頭損傷程度。三是利用有限元軟件對(duì)接頭的損傷進(jìn)行有限元模擬分析，從而得到損傷產(chǎn)生的規(guī)律，并對(duì)損傷情況進(jìn)行預(yù)測(cè)[5]。

3.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

Desimone 等研究了疲勞裂紋在鋼軌焊接的焊縫位置的擴(kuò)展機(jī)制，由于焊縫受到混合模式的作用產(chǎn)生了垂向和橫向兩種斷裂。Meric 等利用短預(yù)熱鋁熱法工藝焊接而成鋁熱焊接頭，并對(duì)接頭力學(xué)性能和微觀組織進(jìn)行了研究。2006年，Kabo 等將高頻車(chē)輛-軌道動(dòng)態(tài)有限元模型和滾動(dòng)接觸疲勞分析相結(jié)合，分析研究了鋼軌焊接接頭的沖擊載荷。

3.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)重載鐵路的磨損也有廣泛的研究。西南交通大學(xué)郭軍等開(kāi)展輪軌接觸疲勞損傷研究，建立輪軌接觸有限元模型，考察其沖擊損傷、輪軌制動(dòng)損傷、輪軌磨損等 生產(chǎn)開(kāi)發(fā)及主要 影響因素。文澤峰及其同事建立了鋼軌焊接連接的三維彈塑性有限元模型，詳細(xì)考察了軸荷和車(chē)速對(duì)接觸力的影響。

結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)重載運(yùn)輸路線的運(yùn)輸事業(yè)的飛速發(fā)展，鋼軌的損傷與磨損日益嚴(yán)重。焊接接頭作為鋼軌中力學(xué)性能較差的部分，已成為鋼軌受損傷的重災(zāi)區(qū)。通過(guò)研究的重載鋼軌焊接工藝、鋼軌焊接接頭損傷問(wèn)題以及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀論述，為鋼軌接頭損傷機(jī)制及質(zhì)量提升提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1]田葆栓.在變化的世界中推進(jìn)重載鐵路技術(shù)和運(yùn)營(yíng)（待續(xù)）——第11 屆國(guó)際重載運(yùn)輸大會(huì)綜述[J].國(guó)外鐵道車(chē)輛，2019，56（01）：1-6.

[2]胡亞?wèn)|.我國(guó)鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)體系的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國(guó)鐵道科學(xué)，2015，36（02）：1-10.

[3]盧慶華，徐培全，于治水，陳立功.鋼軌焊接技術(shù)及質(zhì)量控制[J].焊接技術(shù)，2010，39（01）：66-68.

作者簡(jiǎn)介：曾成勇，男，四川成都，1984.07.20，中專，焊工技師，研究方向和寫(xiě)作方向電焊類。