采用藥芯焊絲堆焊修復后的鋼軌組織性能

王慶偉，陳 輝，趙 曦

(1.西南交通大學，四川成都 610031；2.北京工務機械段 焊軌車間，北京 100071)

采用藥芯焊絲堆焊修復后的鋼軌組織性能

王慶偉1，陳 輝1，趙 曦2

(1.西南交通大學，四川成都 610031；2.北京工務機械段 焊軌車間，北京 100071)

隨著鐵路運輸的高速、重載化，鋼軌的傷損日趨嚴重，過去采用焊條對傷損鋼軌進行堆焊修復，已總結出了成套技術并趨于成熟。但對使用自保護藥芯焊絲進行堆焊修復鋼軌的研究較少，針對在線鋼軌的焊接特點，選用牌號JDHB-1的自保護藥芯焊絲作為鋼軌堆焊修復的材料，在實驗室條件下對攀鋼生產的U75V鋼軌進行了堆焊修復工藝試驗，進行了堆焊層的組織、性能等試驗研究及超聲波探傷。研究表明，采用JDHB-1自保護藥芯焊絲進行在線鋼軌堆焊修復，滿足鐵道部標準TB／T1631-2002(鋼軌電弧焊補技術條件)對硬度、組織、沖擊性能的要求，且堆焊層的透聲性能與母材接近，因此堆焊層具有優(yōu)良的綜合機械性能，采用自保護藥芯焊絲冷焊修復傷損鋼軌具有可行性。

自保護藥芯焊絲；鋼軌；堆焊；修復

0 前言

隨著鐵路運輸的高速、重載化，鋼軌的傷損日趨嚴重。鋼軌傷損的原因有兩種：一種是鋼軌自身質量引起的傷損，這種傷損不僅嚴重危及行車安全，而且不能更新修復，只能更換新軌；另外一部分傷損是鋼軌在正常運行中產生的，如鋼軌局部的磨耗、機車輪空轉打滑所產生的踏面擦傷、軌端淬火層的剝落等。列車通過時巨大的沖擊載荷也易促使損傷部位裂紋的發(fā)展和形成軌頭橫向疲勞裂紋，降低線路質量，影響行車安全。這類傷損中除一些使用時間長、裂紋發(fā)展較為嚴重，已擴展至相當深度的傷損鋼軌不宜再修復外，一般都可以進行焊補修復，以改善線路狀況，延長鋼軌使用期限，節(jié)約大量的保養(yǎng)費用，保證行車安全，提高經濟效益[1]。因此，鋼軌的堆焊修復具有巨大的經濟和社會效益。

1 國內鋼軌堆焊修復的現狀分析

我國鋼軌焊補開始于20世紀50年代，過去的氣焊、火焰噴焊現在基本上被手工電弧焊取代。20世紀90年代后期，鋼軌焊補存在的最大問題是由于采用高錳鋼焊條不預熱焊補鋼軌導致焊后有時會出現斷軌現象。分析發(fā)現，多數情況是由于鋼軌焊補不預熱、預熱溫度不足或打磨不徹底造成。關于鋼軌焊補的預熱問題，在20世紀70年代末80年代初就進行過大量試驗，未經過預熱對鋼軌進行焊補，其熱影響區(qū)會出現馬氏體組織。試驗的結論是：單道焊必然產生馬氏體；多道焊中，后面的焊道焊補時產生的熱量對前焊道有回火作用，可消除部分前焊道熱影響區(qū)的馬氏體，但焊補區(qū)域邊緣的馬氏體卻無法消除，這樣容易引起鋼軌斷軌。斷裂源于焊補層下面的熱影響區(qū)，通過對金屬顯微組織分析發(fā)現，該區(qū)域存在大量馬氏體組織。脆性馬氏體組織在車輪的碾壓過程中產生微小裂紋，隨后裂紋向周圍擴展，直到整個鋼軌斷裂。因此，傳統(tǒng)鋼軌電弧焊補，焊前必須對鋼軌進行打磨和預熱，焊后需要緩冷[2]。文獻[4]和文獻[5]通過對KD286和TY320兩種焊條進行鋼軌堆焊修復技術研究，結果表明，采用KD286焊條焊補傷損鋼軌，焊縫中的奧氏體組織在列車運行過程中在車輪的沖擊、碾壓下變?yōu)轳R氏體，這方面有利于提高其表面硬度和耐磨性，但降低了其沖擊韌性，加速了焊補層的剝離。在焊補層和鋼軌基體金屬之間存在明顯的異質界面，從而很難對焊補層及其以下范圍內進行有效探傷，因此容易在焊補接頭處形成探傷死角，成為安全隱患；在借鑒TY320焊條研究成果的基礎上，針對成都鐵路局線路繁忙、條件差、氣候潮濕多雨等特點，總結出了采用TY320焊條進行鋼軌焊補的成套技術。研究表明：TY320焊補層具有優(yōu)良的性能，滿足鐵道部標準TB／T1631-2002(鋼軌電弧焊補技術條件)對硬度、組織、沖擊性能的要求，且焊補層的透聲性能與母材接近，通用鋼軌探傷儀可以對線路方便地進行探傷，消除了探傷死角。

2 問題的提出

目前，我國還是采用焊條電弧焊進行在線鋼軌堆焊修復。在實際應用中表明，焊條電弧焊存在以下不足：(1)由于鋼軌傷損的普遍性，使得鋼軌的修復較為困難且工作環(huán)境惡劣；(2)焊條電弧焊雖然靈活、方便，但其修復速度比較慢，難以實現自動化操作；(3)受人為因素影響較大，焊修質量不穩(wěn)定；(4)采用焊條進行堆焊修復，要求對鋼軌進行焊前預熱，鐵路現場鋼軌預熱需要較多的器具，準備時間長，修復不方便。與目前常用的手工堆焊相比，自保護藥芯焊絲堆焊具有清潔、高效、低成本、易實現自動化等特點。因此，本研究探索在不預熱條件下采用自保護藥芯焊絲進行在線鋼軌的堆焊修復，以期在國內實現鋼軌堆焊修復的(半)自動化，具有重大的工程價值和經濟效益[4]。

3 堆焊材料及試驗方案的選擇

選用國內主要鐵道干線應用的U75V鋼軌作為母材；焊接材料采用JDHB-1自保護藥芯焊絲；焊接設備采用NB-500K晶閘管氣體保護焊機；焊前不預熱，焊后緩冷，具體焊接工藝參數如表1所示。

表1 焊接工藝參數

JDHB-1自保護藥芯焊絲是一種Cr-Ni-Mo合金焊絲，焊后熔敷金屬中含w(Ni)＝2%～2.5%，無需保護氣體，焊縫低溫韌性優(yōu)良，其熔敷效率高，電弧穿透力大，呈噴射狀，操作容易，焊縫成形美觀，脫渣容易。在此探索用其進行鋼軌堆焊修復的可行性，要求焊接接頭不出現冷裂紋，并且接頭的組織性能與鋼軌母材性能相匹配。采用表1所示的工藝參數在鋼軌表面堆焊一層，冷卻后采用磁粉探傷以確定堆焊層表面是否產生裂紋。在焊接過程中要求清渣干凈，并充分錘擊后再進行下層堆焊，然后再堆焊多層，在磁粉探傷確認堆焊層無裂紋的情況下截取金相、硬度、沖擊等試驗試件，進行堆焊層組織和性能試驗。

4 JDHB-1堆焊層的組織與性能研究

4.1 JDHB-1堆焊層的組織

JDHB-1自保護藥芯焊絲在PD3鋼軌上堆焊層的金相組織如圖1～圖5所示。

由圖1～圖5可知，焊補層組織主要為鐵素體+貝氏體+板條狀馬氏體組織，低碳馬氏體性能溫度較高，形成速度較慢，形成過程中板條與板條、束與束、塊與塊不會發(fā)生強烈碰撞而形成顯微裂紋，板條內大量位錯的存在又為塑性、韌性的提高創(chuàng)造了條件。因此板條狀馬氏體即低碳馬氏體的硬度、強度比高碳馬氏體低，且塑性、韌性較高，因此它有較好的綜合機械性能。母材為鐵素體+珠光體。過熱區(qū)未發(fā)現淬硬的馬氏體組織，主要為較細的珠光體+鐵素體組織。這主要是因為堆焊了多道，前面的焊道相當于對后面的焊道進行了預熱，后面的焊道相當于對前面的焊道進行了緩冷，使整個堆焊層的冷卻速度有所減緩；同時焊后采取了緩冷的措施，從而避免了過熱區(qū)產生淬硬的馬氏體組織[4]。

4.2 JDHB-1堆焊層的性能

4.2.1 JDHB-1堆焊接頭的硬度試驗

采用HAV-10A型小負荷維氏硬度計在加載10 kg下進行維氏硬度測定。堆焊層每隔1 mm打一個點，到熱影響區(qū)每隔0.5 mm打一個點。硬度試驗結果見表2和圖6。

表2 JDHB-1堆焊接頭的硬度試驗結果(HV10)

圖6 JDHB-1堆焊接頭的硬度分布曲線

由表2和圖6可知，JDHB-1堆焊層硬度高于母材，從而使堆焊層具有優(yōu)于母材的耐磨性；熱影響區(qū)的平均硬度僅為HV296，從硬度上也驗證了過熱區(qū)不存在淬硬的馬氏體組織，因此，JDHB-1堆焊接頭的硬度試驗結果滿足鐵道部標準(TB／T1631-2002)對硬度在HB300～350的要求。

4.2.2 JDHB-1堆焊層的沖擊試驗

沖擊試驗采用擺錘式沖擊試驗機，型號JBN-300。在常溫下對JDHB-1堆焊層、熱影響區(qū)和母材進行沖擊試驗，試驗結果如表3所示。

表3 JDHB-1堆焊層的沖擊試驗結果

由表3可知，JDHB-1堆焊層的平均沖擊功為49J，遠大于母材；過熱區(qū)的平均沖擊功為33J。JDHB-1堆焊層沖擊斷口形貌如圖7所示，為典型的韌窩，屬于韌性斷裂，具有優(yōu)良的耐沖擊性能。過熱區(qū)沖擊斷口形貌如圖8所示，為準解理斷口形貌，屬于脆性斷裂，但與母材相比，其沖擊功達到27 J以上，滿足鐵道部標準(TB／T1631-2002)對沖擊功大于27 J的要求。

圖7 JDHB-1堆焊層沖擊斷口形貌

圖8 JDHB-1過熱區(qū)沖擊斷口形貌

4.2.3 JDHB-1堆焊層的超聲波檢測

利用超聲波探傷儀對所取堆焊層試件做超聲波檢測。檢測試樣兩件，一件是PD3鋼軌，一件是堆焊過的鋼軌，檢測方向厚度相同。超聲波探傷儀型號CTS-26；超聲波探傷直探頭型號5P14-D。

試驗結果：利用CTS-26超聲波探傷儀對所取堆焊層試件做超聲波檢測，沒有發(fā)現裂紋和氣孔等焊接缺陷，在同一回波高度下(80%)，母材探傷衰減分貝數為76 dB，堆焊過的鋼軌衰減分貝數74 dB，母材和焊補層的靈敏度誤差2 dB，小于8 dB，母材與堆焊層聲透能力接近，不存在明顯的異質界面，所以采用通用鋼軌探傷儀(車)可以方便地進行探傷，消除了在線鋼軌探傷的安全死角，滿足現場探傷的要求。

5 結論

(1)JDHB-1自保護藥芯焊絲堆焊修復在線鋼軌，采用多層焊并采取焊后緩冷的措施使冷卻速度有所減緩，堆焊層組織為鐵素體+貝氏體+板條狀馬氏體，熱影響區(qū)為細小的鐵素體+珠光體，焊補層具有優(yōu)良的綜合機械性能。

(2)JDHB-1自保護藥芯焊絲堆焊鋼軌，堆焊層硬度平均值為HV338，稍高于鋼軌母材，因此堆焊層具有優(yōu)于鋼軌母材的耐磨損性能。滿足鐵道部標準(TB／T1631-2002)對焊補層硬度在HB300～350的要求。

(3)JDHB-1堆焊層沖擊斷口顯微形貌為典型的韌窩，是典型的韌性斷裂，因此堆焊層具有優(yōu)良的耐沖擊性能；且焊補層和過熱區(qū)的沖擊功均達到27 J以上，滿足鐵道部標準(TB／T1631-2002)對焊補層沖擊性能的要求。

(4)JDHB-1自保護藥芯焊絲堆焊鋼軌，在堆焊層和鋼軌母材之間不存在明顯的異質界面，采用通用的鋼軌探傷儀可以方便地進行探傷，消除了在線鋼軌探傷的安全死角，滿足現場探傷要求。

[1]李 斌，張 智，任新建.在役鋼軌常見傷損形式綜述[J].包鋼科技，2004，30(3)：52-54.

[2]季關鈺，汪德宇.鋼軌焊修技術[M].北京：中國鐵道出版社，1988.

[3]周振豐.焊接冶金學及金屬焊接性[M].北京：機械工業(yè)出版社，1995.

[4]陶 然，陳 輝.自保護藥芯焊絲在鋼軌冷焊修復中的應用[J]，電焊機，2005，35(11)：46-47.

[5]陳 輝，車小莉.用KD286焊條堆焊修復后的鋼軌的組織性能研究[J]，電焊機，2002，32(7)：10-15.

[6]陳 輝，曾維德，車小莉.鐵路在線傷損鋼軌堆焊修復新技術研究[J]，電焊機，2004，34(4)：5-8.

Research on microstructure and property of rail by surfacing welding with self-shielded flux-corded wire

WANG Qing-wei1，CHEN Hui1，ZHAO Xi2
(1.Southwest Jiaotong University Sichuan，Chengdu 610031，China；2.Rail Welding Workshop Beijing Machinery Work Section，Beijing 100071，China)

With the high speed and heavy haulage on railways，the rail's damage is more and more serious，the electrode is adopted to repair the rail through surfacing welding in the past，the packaged technology is summarized，according to the weldability of the rails on-site in this paper，The JDHB-1 self-shielded flux-cored wire as the welding material is selected to repair the rail which is produced by Pangang Group，then the microstructure and property is researched and supersonic flaw detecting is done.The research shows that：The overlay's rigidity，morphology and impact properties meets the Ministry of Railways’standard，the sound transitive performance of the overlay is approached to the base metal.So the overlay possess good comprehensive mechanical property.It is feasible that the damaged rail is repaired by self-shielded flux-corded wire without preheat.

self-shielded flux-cored wire；rail；surfacing welding；repair

TG455

B

1001-2303(2010)01-0079-04

2008-12-04；

2009-09-17

王慶偉(1983—)，男，黑龍江肇東人，碩士，主要從事堆焊修復技術的研究工作。