重載線路用新型鋼軌閃光焊質(zhì)量研究

趙 曦

（中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京工電大修段，北京102206）

0 前言

隨著鐵路運輸行業(yè)的飛速發(fā)展，能較大程度提升貨運能力的重載鐵路得到各國重視，對重載線路鋼軌鋪設(shè)也提出了更高的要求。我國大力開展重載運輸技術(shù)研究和重載鐵路建設(shè)，經(jīng)過不斷的開拓發(fā)展，形成了大秦、朔黃、大包、蒙西和瓦日等一系列的重載線路運輸技術(shù)體系。。

在大秦、朔黃等運煤專線上，現(xiàn)有鋼軌的耐磨性已不能滿足長壽命使用要求。在此基礎(chǔ)上PG4、PG5及貝氏體鋼軌等各類高強鋼軌相繼研發(fā)問世，其高強度和高耐磨性能夠顯著改善重載鐵路需求。

本研究通過閃光焊焊接重載用新型鋼軌PG5和貝氏體鋼軌，研究其焊接接頭質(zhì)量，實現(xiàn)PG5和貝氏體鋼軌的焊接，為后續(xù)改善焊接工藝及推廣高強度鋼軌應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗方法和設(shè)備

試驗用攀鋼 75N·U95Cr（PG5）熱處理鋼軌的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1。試驗用包鋼75N·U20Mn貝氏體鋼軌的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表2。

PG5和貝氏體軌在鋼軌成分上區(qū)別于以往的釩軌和錳軌，碳含量的增加和合金元素的加入均對鋼軌的可焊性產(chǎn)生明顯影響，以往的焊接參數(shù)并不適合作為焊接PG5和貝氏體軌的試驗基礎(chǔ)參數(shù)[1-3]。大量試驗研究表明，通過調(diào)整焊接參數(shù)以及熱處理時的加熱溫度和風(fēng)壓，加熱和冷卻接頭，可找到合適的焊接工藝參數(shù)和熱處理參數(shù)[3]。目前鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在鋼軌焊接接頭的硬度方面并未區(qū)分重載鐵路和普通鐵路，在試驗中采用了與普通鐵路一樣的熱處理作業(yè)過程[4]，使鋼軌焊接接頭硬度達(dá)到TB/T1632-2014《鋼軌焊接》中的相關(guān)要求。

表1 75N·U95Cr（PG5）熱處理鋼軌化學(xué)成分及力學(xué)性能

表2 75N·U20M n貝氏體鋼軌化學(xué)成分及力學(xué)性能

試驗設(shè)備為GAAS80/580閃光焊機，焊后通過感應(yīng)加熱進(jìn)行正火工序，實現(xiàn)PG5鋼軌和貝氏體鋼軌的焊接。閃光焊焊接PG5熱處理鋼軌主要參數(shù)如表3所示，焊后采用單頻電感應(yīng)正火，加熱到920℃后停止加熱（加熱時間130～150 s）。并進(jìn)行自動噴風(fēng)處理，噴風(fēng)壓力0.22～0.25MPa，噴風(fēng)時間120 s。

表3 PG5鋼軌閃光焊焊接主要參數(shù)

閃光焊焊接貝氏體鋼軌主要參數(shù)如表4所示。

焊后采用雙頻電感應(yīng)正火，低頻轉(zhuǎn)高頻溫度830℃（低頻加熱時間150～160 s），加熱到880℃后停止加熱（總加熱時間240～280 s）。不進(jìn)行噴風(fēng)冷卻。

PG5鋼軌和貝氏體鋼軌的閃光焊焊接記錄曲線如圖1所示，根據(jù)各接頭的記錄曲線統(tǒng)計參數(shù)檢測值，得到頂鍛量、頂鍛速度等參數(shù)如表5所示。

按照TB/T1632-2014《鋼軌焊接》要求取樣，進(jìn)行落錘試驗、硬度試驗、顯微組織、拉伸試驗、沖擊試驗、靜彎試驗和疲勞試驗等性能試驗，檢驗接頭焊接質(zhì)量。

2 PG5鋼軌閃光焊接頭質(zhì)量

2.1 落錘性能

按TB/T1632-2014《鋼軌焊接》要求：錘重1.0 t，落錘高度6.4m，支點間距1.0m，連續(xù)25個接頭一錘不斷為合格[5]。

經(jīng)過試驗，PG5閃光焊A001～A025接頭連續(xù)一錘不斷，通過了落錘檢驗，擾度15～17mm。落錘斷口如圖2所示，斷口撕裂感明顯，焊接效果良好。

表4 貝氏體鋼軌閃光焊焊接主要參數(shù)

圖1 閃光焊焊接記錄曲線

表5 閃光焊焊接過程主要參數(shù)檢測值

2.2 沖擊性能

按TB/T1632-2014標(biāo)準(zhǔn)對A041號接頭取樣進(jìn)行沖擊試驗，采用夏比U型缺口沖擊試驗方法，結(jié)果如表6所示。沖擊功均值為11.1 J，接頭沖擊性能及韌性達(dá)到良好水平。

2.3 拉伸性能

按TB/T1632-2014標(biāo)準(zhǔn)對A042號接頭取樣進(jìn)行拉伸試驗，軌頭、軌腰和軌底各取3個試樣，結(jié)果如表7所示。抗拉強度均值為1 090MPa，斷后延伸率均值為8%，接頭抗拉性能良好。

圖2 PG5鋼軌閃光焊接頭落錘斷口照片

2.4 硬度性能

PG5鋼軌閃光焊接頭試樣硬度分布如圖3所所示。圖3a為PG5焊接接頭A043和A044的軌頂面布氏硬度分布，圖3b為A045縱斷面洛氏硬度分布。接頭軌頂面和縱斷面硬度以焊縫零位置線為中心呈對稱分布。

表6 PG5鋼軌閃光焊接頭沖擊試驗結(jié)果

表7 PG5鋼軌閃光焊接頭拉伸試驗結(jié)果

用5%硝酸酒精腐蝕測試面，出現(xiàn)兩側(cè)熱影響區(qū)與母材交界線。以兩交界線內(nèi)硬度均值為焊縫均值HJ，兩交界線外硬度均值為母材均值HP。以母材均值的90%劃分軟化區(qū)，低于該劃分線區(qū)域為軟化區(qū)，軟化區(qū)硬度均值HJ1。硬度試驗統(tǒng)計結(jié)果如表8所示。PG5閃光焊接頭HJ/HP和HJ1/HP均滿足TB/T1632-2014標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度指標(biāo)達(dá)標(biāo)，軟化區(qū)寬度亦滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但寬度較寬，后續(xù)可通過調(diào)節(jié)正火及冷卻工藝來縮小軟化區(qū)，避免接頭出現(xiàn)馬鞍形磨耗。

圖3 PG5鋼軌閃光焊接頭試樣硬度分布

表8 PG5鋼軌閃光焊接頭硬度試驗結(jié)果

2.5 顯微組織及晶粒度

利用硬度試件A043和A044接頭進(jìn)行顯微組織試驗和晶粒度檢驗，按TB1632-2014標(biāo)準(zhǔn)取樣，軌頭1處，軌底三角區(qū)1處，軌底角2處。觀察顯微組織發(fā)現(xiàn)，各試樣組織一致，焊縫和熱影響區(qū)組織均為珠光體和少量鐵素體，未發(fā)現(xiàn)異常組織。A044接頭軌頭顯微組織如圖4所示。TB/T1632.2-2014要求焊縫晶粒度：軌頭和軌腳邊緣部分不應(yīng)低于8級，軌底三角區(qū)不應(yīng)低于6級[5]，試驗獲得的各試樣焊縫和熱影響區(qū)晶粒度等級均在8級以上（見表9），滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。晶粒細(xì)小，力學(xué)性能良好。

2.6 靜彎及疲勞性能

靜彎試驗結(jié)果表明：A026～A029、A031～A034和A036～A039三組接頭軌頭受壓，承受1 850 kN載荷未發(fā)生斷裂；A030、A035和A040接頭軌頭受拉，承受1 600 kN載荷未發(fā)生斷裂，滿足TB/T1632-2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 A044接頭軌頭試樣顯微組織

表9 PG5鋼軌閃光焊接頭顯微組織晶粒度等級匯總

疲勞試驗結(jié)果表明：A046～A048接頭在支距為1.4m，F(xiàn)min=86 kN，F(xiàn)max=429 kN載荷（頻率5Hz）作用下，循環(huán)2×106次未發(fā)生斷裂，滿足TB/T1632-2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 U20M n貝氏體鋼軌閃光焊的接頭質(zhì)量

3.1 落錘性能

按TB/T1632-2014《鋼軌焊接》要求：錘重1.0 t，落錘高度6.4m，支點間距1.0m，連續(xù)25個接頭一錘不斷為合格[5]。

經(jīng)過試驗，U20Mn貝氏體閃光焊B001～B025接頭連續(xù)一錘不斷，通過了落錘檢驗。落錘斷口如圖5所示，斷口未見明顯缺陷，焊接效果良好。

3.2 沖擊性能

按TB/T1632-2014標(biāo)準(zhǔn)對B041號接頭取樣進(jìn)行沖擊試驗，采用夏比U型缺口沖擊試驗方法，結(jié)果見表10。沖擊功均值為38.3 J，接頭沖擊性能及韌性良好。

圖5 貝氏體鋼軌閃光焊接頭落錘斷口照片

表10 貝氏體鋼軌閃光焊接頭沖擊試驗結(jié)果

3.3 拉伸性能

按TB/T1632-2014標(biāo)準(zhǔn)對B042號接頭取樣進(jìn)行拉伸試驗，軌頭、軌腰和軌底各取3個試樣，結(jié)果見表11。抗拉強度均值為1 081MPa，斷后延伸率均值為8%，接頭抗拉性能良好。

表11 貝氏體鋼軌閃光焊接頭拉伸試驗結(jié)果

3.4 硬度性能

貝氏體鋼軌閃光焊接頭試樣硬度分布如圖6所示。圖6a為貝氏體焊接接頭B043和B044的軌頂面布氏硬度分布，圖6b為B045和B046縱斷面測試線1洛氏硬度分布。接頭軌頂面和縱斷面硬度呈對稱分布。

硬度統(tǒng)計結(jié)果見表12。試驗獲得的貝氏體閃光焊接頭HJ/HP值和HJ1/HP值均滿足TB/T1632-2014標(biāo)準(zhǔn)要求，硬度指標(biāo)達(dá)標(biāo)，接頭硬度與母材相當(dāng)，有利于減少馬鞍型磨耗，軟化區(qū)寬度亦滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 貝氏體鋼軌閃光焊接頭試樣硬度分布

表12 貝氏體鋼軌閃光焊接頭硬度試驗結(jié)果

3.5 顯微組織及晶粒度

利用硬度試件B043和B044接頭進(jìn)行顯微組織試驗和晶粒度檢驗，試樣取樣位置為軌頭3處，軌底角2處。

觀察顯微組織發(fā)現(xiàn)，焊縫和熱影響區(qū)組織均為貝氏體和少量鐵素體，未發(fā)現(xiàn)異常組織。B043接頭軌頭顯微組織如圖7所示。

圖7 B043接頭軌頭踏面試樣顯微組織

TB/T1632.2-2014要求焊縫晶粒度：軌頭和軌腳邊緣部分不應(yīng)低于8級，軌底三角區(qū)不應(yīng)低于6級[5]，各試樣焊縫和熱影響區(qū)晶粒度等級均在8級以上，見表13。晶粒細(xì)小，力學(xué)性能良好

表13 貝氏體鋼軌閃光焊接頭顯微組織晶粒度等級匯總

3.6 靜彎及疲勞性能

靜彎試驗結(jié)果表明：B026～A029、B031～B034和B036～B039三組接頭軌頭受壓，承受1 850 kN載荷未發(fā)生斷裂；B030、B035和B040接頭軌頭受拉，承受1 600 kN載荷未發(fā)生斷裂，滿足TB/T1632-2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

疲勞試驗結(jié)果表明：B047～B049接頭在支距為1.4m，F(xiàn)min=86 kN，F(xiàn)max=429 kN載荷（頻率5Hz）作用下，循環(huán)5×106次未發(fā)生斷裂，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

（1）采用GAAS80/580閃光焊機及配套焊接正火工藝，分別對攀鋼75N·U95Cr（PG5）熱處理鋼軌和包鋼75N·U20Mn貝氏體鋼軌進(jìn)行焊接，經(jīng)落錘、硬度、沖擊、拉伸、疲勞、靜彎等試驗檢測，其焊接質(zhì)量滿足標(biāo)準(zhǔn)TB/T1632-2014《鋼軌焊接》的要求，工藝具有良好的穩(wěn)定性。

（2）PG5鋼軌接頭沖擊功均值11.1 J，抗拉強度1 090MPa，斷后延伸率8%，硬度呈對稱分布，HJ/HP值為0.91，HJ1/HP值為0.81，晶粒細(xì)小，無馬氏體等硬脆組織，晶粒度在8.5級以上，接頭綜合性能良好。

（3）貝氏體鋼軌接頭沖擊功均值38.3 J，抗拉強度1 081MPa，斷后延伸率7%，硬度呈對稱分布，HJ/HP值為1.02，HJ1/HP值為0.86，接頭硬度與母材相當(dāng)，晶粒度在8級以上。

（4）成功利用閃光焊實現(xiàn)重載線路用新型鋼軌焊接，為PG5鋼軌和貝氏體鋼軌現(xiàn)場焊接、延長重載鐵路使用壽命提供了強力的技術(shù)支撐。

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[5]TB/T1632-2014，鋼軌焊接[S].