美國鋼軌原位修復(fù)技術(shù)

梁旭，周清躍，張銀花，劉豐收，王猛

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

0 引言

盡管鋼軌的冶金質(zhì)量與機(jī)械性能不斷提升，打磨和潤滑等維修養(yǎng)護(hù)手段不斷革新，但鋼軌傷損一直是世界各國鐵路公司時(shí)刻需要面對和解決的問題。鋼軌原位修復(fù)技術(shù)是對無縫線路傷損鋼軌永久性修復(fù)的一種方法，采用液壓鋼軌拉伸器在不改變線路鎖定軌溫的前提下，通過插入或不插入短軌的方式修復(fù)傷損鋼軌。

插入短軌的原位修復(fù)在我國無縫線路上被廣泛應(yīng)用，這種方案的弊端在于[1]：（1）增加2個(gè)鋁熱焊接頭，但鋁熱焊接頭通常是線路的薄弱環(huán)節(jié)，容易產(chǎn)生傷損；（2）重傷鋼軌應(yīng)在24 h內(nèi)下道，但申請?zhí)齑啊⒄{(diào)運(yùn)插入軌、調(diào)集工人與機(jī)具等前期工作可能導(dǎo)致無法在24 h內(nèi)完成切割下道、插入短軌、焊復(fù)、打磨等作業(yè)，現(xiàn)場多采用“緊急處理—臨時(shí)處理—永久處理”的方式解決，大大增加了維修工作量、占用天窗時(shí)間；（3）插入鋼軌的廓形與原鋼軌廓形存在差異，需要進(jìn)行人工順接修磨，工作量大，打磨質(zhì)量難以保證，影響軌道平順性。因此，世界各國都在發(fā)展不插入短軌的原位焊技術(shù)修復(fù)鋼軌傷損。

美國在鋼軌原位修復(fù)技術(shù)方面開展了多年研究與測試，至今已發(fā)展出軌頭鋁熱焊補(bǔ)、氣體自保護(hù)電弧堆焊焊補(bǔ)、寬焊縫鋁熱焊（簡稱寬焊縫）和低鋼軌消耗閃光焊技術(shù)。其中前2種技術(shù)主要應(yīng)用于軌頭部分的內(nèi)部或表面?zhèn)麚p的修復(fù)，后2種技術(shù)不但可修復(fù)軌腰、軌底區(qū)域的傷損，還可用于對垂直折斷鋼軌的焊復(fù)。

1 軌頭鋁熱焊補(bǔ)

軌頭鋁熱焊補(bǔ)技術(shù)可在不切斷鋼軌的情況下修補(bǔ)軌頭較窄位置的傷損，可以保持原始的軌腰及軌底性能和鋼軌的原始縱向應(yīng)力狀態(tài)。

1.1 實(shí)驗(yàn)室分析

美國交通技術(shù)中心（TTCI）對軌頭鋁熱焊補(bǔ)接頭的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果表明[2]：軌頭鋁熱焊補(bǔ)接頭的硬度和微觀組織與普通鋁熱焊接頭相似（見圖1、圖2）；直立靜彎測試結(jié)果遠(yuǎn)超普通鋁熱焊接頭，倒立靜彎測試結(jié)果略低于普通鋁熱焊接頭的直立靜彎測試結(jié)果；在固定閃光焊接頭上進(jìn)行軌頭焊補(bǔ)后，并未發(fā)現(xiàn)異常的高殘余應(yīng)力，軌頭鋁熱焊補(bǔ)接頭的最高應(yīng)力位于軌頭下圓弧位置[3]（見圖3）；存在普通鋁熱焊中常見的氣孔和溢流飛邊等傷損。

1.2 線路測試

2008—2015年，TTCI在環(huán)形試驗(yàn)線上開展FAST試驗(yàn)中對普通鋼軌的軌頭鋁熱焊補(bǔ)接頭進(jìn)行了3輪測試[4-6]，對在閃光焊接頭上制作的軌頭鋁熱焊補(bǔ)接頭進(jìn)行了2輪測試[6-7]。焊補(bǔ)作業(yè)情況和不同開槽方式見圖4、圖5， V形槽焊補(bǔ)接頭外觀與縱斷面酸蝕形貌見圖6。

從測試結(jié)果可知：無論是在普通鋼軌還是在閃光焊接頭上的焊補(bǔ)，其主要傷損形式都為軌面的剝離掉塊、塑性變形和低塌，主要失效模式為起源于軌頭下部溢流飛邊處的疲勞斷裂（見圖7），混凝土軌枕上的焊補(bǔ)接頭更容易發(fā)生斷裂。

針對以上情況，TTCI和焊補(bǔ)接頭制造商采取了以下改進(jìn)措施：（1）開展周期性（25～30 MGT）的鋼軌打磨；（2）優(yōu)化焊接磨具設(shè)計(jì)（見圖8）；（3）改進(jìn)焊補(bǔ)材料，改善與鋼軌母材的硬度匹配性；（4）改進(jìn)推凸和焊后打磨工藝，減少應(yīng)力集中點(diǎn)（見圖9）；（5）優(yōu)化軌頭下應(yīng)力集中情況。

圖1 軌頭鋁熱焊補(bǔ)接頭的縱截面宏觀形貌與尺寸（左：OW-2；右：BW-1）

圖2 軌頭鋁熱焊補(bǔ)接頭的縱斷面硬度與夏氏沖擊韌性測試結(jié)果

圖3 軌頭焊補(bǔ)接頭的縱向殘余應(yīng)力分布（綠色4點(diǎn)是作為對比的新軌應(yīng)力值）

圖4 移動軌頭傷損焊補(bǔ)車在現(xiàn)場作業(yè)

圖5 不同的開槽方式

2013—2016年，來自2個(gè)制造商的軌頭焊補(bǔ)接頭在東部超級試驗(yàn)場（商業(yè)運(yùn)營線路）進(jìn)行了線路測試[8]，累計(jì)通過總重120 MGT，服役表現(xiàn)如下：所有焊補(bǔ)接頭軌面都出現(xiàn)了滾動接觸疲勞傷損和塑性變形，不同制造商焊補(bǔ)接頭的傷損程度不同（見圖10）；周期性打磨可以有效控制傷損發(fā)展；與普通的鋁熱焊接頭類似，焊補(bǔ)接頭存在低塌情況（見圖11）；無接頭失效發(fā)生。

圖6 V形槽焊補(bǔ)接頭外觀與縱斷面酸蝕形貌

圖7 起源于溢流飛邊的疲勞斷裂案例

圖8 軌頭下顎模具優(yōu)化

圖9 焊后精磨消除應(yīng)力集中

圖10 2個(gè)制造商的下股鋼軌軌頭焊補(bǔ)傷損對比

圖11 在6.8°曲線下股上2個(gè)制造商的接頭縱向廓形對比

2 氣體自保護(hù)電弧堆焊焊補(bǔ)

電弧堆焊焊補(bǔ)可以根據(jù)焊芯材料的不同，對高錳鋼轍岔或普通軌頭傷損進(jìn)行焊補(bǔ)。Holland公司開發(fā)了一種應(yīng)用于軌頭焊補(bǔ)的技術(shù)，該工藝采用自動氣體保護(hù)金屬電弧焊（GMAW）技術(shù)，可修復(fù)軌頭最大深度為34.9 mm以內(nèi)的傷損。

2.1 實(shí)驗(yàn)室分析

實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果表明：GMAW電弧堆焊接頭的各項(xiàng)測試性能達(dá)到或超過鋁熱焊和閃光焊接頭性能[9]。焊前開槽與焊后經(jīng)酸蝕的宏觀形貌見圖12，堆焊層縱截面的宏觀形貌與微觀組織見圖13，堆焊層最深處距軌面22.225 mm，黑線為熔合線位置，堆焊層中存在孔洞和夾雜物。由堆焊接頭與閃光焊、鋁熱焊接頭、軌頭硬化鋼軌母材的拉伸性能對比（見圖14）可知，堆焊接頭的拉伸性能與閃光焊接頭基本相當(dāng)。

2.2 線路測試

2004年，TTCI在環(huán)形試驗(yàn)線上開展FAST試驗(yàn)，鋪設(shè)12組堆焊接頭并對其跟蹤測試。堆焊接頭測試結(jié)果為[10-11]：12組接頭中有9組通過累積192 MGT的考核，有2個(gè)接頭分別在通過總重為124、127 MGT時(shí)發(fā)生軌頭水平斷裂（見圖15），裂紋起源于熔合線。另有1個(gè)接頭在171 MGT時(shí)由于軌距角出現(xiàn)剝離掉塊下道。此外，成功對1個(gè)廠焊接頭進(jìn)行堆焊焊補(bǔ)。

3 寬焊縫鋁熱焊

寬焊縫焊接技術(shù)可通過1個(gè)焊接接頭取代插入短軌和2個(gè)焊接接頭的方式修復(fù)接頭或軌頭傷損。在縱向69.85 mm以內(nèi)的傷損，都可以通過1個(gè)寬焊縫接頭進(jìn)行原位修復(fù)。

圖12 焊前開槽與焊后經(jīng)酸蝕的宏觀形貌

圖13 堆焊層縱截面的宏觀形貌與微觀組織

圖14 堆焊接頭與閃光焊、鋁熱焊接頭、軌頭硬化鋼軌母材的拉伸性能對比

圖15 堆焊接頭軌頭水平斷裂

TTCI對寬焊縫接頭開展的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果顯示[12]：寬焊縫焊接時(shí)間比普通焊接多6 min，其組織結(jié)構(gòu)、基本力學(xué)性能、軌底殘余應(yīng)力、靜彎性能與普通接頭無較大差別（見圖16、表1）。

圖16 寬焊縫接頭和普通接頭的硬度與殘余應(yīng)力分布對比

表1 靜彎測試結(jié)果

TTCI先后在環(huán)形試驗(yàn)線和東部超級試驗(yàn)場（商業(yè)運(yùn)營線路）上對寬焊縫接頭開展線路測試[13-16]，結(jié)果表明：在不進(jìn)行常規(guī)打磨的條件下，寬焊縫接頭的平均服役壽命為490 MGT，與北美重載鐵路7°～10°小半徑曲線鋼軌的預(yù)期服役壽命基本相當(dāng)，如果采用打磨來消除小的剝離掉塊和塑性變形，寬焊縫接頭的服役壽命還會更長。寬焊縫接頭低塌的程度比普通接頭更嚴(yán)重，發(fā)展速度更快（見圖17）。同時(shí)，寬焊縫接頭存在內(nèi)部縮孔、溢流飛邊導(dǎo)致的疲勞傷損以及剝離掉塊等問題（見圖18）。

圖17 寬焊縫接頭縱向廓形發(fā)展規(guī)律（主要走行方向?yàn)閺淖笾劣遥?/p>

4 低鋼軌消耗閃光焊

低鋼軌消耗閃光焊接頭與傳統(tǒng)閃光焊接頭相比減少近50%的鋼軌消耗，提高了現(xiàn)場焊和合攏焊上閃光焊的效率和效用，其作用為：當(dāng)鋼軌中出現(xiàn)垂向傷損時(shí)可簡單地將鋼軌鋸開，再通過閃光焊將傷損在焊接的過程中熔化、擠出、消耗。低鋼軌消耗閃光焊與傳統(tǒng)閃光焊（消耗38.1 mm鋼軌）相比，減小了對鎖定軌溫的影響。低鋼軌消耗閃光焊接頭性能的實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果與傳統(tǒng)閃光焊接頭相當(dāng)[10]。

5 結(jié)論與展望

美國鋼軌原位修復(fù)主要可歸納為2類：焊接和軌頭焊補(bǔ)。這2類技術(shù)各具特點(diǎn)，同時(shí)也有各自不同的適用范圍。焊接可以修復(fù)軌腰、軌底處的傷損，也適用于垂直斷軌的處理；軌頭焊補(bǔ)則可最大限度地保留軌腰和軌底的完整性，僅處理傷損多發(fā)的軌頭區(qū)域。

焊接可采用寬焊縫鋁熱焊、普通鋁熱焊和低鋼軌消耗閃光焊。無論是從應(yīng)用范圍，還是設(shè)備便利性的角度，在現(xiàn)場傷損接頭的焊接上，鋁熱焊都具有比較優(yōu)勢。但從接頭性能的角度，鋁熱焊接頭與閃光焊接頭存在一定差距。值得注意的是寬焊縫鋁熱焊接頭存在更為嚴(yán)重的低塌和焊接傷損隱患，這也是需要優(yōu)化的方向。

圖18 寬焊縫接頭的常見傷損

焊補(bǔ)主要有鋁熱焊補(bǔ)和電弧焊補(bǔ)。鋁熱焊補(bǔ)可以焊補(bǔ)整個(gè)軌頭，在深度上有一定優(yōu)勢；而電弧焊補(bǔ)更便于處理表層傷損，在長度上有一定優(yōu)勢。因此，可以應(yīng)用前者處理軌頭核傷或其他內(nèi)部傷損，應(yīng)用后者處理軌頭次表面的剝離掉塊等RCF傷損。

我國鋼軌原位修復(fù)技術(shù)起步較晚，目前，寬焊縫鋁熱焊主要依靠德國、法國的技術(shù)和產(chǎn)品，軌頭電弧焊補(bǔ)也并未開展更長時(shí)間、更大范圍的可行性驗(yàn)證。軌頭鋁熱焊補(bǔ)技術(shù)是近年來美國TTCI的重點(diǎn)研究方向之一，我國在這項(xiàng)技術(shù)的研究尚未起步。因此，有必要在基于熔焊技術(shù)的鋼軌原位修復(fù)技術(shù)方面開展更深入的研究，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵產(chǎn)品與裝備的國產(chǎn)化，打破歐美等國在這項(xiàng)技術(shù)上長期壟斷的局面。