箱式焊軌車焊接落錘試驗的探討

李賡茂

【摘 要】箱式焊軌車型式檢驗，分析落錘試驗的受力，落錘試驗在閃光焊接中的意義及在國內(nèi)的應(yīng)用情況，提出減少鋼軌試件數(shù)量的建議。

【關(guān)鍵詞】鋼軌焊接；落錘試驗；應(yīng)力分析

1 落錘試驗在鋼軌焊接中的意義

落錘試驗對鋼軌焊縫的金屬機械性能（力學(xué)性能）的定量檢驗作用不是很大的，只注重經(jīng)受的落錘數(shù)量而不分析斷面缺陷是一種本末倒置。沖擊試驗對材料的化學(xué)成分尤其是材料中的缺陷十分敏感，我們往往通過試驗找出缺陷，改進焊接工藝，在鋼軌焊接中，落錘試驗發(fā)現(xiàn)的缺陷。

閃光焊有以下幾種：①灰斑個數(shù)、形狀面積及分布位置，試驗中持續(xù)的灰斑面積超限，說明鋼軌焊接工藝的參數(shù)不當(dāng)，路內(nèi)焊接行業(yè)提出的正交試驗法，可以改進工藝參數(shù)使其減少，偶發(fā)性的軌底三角區(qū)大灰斑一般是由于母材的夾雜、疏松超限所致；②正火的細晶化在斷面的分布對正火不透的原因進行改進；③纖維狀組織外翻的深度應(yīng)盡量減少，改進焊接溫度場和頂鍛參數(shù)；④發(fā)現(xiàn)電極接觸面的局部灼傷淬火及推瘤刀對鋼軌的刮傷；⑤發(fā)現(xiàn)母材中的異?，F(xiàn)象，如夾渣、冷鐵物、孔隙、裂紋、擦傷白層等。

歷年來對鋼軌落錘試驗影響較大的事例及焊接工藝技術(shù)的改進的有：①焊縫增加正火工藝，特別是電磁感應(yīng)正火，細化晶粒后提高了焊縫的基本強度，抑制了灰斑缺陷和裂紋擴展，降低了缺陷的有害影響，但軌底角的正火不透，還有待發(fā)展窄寬度雙頻正火（800/2000Hz）。②以U75Mn為代表的高強耐磨高錳的出現(xiàn)，使其焊縫對缺陷更加敏感，現(xiàn)行對灰斑面積的限定已經(jīng)過于寬松，實踐中應(yīng)使更小才行。③交流脈沖閃光焊能有效地減少焊接灰斑缺陷，新的K系列焊機有此功能，常州鐵路研究所已經(jīng)開發(fā)出的箱式焊軌車焊接控制系統(tǒng)。

2 落錘試驗的受力分析

中國鐵道行業(yè)鋼軌焊接接頭技術(shù)條件中規(guī)定了60kg/m鋼軌焊縫試驗的高度，1錘不斷制（H1=5.2m），2錘不斷制（H2=3.1m），當(dāng)錘頭撞擊到鋼軌上，尚未發(fā)生變形時，有最大沖擊應(yīng)力σdmax為：

σbmax=QL/4W+[（QL/4W）2+6QHEAI/41W2]1/2

式中：H—落錘高度，H1=520cm，H2=310cm；

Q—錘頭重量，Q=10kN；

L—支點距離，L=100cm；

E—彈性模量，E=2×10MPa；

I—鋼軌慣性矩，I=3217cm4；

W—鋼軌截面模量，W=396.2cm3；

A—鋼軌截面積，A=77.45cm2。

由此算得：H1=520cm時，σdmax=15700MPa，是鋼軌母材σdmax（=980MPa）的16.0倍；H2=310cm時，σdmax=12200MPa，是鋼軌母材的12.4倍。

隨著彈性變形的迅速完成且彈性變量比靜載下更大，落錘形成的應(yīng)力迅速衰減，沖擊應(yīng)力σd為：

σd=QL[1+（1+96HEI/QL3）1/2]/4W

計算得：H1=520cm時，σd1=3550MPa，是σb的3.66倍；H2=310cm時，σd2=2770MPa，是σb的2.83倍。

在σd作用下，鋼軌在沖擊點發(fā)生塑性彎曲變形，如果鋼軌未斷裂，則錘頭的在擊點的應(yīng)力下降至12.6MPa，即錘頭在擊點的靜載應(yīng)力遠小于它在其他鋼軌截面上生成的彈性應(yīng)力，錘頭反彈幾次后靜止。

在上述動應(yīng)力作用下，由于鋼軌塑性變形速率很大，所以在材料的抗力也很大，在靜載時不同，我們引入一個金屬熱鍛時變形抗力P的公式來說明：

P=α1α2AY

式中：Y—靜載變形壓力；

A—錘擊面積；

α1—變形速率系數(shù)，在液壓端在機上為1.0～1.5。在高速鍛錘上取3.0；

α2—在鍛模結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)，認為是常數(shù)。

α1還與工件溫度相關(guān)，工件溫度有關(guān)，工件溫度高時下降、低時升高，本文實例中，可認為α1>3～4，即鋼軌在落錘時的塑變抗力增大了3～4倍。

以上計算說明以下幾點：①落錘力在錘頭接觸到鋼軌的瞬時最大，相應(yīng)內(nèi)應(yīng)力最大，隨后發(fā)生的彈性變形使內(nèi)應(yīng)力迅速衰減，由于慣性作用，其彈性變形量大于靜載時變形量。②落錘時彈性變形的響應(yīng)度極大，其極限可達到聲波在鋼軌中的傳播速度（4982m/s），塑性變形響應(yīng)速度很小，遲滯發(fā)生且塑性變形的抗力也大幅度上升，說明鋼軌在塑變應(yīng)力這樣大的情況下為什么還打不斷。③落錘時鋼軌的斷裂是在彈性變形階段最大應(yīng)力斷面上的缺陷，當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度時，產(chǎn)生裂源迅速擴展到斷裂，它產(chǎn)生于彈性階段而不是塑性變形階段，這與靜彎實驗的疲勞斷裂不同。

3 落錘試驗的執(zhí)行情況

從試驗的應(yīng)力水平來看，落錘實驗的合格是很困難的，實際情況也是如此。若能通過落錘試驗，則靜彎、疲勞等大概率是沒有問題。

在進行15個試頭連續(xù)落錘試驗時，當(dāng)連續(xù)合格10個后，如果有一個不合格，全部需要重做。如此幾百個試頭做下去，不僅造成材料、人力、物力的極大消耗，只期望有一組15個試頭數(shù)據(jù)合格，反而不是圍繞缺陷的減少或消除做工作。落錘試驗的本質(zhì)是檢查材料內(nèi)部缺陷從而促進焊接工藝的改善。

實際上，鋼軌在使用中受到的沖擊，大量的是車輪踏面擦傷不圓，焊縫本身不平順、波浪磨耗、軌枕空吊等因素的沖擊，大一點的如車輛掉道，山石滾落等自然因素。由于道床不是剛性基礎(chǔ)，從當(dāng)量上比，都沒有1錘或2錘的落錘那樣大的沖擊力，鋼軌負載荷應(yīng)是小能量多次沖擊，不能象裝鋼板或炮彈那樣由一次沖擊來決定合格。材料學(xué)對小能多沖使用的工件，不傾向用一次沖擊標(biāo)準來判定合格。

4 結(jié)論

本文的目的是把落錘試驗的實質(zhì)作用解剖出來，并未否定落錘試驗在提高鋼軌焊接質(zhì)量上的管理作用，因此也不是想把試驗從標(biāo)準中取消，但認為連續(xù)試頭較多，建議高、中、低碳，每種鋼軌焊合3個，另加一個高碳-高碳，1組4個，共焊4組?；野邌蝹€面積≤8mm2，總和≤15mm2，且錘數(shù)與灰斑均合格，是標(biāo)準更加趨于合理。

[責(zé)任編輯：王楠]