鋼軌鋁熱焊接接頭軌腳雜波原因分析

高松福 高東海 任金雷 石孟雷 宋宏圖

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

無縫線路是軌道線路結(jié)構(gòu)技術(shù)進(jìn)步的重要發(fā)展標(biāo)志，也是高速鐵路軌道線路結(jié)構(gòu)的最佳選擇，可有效降低線路和車輛的振動與噪聲，提高列車的平穩(wěn)性和安全性［1］。焊接質(zhì)量是保證無縫線路正常運(yùn)行的關(guān)鍵［2］，直接關(guān)系到無縫線路的使用壽命和行車安全。而鋼軌鋁熱焊接是鐵路無縫線路主要焊接方法之一，由于其作業(yè)靈活方便，機(jī)動性強(qiáng)，廣泛應(yīng)用于道岔焊接和既有線路的維修焊接［3］。

超聲波探傷技術(shù)具有無損傷、靈敏度高、檢測速度快、成本低等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于線路維修檢測領(lǐng)域［4］，是當(dāng)前我國鐵路新焊鋼軌鋁熱焊接接頭質(zhì)量驗(yàn)收和在線鋼軌鋁熱焊接接頭周期性檢測的主要檢測方法［5］。

目前我國鐵路鋼軌鋁熱焊接根據(jù)采用的焊接材料不同主要分為國焊、德焊、法焊三種。其焊接工序均為鋼軌準(zhǔn)備→鋼軌對正→砂型裝卡→封箱→軌端預(yù)熱→點(diǎn)火澆注→砂型拆除→推瘤→打磨和接頭清理。最后，要進(jìn)行焊接接頭的平直度檢查和超聲波探傷檢測驗(yàn)收。

采用超聲波方法檢測鋁熱焊接接頭過程中發(fā)現(xiàn)，接頭軌腳邊普遍存在呈簇狀回波顯示，且波幅較高，如圖1所示，但雜波部位經(jīng)打磨后未發(fā)現(xiàn)宏觀缺陷。

圖1 軌腳雜波典型波形

本文通過開展不同類型焊接接頭超聲波探傷對比，進(jìn)行焊接接頭雜波位置的宏觀、微觀組織檢查以及接頭靜彎強(qiáng)度試驗(yàn)，研究焊接接頭軌腳雜波產(chǎn)生的原因。

1 試驗(yàn)方法

隨機(jī)抽取國焊、德焊和法焊三種鋁熱焊接材料及采用相應(yīng)工藝焊接的鋁熱焊接接頭各5件。焊接采用鞍鋼U75V 鋼軌，焊接后鋼軌總長度為1.3 m。焊接接頭經(jīng)精打磨處理，接頭表面及附近鋼軌表面用鋼絲輪拋光，使各個接頭的表面狀態(tài)基本相同。

采用KW-4C 型超聲波探傷儀，2.5P-13×13-K2.5探頭，在焊接接頭軌腳邊0 ～15 mm 區(qū)域內(nèi)向焊縫金屬方向進(jìn)行掃查，如圖2 所示。掃查靈敏度為62 dB（標(biāo)定靈敏度為60 dB），對儀器顯示的深度12 ～16 mm內(nèi)出現(xiàn)的雜波進(jìn)行記錄。

圖2 焊接接頭軌腳超聲波掃查位置

為研究雜波反射的形成原因，從試件中隨機(jī)選取三種類型的焊接接頭各1 件，按照圖3 所示位置進(jìn)行取樣，制備金相試樣。試樣表面用4%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，觀察其宏觀組織。箭頭所指為金相觀察面。

圖3 金相組織取樣位置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 超聲波探傷掃查

對三種類型的焊接接頭試件進(jìn)行編號，5 個接頭分別編號1—5，每個接頭的四個軌腳邊分別編號A—D。在相同靈敏度下對焊接接頭軌腳邊區(qū)域進(jìn)行超聲波探傷掃查。三種類型的焊接接頭軌腳邊雜波波幅的統(tǒng)計結(jié)果見圖4。

圖4 軌腳邊雜波波幅

由圖4 可以看出，三種類型焊接接頭軌腳邊0 ～15 mm 區(qū)域內(nèi)均存在一定波幅的雜度，平均波幅為33% ～42%，最高波幅均在50%左右。不同類型焊接接頭雜波波幅無明顯區(qū)別，軌腳雜波的產(chǎn)生與所采用的焊接材料無明確關(guān)系。

2.2 焊接接頭金屬宏觀組織

三種類型的焊接接頭軌腳邊金屬宏觀組織形貌如圖5所示?？梢钥闯觯簩τ谌N類型的焊接接頭，在焊接接頭兩側(cè)靠近焊筋邊緣的外側(cè)均存在明顯的熔合線，兩熔合線之間上寬下窄；三種類型焊接接頭熔合線的位置和分布特征相同。

圖5 不同類型接頭軌腳邊金屬宏觀組織

熔合線是焊縫金屬與母材的分界線［6］。由于焊縫金屬是鋁熱焊劑生成鋼水凝固后的鑄造組織，而鋼軌母材是連續(xù)鑄造高碳鋼方坯軋制后的組織，兩者的差異較大。

從超聲波反射雜波位置和軌腳宏觀組織熔合線的位置判斷，軌腳邊熔合線位置就是形成超聲波反射雜波的位置，熔合線兩側(cè)的組織差異是超聲波反射雜波形成的主要原因。此外，由于焊接接頭軌腳上方為鋼軌鋁熱焊接接頭冒口根部所在位置，在焊接時存留的高溫鋼液較軌底要多，因而焊接接頭軌腳上表面的溫度要高于軌腳下表面的溫度，使得焊接接頭軌腳邊兩熔合線間的距離呈現(xiàn)上寬下窄的分布。

2.3 焊縫與鋼軌母材金屬晶粒度對比

為了進(jìn)一步研究焊縫與鋼軌母材金屬組織晶粒尺寸差異，將金相試樣用飽和苦味酸進(jìn)行腐蝕，試樣經(jīng)輕度拋光后，用光學(xué)顯微鏡觀察其晶粒度，并根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定法》［7］進(jìn)行分級。國焊、德焊、法焊焊接接頭金屬晶粒度和鋼軌母材金屬晶粒度如圖6 所示。可以看出：鋁熱焊接接頭軌腳焊縫金屬晶粒度為2級—3級，而鋼軌母材金屬晶粒度為8級。

圖6 軌腳邊焊縫與母材金屬晶粒度對比

在鋼軌鋁熱焊接過程中，鋁熱焊接的焊縫是由鋁熱焊劑反應(yīng)生成的高溫液態(tài)金屬冷卻至常溫形成的，焊縫金屬為鑄造組織，在凝固過程中伴隨著形核及晶核長大過程，接頭成型后金屬組織為晶粒較為粗大的鑄態(tài)組織。鋼軌母材在生產(chǎn)過程中經(jīng)過多道軋制，加之化學(xué)方法的細(xì)晶措施，因此晶粒較為細(xì)小。焊縫金屬與鋼軌母材金屬晶粒度具有明顯差異，且形成較明析的界面，導(dǎo)致超聲波從鋼軌母材進(jìn)入焊縫金屬時形成局部較集中的粗晶反射雜波。

2.4 熱處理對軌底雜波的影響

為驗(yàn)證晶粒差異導(dǎo)致軌底角雜波這一現(xiàn)象，對接頭進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，研究熱處理晶粒細(xì)化后反射雜波的情況。

進(jìn)行熱處理時采用氧氣-丙烷作為加熱氣體，將軌腳加熱到900 ～950 ℃后，置于空氣中自然冷卻至環(huán)境溫度。熱處理后焊縫及鋼軌母材金屬的金相組織如圖7所示?？梢钥闯觯瑹崽幚砗蠖咭褵o明顯差別。焊接接頭經(jīng)熱處理后，焊縫金屬組織明顯細(xì)化，消除了熔合線附件焊縫金屬與鋼軌母材金屬組織晶粒度的差異。

圖7 熱處理后熔合線兩側(cè)金相組織對比

焊接接頭經(jīng)熱處理后，用同一探傷儀和探頭在相同靈敏度下進(jìn)行掃查，超聲波在軌腳邊熔合線附近未形成集中晶粒反射雜波。

2.5 接頭靜彎試驗(yàn)

隨機(jī)取三種類型焊接接頭各3 件，按照TB/T 1632.3—2019《鋼軌焊接 第3 部分：鋁熱焊接》［8］的方法進(jìn)行靜彎試驗(yàn)，研究反射雜波對接頭靜彎強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表1?？梢钥闯觯喝N類型鋁熱焊接接頭的靜彎載荷結(jié)果均大于1 300 kN，撓度均大于10 mm，滿足TB/T 1632.3—2019 關(guān)于靜彎試驗(yàn)的要求。可見，軌腳邊存在反射雜波焊接接頭的靜彎強(qiáng)度滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 焊接接頭靜彎試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

1）超聲波探傷掃查鋁熱焊接接頭軌腳邊有明顯反射雜波。焊接材料的種類對軌腳邊反射雜波幅度的影響不大。

2）焊縫金屬與鋼軌母材金屬晶粒度差異較大是導(dǎo)致焊縫軌腳雜波的主要原因。

3）焊接接頭經(jīng)熱處理后，焊縫金屬組織細(xì)化，消除了焊縫金屬與鋼軌母材金屬的晶粒度差異，軌腳邊反射雜波被消除。

4）軌腳邊存在反射雜波的焊接接頭的靜彎強(qiáng)度滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。