鋼軌固定式閃光焊接頭靜彎試驗(yàn)及與落錘試驗(yàn)相關(guān)性分析

王 東,高文會(huì)，代 韜，倪崢嶸，程亞萍

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

我國(guó)鋼軌焊接接頭質(zhì)量檢驗(yàn)?zāi)壳皥?zhí)行鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋼軌焊接》(TB/T 1632—2014)[1]，對(duì)接頭的檢驗(yàn)有落錘、靜彎等項(xiàng)目，其中60 kg/m鋼軌固定式閃光焊接頭型式檢驗(yàn)中對(duì)靜彎?rùn)z驗(yàn)的要求是：軌底受拉試件12根，載荷不低于 1 450 kN；軌頭受拉試件3根，載荷不低于 1 300 kN；且全部受檢試件應(yīng)連續(xù)合格。歐洲鋼軌閃光焊接頭靜彎試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱歐標(biāo))要求[2-3]：軌底受拉時(shí)，當(dāng)靜彎載荷不小于 1 600 kN、撓度不小于 20 mm后停止加載，接頭不斷為合格，如果接頭提前斷裂則為不合格。通過對(duì)比可知，歐標(biāo)對(duì)軌底受拉試件的靜彎載荷比我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求高，同時(shí)對(duì)撓度提出了要求。目前在焊軌基地焊接的鋼軌接頭普遍能夠達(dá)到我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中最大載荷的要求，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)焊接工藝的調(diào)試反饋?zhàn)饔糜邢?，因此有必要參照歐標(biāo)，研究當(dāng)前固定式閃光焊接頭靜彎試驗(yàn)的極限破斷載荷和撓度水平。

落錘試驗(yàn)是我國(guó)鋼軌焊接接頭檢驗(yàn)中必須執(zhí)行的重要項(xiàng)目，雖然目前國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)落錘檢驗(yàn)已不做要求,但落錘試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)[4]在于試驗(yàn)結(jié)果明確，具有一錘定結(jié)果的便利性，且試驗(yàn)結(jié)果反饋及時(shí)，方便工藝參數(shù)的調(diào)試，因此目前仍是焊軌基地進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)普遍采用的檢驗(yàn)方法。但靜彎和落錘試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性尚不明確，本文將對(duì)此進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)方法

落錘試驗(yàn)按照標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632—2014進(jìn)行，試驗(yàn)高度5.2 m，試件放入落錘機(jī)后測(cè)試接頭軌底上表面溫度，溫度范圍在35～40 ℃。

靜彎試驗(yàn)過程中，軌底受拉靜彎試件全部加載到 2 000 kN，加載方向?yàn)檎龎海卉夘^受拉靜彎試件全部加載到 1 800 kN，加載方向?yàn)榉磯?。加載載荷用F表示。每組靜彎試件中，3個(gè)接頭進(jìn)行軌底受拉試驗(yàn)，1個(gè)接頭進(jìn)行軌頭受拉試驗(yàn)。試驗(yàn)條件見表1。試驗(yàn)結(jié)束后記錄斷口缺陷情況。

表1 鋼軌接頭靜彎試驗(yàn)條件

每個(gè)試驗(yàn)組均進(jìn)行靜彎試驗(yàn)和落錘試驗(yàn)，鋼軌均為60 kg/m軌。同一試驗(yàn)組的靜彎和落錘試件在鋼牌號(hào)、鋼軌生產(chǎn)廠、焊機(jī)、焊接參數(shù)等方面完全相同；不同之處在于，靜彎試件是利用鋼軌原鋸口焊接的，且焊接后不進(jìn)行熱處理、矯直、精磨、探傷等作業(yè)，接頭簡(jiǎn)稱“焊態(tài)接頭”。試件分組情況見表2。

表2 試件分組情況

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 評(píng)價(jià)方法

靜彎試驗(yàn)結(jié)果分級(jí)表示方法：每組有3個(gè)接頭正壓載荷均>2 000 kN的試驗(yàn)組評(píng)級(jí)為“優(yōu)秀”；有3個(gè)接頭正壓載荷均未達(dá)到 2 000 kN，或者載荷及斷口存在不合格的試驗(yàn)組評(píng)級(jí)為“不良”；其他情況評(píng)級(jí)為“一般”。

落錘試驗(yàn)結(jié)果分級(jí)表示方法：每組5 個(gè)接頭落錘試驗(yàn)全部合格的試驗(yàn)組評(píng)級(jí)為“優(yōu)秀”；有1個(gè)接頭不合格的試驗(yàn)組評(píng)級(jí)為“一般”；有2個(gè)接頭不合格的試驗(yàn)組評(píng)級(jí)為“不良”。

2.2 靜彎試驗(yàn)

U71Mn鋼軌接頭靜彎試驗(yàn)結(jié)果見表3，當(dāng)正壓載荷>2 000 kN 時(shí)，有5組接頭均未折斷，為“優(yōu)秀”；U75V鋼軌接頭靜彎試驗(yàn)結(jié)果見表4，當(dāng)正壓載荷>2 000 kN 時(shí)，有8組接頭均未折斷，為“優(yōu)秀”。

表3 U71Mn鋼軌焊態(tài)接頭靜彎試驗(yàn)結(jié)果

接受靜彎?rùn)z驗(yàn)的正壓試件數(shù)為96根，反壓為32根，93個(gè)接頭正壓載荷>1 600 kN 不斷，占正壓試件總數(shù)的96.9%；正壓載荷在 1 600～2 000 kN 之間折斷的U71Mn軌占總數(shù)的33.3%，U75V軌占19.1%，反映出U75V軌的靜彎性能明顯優(yōu)于U71Mn軌；31個(gè)接頭反壓載荷>1 500 kN 不斷，占總數(shù)的96.9%。

表4 U75V鋼軌焊態(tài)接頭靜彎試驗(yàn)結(jié)果

不同材質(zhì)、不同熱處理狀態(tài)的靜彎試件在 1 600 kN 載荷下?lián)隙冉Y(jié)果見表5，可知撓度全部大于歐標(biāo)中20 mm的要求。U71Mn軌和U75V軌在經(jīng)過熱處理后撓度平均值分別下降了10.6，7.2 mm，說明熱處理會(huì)明顯降低鋼軌接頭的塑性性能。

表5 1 600 kN載荷下鋼軌撓度平均值 mm

2.3 靜彎與落錘試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

靜彎與落錘試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表6和表7。可知：靜彎結(jié)果為“優(yōu)秀”的試驗(yàn)組，其落錘結(jié)果可能是“優(yōu)秀”、“一般”、“不良”。靜彎結(jié)果為“不良”的試驗(yàn)組，其落錘結(jié)果可能是“優(yōu)秀”、“一般”、“不良”。如表6前5組靜彎結(jié)果為“優(yōu)秀”的試驗(yàn)組中存在2組“優(yōu)秀、”2組“一般”和1組“不良”的落錘結(jié)果。

因此，在鋼軌、焊機(jī)、焊接參數(shù)完全相同的情況下，落錘結(jié)果好的試驗(yàn)組，靜彎結(jié)果不一定好；反之，靜彎結(jié)果好的試驗(yàn)組，落錘結(jié)果不一定好。靜彎和落錘試驗(yàn)結(jié)果沒有明顯的相關(guān)性。

表6 U71Mn鋼軌焊接接頭焊態(tài)靜彎與落錘試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表7 U75V鋼軌焊接接頭焊態(tài)靜彎與落錘試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2.4 頂鍛量的影響

研究焊接記錄曲線與靜彎結(jié)果的關(guān)系[5-6]發(fā)現(xiàn)，靜彎結(jié)果為“優(yōu)秀”的13個(gè)試驗(yàn)組接頭，焊接頂鍛量均>11.5 mm。但是在落錘試驗(yàn)中，頂鍛量>11.5 mm的接頭其落錘結(jié)果有9個(gè)不合格，占全部落錘接頭不合格數(shù)量的75%。說明焊接工藝參數(shù)與落錘、靜彎試驗(yàn)結(jié)果之間存在一定關(guān)系，還需要進(jìn)一步研究。

2.5 靜彎斷口缺陷

接頭正壓載荷<1 600 kN發(fā)生斷裂的原因是接頭存在灰斑，見圖1。

圖1 斷口灰斑

有3個(gè)接頭雖然載荷和斷口都滿足標(biāo)準(zhǔn)，但是存在非灰斑缺陷。經(jīng)分析,這3個(gè)接頭特征[7-11]如下：①缺陷一般都位于軌底中心兩側(cè)±20 mm 范圍內(nèi)的軌底下表面，向基體侵入約 2 mm，或者在基體內(nèi)部距離表層約 2 mm 處；②都有沿晶斷裂的特征；③都有熔化金屬自由結(jié)晶表面的特征；④夾雜物含有較高的硫和鈣。由圖2和圖3可知，靜彎斷口缺陷與落錘試件中的過燒缺陷性質(zhì)相同。

圖2 過燒缺陷區(qū)掃描電鏡形貌

圖3 疑似夾雜處能譜

對(duì)所有鋼軌焊接接頭斷口灰斑情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，按照?qǐng)D4所示的位置，記錄了每個(gè)灰斑的位置、面積。其中，①號(hào)區(qū)為軌頭，②號(hào)區(qū)為軌腰，③號(hào)區(qū)為軌底。

圖4 灰斑位置分區(qū)示意

U75V熱軋鋼軌總試驗(yàn)根數(shù)為56根，其中20根出現(xiàn)了灰斑，灰斑出現(xiàn)的概率為35.7%?；野呖偯娣e為180.2 mm2，每個(gè)接頭斷口出現(xiàn)灰斑的平均面積為9.01 mm2。灰斑出現(xiàn)在11個(gè)區(qū)域內(nèi)，見表8?？芍?，軌頭、軌腰、軌底出現(xiàn)灰斑總面積占比分別為0，8.3%，91.7%。軌頭并未出現(xiàn)灰斑。G3區(qū)和M3區(qū)灰斑面積占總面積的68.5%,說明在軌角邊緣附近極易出現(xiàn)面積較大的灰斑。軌底三角區(qū)的J3區(qū)灰斑面積只占總面積的0.3%。軌底三角區(qū)出現(xiàn)缺陷對(duì)鋼軌接頭靜彎正壓試驗(yàn)結(jié)果有著重要影響，灰斑在此處露頭，或者未露頭但面積較大，在軌底受拉作用下，這些灰斑易成為斷裂源，導(dǎo)致接頭靜彎試驗(yàn)不合格。

表8 U75V熱軋軌灰斑位置和面積占比

U71Mn熱軋軌總試件根數(shù)為52根，其中31根出現(xiàn)了灰斑，灰斑出現(xiàn)的概率為59.6%，接近U75V軌的2倍，說明當(dāng)前的焊接工藝條件下U71Mn軌比U75V軌更容易出現(xiàn)灰斑?；野呖偯娣e為232.9 mm2，每個(gè)接頭斷口出現(xiàn)灰斑的平均面積為7.5 mm2?；野叱霈F(xiàn)在15個(gè)區(qū)域內(nèi)，見表9?？芍?，軌頭、軌腰、軌底出現(xiàn)灰斑總面積占比分別為4.0%，3.4%，92.6%。軌底出現(xiàn)的灰斑面積最大，在M3，G3，H3，L3這4個(gè)區(qū)域灰斑面積占比78.7%，說明軌底角處和兩側(cè)靠近三角區(qū)附近易出現(xiàn)大面積灰斑，尤其是靠近軌角邊緣。軌底三角區(qū)J3，K3灰斑面積占比7.4%，灰斑面積雖然不大，但位置一般比較靠近軌底，容易露頭。

表9 U71Mn熱軋軌灰斑位置和面積占比

3 結(jié)論

1)參考?xì)W標(biāo)，我國(guó)鋼軌固定式閃光焊接頭靜彎性能優(yōu)秀，96個(gè)正壓試驗(yàn)接頭中93個(gè)載荷滿足，一次通過率96.9%。撓度全部滿足，一次通過率100%。

2)采用分級(jí)表示方法對(duì)比了靜彎和落錘試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)表明：相同條件下的接頭其落錘結(jié)果優(yōu)異，靜彎結(jié)果不一定好；反之，靜彎結(jié)果優(yōu)異，落錘結(jié)果不一定好。兩者之間沒有明顯的相關(guān)性。

3)研究焊接記錄曲線發(fā)現(xiàn)，頂鍛量對(duì)靜彎和落錘試驗(yàn)結(jié)果的影響不同，頂鍛量>11.5 mm的接頭其靜彎性能很好，但落錘性能較差。

4)灰斑的存在降低了接頭承受載荷的能力，是導(dǎo)致接頭提前斷裂的主要原因。在靜彎滿足歐標(biāo)要求的接頭中，存在過燒缺陷，與落錘試件中的過燒性質(zhì)相同。解決辦法是保證焊機(jī)始終處于良好狀態(tài)，并進(jìn)一步優(yōu)化焊接工藝參數(shù)。

5)U71Mn軌和U75V軌出現(xiàn)在軌底的灰斑面積均占總面積的91%以上，2種鋼軌接頭在G3，M3等靠近軌角邊緣區(qū)域均易出現(xiàn)大面積灰斑。當(dāng)前焊接工藝條件下，U71Mn軌出現(xiàn)灰斑的概率遠(yuǎn)大于U75V軌，U71Mn軌灰斑平均面積是7.5 mm2，U75V軌灰斑平均面積是9.01 mm2，說明U75V軌出現(xiàn)的灰斑面積通常更大。

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