重載鐵路焊接接頭損傷形式及研究現(xiàn)狀

摘要：鐵路是對一個國家經(jīng)濟與社會發(fā)展都有著非常重要的作用，相對于常規(guī)客運與貨運鐵路，重載鐵路有著顯著的效率和經(jīng)濟效益。鋼軌焊接是重載線路最重要、最復雜的一個環(huán)節(jié)。通過研究重載鋼軌焊接方式、鋼軌焊接接頭損傷問題以及國內外研究現(xiàn)狀論述，為減少鋼軌接頭損傷及提升接頭質量提供參考。

關鍵詞：重載鐵路 ?焊接 ?接頭 ?損傷

緒論

重載鐵路由于有著速度快、效率高、成本低、運輸路線穩(wěn)定的優(yōu)點，目前已經(jīng)完全扮演了功能最全，效率最高且能橫跨大陸大宗貨物搬運者。

重載鐵路一般是一條軸線大、列車總重大或行駛列車量大的路線。主要用于煤、鐵礦石等的運輸。

目前，美國 70%的鐵路是重載鐵路，重載鐵路貨物輸送以煤炭為主。南非的礦產(chǎn)資源十分豐富，先天的資源優(yōu)勢加快了南非重載鐵路的發(fā)展。其中兩條里程占比不足 7%重載線路的卻足足承擔了南非貨運總運量 60%的運輸量，由此可以看到重載線路對南非鐵路的重要意義。

80年代，我國開始發(fā)展重載鐵路。目前我國主要重載線路有大秦鐵路、包神-神朔-朔黃鐵路、山西中南部鐵路、蒙華鐵路等。其中蒙華鐵路的運行顯著的提升了我國鐵路南北方向的貨運能力，使整個交通運輸網(wǎng)絡更加的靈活，是將我國中部與歐亞路橋連接的重要通道，其戰(zhàn)略意義非常重要[2]。

1重載鐵路焊接方法

鐵路線路上的鋼軌對接焊縫不僅對軌道施工、機車車輛使用壽命、乘客舒適度和能源消耗等產(chǎn)生一定的不利影響，而且直接危及列車安全。要想解決這一系列的問題，就必須要提高鋼軌接頭焊縫的穩(wěn)固性與平順性。國鋼軌焊接技術的發(fā)展情況直接影響工程進度、保證工程質量的最為關鍵的因素之一。

重載鐵路鋼軌焊接方法有閃光焊、鋁熱焊、氣壓焊[3]。我國氣壓焊使用較少，使用最廣泛的是閃光焊，閃光焊接頭占接頭總數(shù)約為90%。

1.1閃光焊

閃光對焊也稱為接觸焊。焊接時，電流流過待焊接鋼軌的接觸面，產(chǎn)生大量電阻熱。焊接端面被迅速加熱到熔化狀態(tài)，然后鋼軌被加壓，鐓粗熔晶使兩條鋼軌焊接在一起。如下圖所示。

1.2鋁熱焊

鋁熱焊的焊接原理是利用鋁熱劑在氧化還原反應時釋放力巨大熱量將坩堝中的焊劑加熱至熔化然后澆筑到形腔中，由高溫的鋼水把鋼軌的端面熔化，冷卻后成為統(tǒng)一整體，完成鋼軌的焊接。

1.3氣壓焊

氣壓焊又稱加壓焊，鋼軌氣壓焊屬于塑性氣壓焊。在一定的壓力下移動兩端面至緊密接觸，此時采用加熱器進行乙炔火焰加熱，將鋼軌端面加熱處理至鋼軌進入塑性半熔狀態(tài)，然后施加頂鍛力，在力作用下，端面半熔狀態(tài)的部位發(fā)生金屬原子的擴散和再結晶，從而將兩鋼軌焊接在一起。

氣壓焊的焊接工藝非常復雜。一般來說，氣壓焊接是在戶外進行的，因此受環(huán)境的影響很大。在焊接過程中，容易出現(xiàn)受熱不均、鐓粗加載不均、接頭焊縫變形等現(xiàn)象。

2 重載鐵路焊接接頭損傷

焊接接頭是路線中最復雜的部分。鋼軌焊接接頭的主要損傷是擦傷、側面磨損、崩刃等。

2.1鋼軌接頭壓潰

重載鐵路上的下股鋼軌壓潰是由鋼軌的連續(xù)塑性變形引起的。一般的材料在受到反復的作用力的時候，會在被作用的表面形成殘余應力，經(jīng)過一定的積累之后參與應力會達到一個極限值不再變化，材料也就不再發(fā)生塑性變形，這就是材料的安定極限載荷。在重載鐵路大軸重的情況下，輪軌接觸區(qū)的載重量隨之增加，隨著變形量的不斷累積，就會破壞輪軌接觸區(qū)，進一步出現(xiàn)鋼軌的壓潰現(xiàn)象。

2.2 接頭處不平順

接頭處的不平順是鋼軌接頭損傷中比較輕微的一種，它也廣泛的存在于重載線路的接頭之中。接頭本身的力學性能，尤其是耐磨性和抗壓性能都與母材存在差異，在鋼軌長時間的服役過程中受到來自車輪的沖擊、擠壓和磨損，最終就會表現(xiàn)出接頭一般會出現(xiàn)低塌的不平順的現(xiàn)象

2.3 鋼軌接頭剝離掉塊

鋼軌剝離是重在線路中很普遍的一種傷損類型，鋼軌出現(xiàn)剝離損傷后，表面失去原有的金屬光澤，形成黑色的斑紋，進一步發(fā)展會形成魚鱗狀的剝落現(xiàn)象，即剝離掉塊，如下圖所示。剝離掉塊會在踏面形成凹坑，影響輪軌正常的接觸關系，嚴重時會引起列車震動，產(chǎn)生強烈的噪聲。

2.4鋼軌接頭側磨

在曲線路段上股鋼軌，容易發(fā)生鋼軌側磨，當列車經(jīng)過曲線段時，由于要提供向心力，車輪的輪緣與鋼軌側面接觸并產(chǎn)生相對滑動，較大的滑動摩擦力造成鋼軌側面的嚴重磨耗。

2.5輪軌裂紋

鋼軌接頭接頭裂紋一般是由于焊接接頭受到車輪循環(huán)反復的拉壓應力作用產(chǎn)生，在交變應力作用下，接頭表面以及次表面出現(xiàn)塑性變形，塑性變形在車輪不斷的碾壓作用下累積，表層組織出現(xiàn)位錯和滑移，位錯不斷堆積導致組織變形破碎。

3鋼軌焊接接頭損傷研究現(xiàn)狀

對于接頭的研究主要分為三類：一是在線路上實地對焊接接頭的損傷進行測試研究，得到損傷情況的原始數(shù)據(jù)。二是在實驗平臺上對焊接接頭的損傷進行模擬實驗，研究各種不同參數(shù)下的接頭損傷程度。三是利用有限元軟件對接頭的損傷進行有限元模擬分析，從而得到損傷產(chǎn)生的規(guī)律，并對損傷情況進行預測[5]。

3.1國外研究現(xiàn)狀

Desimone 等研究了疲勞裂紋在鋼軌焊接的焊縫位置的擴展機制，由于焊縫受到混合模式的作用產(chǎn)生了垂向和橫向兩種斷裂。Meric 等利用短預熱鋁熱法工藝焊接而成鋁熱焊接頭，并對接頭力學性能和微觀組織進行了研究。2006年，Kabo 等將高頻車輛-軌道動態(tài)有限元模型和滾動接觸疲勞分析相結合，分析研究了鋼軌焊接接頭的沖擊載荷。

3.2國內研究現(xiàn)狀

我國對重載鐵路的磨損也有廣泛的研究。西南交通大學郭軍等開展輪軌接觸疲勞損傷研究，建立輪軌接觸有限元模型，考察其沖擊損傷、輪軌制動損傷、輪軌磨損等 生產(chǎn)開發(fā)及主要 影響因素。文澤峰及其同事建立了鋼軌焊接連接的三維彈塑性有限元模型，詳細考察了軸荷和車速對接觸力的影響。

結束語

隨著我國重載運輸路線的運輸事業(yè)的飛速發(fā)展，鋼軌的損傷與磨損日益嚴重。焊接接頭作為鋼軌中力學性能較差的部分，已成為鋼軌受損傷的重災區(qū)。通過研究的重載鋼軌焊接工藝、鋼軌焊接接頭損傷問題以及國內外研究現(xiàn)狀論述，為鋼軌接頭損傷機制及質量提升提供參考。

參考文獻

[1]田葆栓.在變化的世界中推進重載鐵路技術和運營（待續(xù)）——第11 屆國際重載運輸大會綜述[J].國外鐵道車輛，2019，56（01）：1-6.

[2]胡亞東.我國鐵路重載運輸技術體系的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中國鐵道科學，2015，36（02）：1-10.

[3]盧慶華，徐培全，于治水，陳立功.鋼軌焊接技術及質量控制[J].焊接技術，2010，39（01）：66-68.

作者簡介：曾成勇，男，四川成都，1984.07.20，中專，焊工技師，研究方向和寫作方向電焊類。