高錳鋼轍叉在線焊修現(xiàn)狀分析及前景展望★

程 亮，范慶波

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司,陜西 寶雞 721006)

0 引言

高錳鋼轍叉是鐵路交通線上的重要設(shè)備之一[1],是一種高消耗量的部件,也是鐵路結(jié)構(gòu)中損傷最嚴(yán)重的部件。雖然近些年國(guó)內(nèi)外的專家學(xué)者研究出了轍叉的新型材料,如貝氏體鋼等,但由于成本等原因,大范圍的推廣應(yīng)用有限,由高錳鋼材料制造的轍叉仍然占到鐵路轍叉總量的80%。近年來,隨著鐵路線路運(yùn)量的增加,對(duì)高錳鋼轍叉的磨損顯著加劇,在車輛的交變載荷下,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)磨損、裂紋等現(xiàn)象,以致高錳鋼轍叉提前報(bào)廢。因此,尋求一種經(jīng)濟(jì)合理的修復(fù)技術(shù)已經(jīng)成為工務(wù)部門待解決的關(guān)鍵問題之一[2]。

1 現(xiàn)狀分析

轍叉在服役過程中承受著車輪強(qiáng)大的碾壓力、沖擊力和振動(dòng)力等復(fù)雜作用力,致使轍叉產(chǎn)生接觸疲勞達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命而失效下道。高錳鋼轍叉的失效形式主要以磨耗到限和裂紋失效為主?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果表明,裂紋和心軌剝落掉塊兩大病害,特別是占失效高錳鋼轍叉60%的剝落掉塊,已經(jīng)成為提高高錳鋼轍叉使用壽命的最大困擾問題。轍叉的過早下道不僅是巨大的經(jīng)濟(jì)損失,也是鐵路線上的一個(gè)大的安全隱患。

大量調(diào)查統(tǒng)計(jì)資料發(fā)現(xiàn),60-12號(hào)高錳鋼轍叉,通過運(yùn)量總重平均約1億t就失效而下道,其中最高達(dá)到2.5億t,最低約4千萬(wàn)t～5千萬(wàn)t,使用壽命離散性相當(dāng)大。裂紋和心軌剝落掉塊兩大病害,已經(jīng)成為提高使用壽命的最大障礙,經(jīng)失效分析認(rèn)為,裂紋主要與高錳鋼轍叉材料本身有關(guān)系,如疏松、縮孔以及碳化物、磷共晶、非金屬夾雜物有關(guān)[3]。

對(duì)剝落掉塊等傷損部位進(jìn)行線上補(bǔ)焊是包括國(guó)際聯(lián)盟(UIC)在內(nèi)的國(guó)際通用慣例,受線路施工條件、工人操作水平、“天窗”時(shí)間長(zhǎng)短等影響,國(guó)內(nèi)鐵路線上焊補(bǔ)效果不理想。目前,我國(guó)鐵路線上使用的高錳鋼轍叉平均壽命為通過總重1.2億t～1.4億t之間,其使用壽命與鋼軌的使用壽命嚴(yán)重不匹配,據(jù)資料顯示,通過對(duì)傷損部位進(jìn)行補(bǔ)焊,可使在線服役時(shí)間延長(zhǎng)1倍,有明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

本文通過工藝試驗(yàn)及在線焊修的實(shí)際案例,討論了目前高錳鋼在線焊補(bǔ)存在的問題,分析了高錳鋼轍叉在線焊補(bǔ)可行性及前景展望。

2 焊接工藝試驗(yàn)

按照Q/CR406—2021高錳鋼轍叉電弧焊補(bǔ)技術(shù)要求[4],進(jìn)行了工藝試驗(yàn),采用D286焊條,焊層金屬為單相奧氏體,電流100 A～110 A,堆焊厚度2 mm～10 mm,層溫60 ℃～90 ℃之間。

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

焊接完成后對(duì)所有試件進(jìn)行拉伸和沖擊試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表1,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,其力學(xué)性能指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 焊接材料熔敷金屬檢驗(yàn)結(jié)果

2.2 金相組織

金相檢驗(yàn)報(bào)告結(jié)果表明,在焊縫橫向的熔合線附近靠高錳鋼一側(cè)均無明顯碳化物析出,均在X1級(jí)—X3級(jí);試樣在橫向均無明顯的熱影響區(qū),焊縫組織均為奧氏體,其上分布有小顆粒狀碳化物,試樣的顯微組織無明顯差異,離散性小。試件碳化物形貌見圖1。

2.3 硬度

用堆焊試樣進(jìn)行焊縫和母材的布氏硬度檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 布氏硬度試樣檢驗(yàn)結(jié)果 HBW

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

1)從焊縫金屬的機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果看,熔敷金屬抗拉強(qiáng)度、沖擊功、延伸率均高于Q/CR406—2021高錳鋼轍叉電弧焊補(bǔ)技術(shù)要求中的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2)從堆焊焊縫的金相檢驗(yàn)結(jié)果來看,焊縫熱影響區(qū)無明顯碳化物析出。雖然接近堆焊層的高錳鋼基體在每次焊接瞬間都達(dá)到較高的焊接問題,但是在焊接中采用澆水冷卻和控制道間溫度的方法,嚴(yán)格控制了焊接熱影響區(qū)在高溫停留時(shí)間從而控制了碳化物的析出,造成亞表層碳化物析出,然而這種析出不影響高錳鋼轍叉堆焊層的正常使用[5]。焊縫由于經(jīng)歷了熔化到結(jié)晶的過程,并且在高溫停留時(shí)間較長(zhǎng),碳化物為顆粒狀且不連續(xù),不會(huì)增加脆性。

3)從堆焊焊縫的硬度檢驗(yàn)結(jié)果來看,兩種焊條的堆焊焊縫硬度和母材硬度無明顯差別;但由于焊條本身是碳鋼芯,合金元素靠藥皮過渡,合金元素過渡存在不均勻性,使得焊縫組織硬度存在離散性。

綜上所述,焊修后焊縫及熱影響區(qū)在金相組織、硬度和機(jī)械性能等方面,均符合Q/CR406—2021,且焊縫性能不低于高錳鋼母材,故可用于高錳鋼的焊修[6]。

3 線路焊修效果跟蹤

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果,制定了“高錳鋼轍叉在線焊補(bǔ)作業(yè)指導(dǎo)書”,明確了焊前、焊中、焊后的注意事項(xiàng),并確定可以進(jìn)行焊修的缺陷類型、焊修用焊接材料、焊接工藝等。在2019年—2022年三年間,詳細(xì)統(tǒng)計(jì)了北京局等站用42根高錳鋼轍叉焊修原因、同一部位焊修一次后使用壽命統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

結(jié)果顯示:首次焊修前使用時(shí)間240 d～450 d的為28根,占67%,450 d以上的14根,占33%;一次焊修后使用時(shí)間在120 d(4個(gè)月)以下的為7根,占16.7%,120 d～360 d的21根,占50%,360 d以上的14根,占33%,同時(shí)對(duì)長(zhǎng)春地鐵、青島地鐵等線路焊修效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),焊修后使用均可達(dá)到360 d以上。

通過以上分析可知,一次焊修后國(guó)鐵線路50%都可以延長(zhǎng)在線服役時(shí)間達(dá)1 a、地鐵均可達(dá)1 a以上;同焊修前的使用時(shí)間比較,一次焊修后,67%以上的都可以達(dá)到首次焊修前運(yùn)營(yíng)時(shí)間的一半以上,效果良好。

4 前景展望

高錳鋼轍叉是鐵路線路中重要的組成部件,承受著鐵路線路復(fù)雜的作用力,是關(guān)鍵線路的薄弱環(huán)節(jié)之一。隨著我國(guó)路網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和線路提速,轍叉的傷損日漸增多。對(duì)高錳鋼轍叉的傷損缺陷進(jìn)行焊補(bǔ)修復(fù),是一種提高轍叉使用壽命、延長(zhǎng)更換周期直接有效的措施,同時(shí)還可以節(jié)約因更換傷損轍叉而花費(fèi)的大量資金[7]。

高錳鋼轍叉使用一段時(shí)間后,其承載部位有較大深度的致密層,對(duì)表層出現(xiàn)的缺陷在線修復(fù)提供了堅(jiān)實(shí)的基體基礎(chǔ),對(duì)修復(fù)后基體的整體性和連續(xù)性提供了有力的保證。一直以來,國(guó)內(nèi)高錳鋼轍叉修復(fù)均采用人工堆焊的方法,因員工操作水平、受鐵路“天窗”點(diǎn)影響修復(fù)時(shí)間短等原因影響,轍叉焊修質(zhì)量參差不齊,加之手工電弧焊修勞動(dòng)強(qiáng)度大、人員成本高等因素影響,焊修后使用時(shí)間短,焊修性價(jià)比不高,和歐美國(guó)家相比較,傷損轍叉焊修率極低,導(dǎo)致大量高錳鋼轍叉未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命提前下道,造成大量的浪費(fèi)。通過對(duì)高錳鋼轍叉在線焊修,從而延長(zhǎng)轍叉在線服役壽命,保證鐵路運(yùn)營(yíng)安全,提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,勢(shì)必成為高錳鋼轍叉使用的一種趨勢(shì)。

近年來,隨著智能化生產(chǎn)水平的不斷發(fā)展提升,智能化再制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用,智能化修復(fù)高錳鋼轍叉技術(shù)勢(shì)在必行。開發(fā)一種高錳鋼轍叉智能化在線焊修方法,實(shí)現(xiàn)高錳鋼轍叉智能化在線焊修及修復(fù)后的輪廓檢測(cè),提高焊修效率,減少人為因素對(duì)修復(fù)質(zhì)量的影響,提高焊修穩(wěn)定性,對(duì)延長(zhǎng)道岔的使用壽命、推動(dòng)行業(yè)技術(shù)升級(jí)具有重大意義。

5 結(jié)語(yǔ)

1)高錳鋼轍叉按照要求工藝進(jìn)行焊修后,焊縫及熱影響區(qū)在金相組織、硬度和機(jī)械性能等方面,均符合Q/CR406—2021,且焊縫性能不低于高錳鋼母材,焊修后效果良好,延長(zhǎng)了轍叉在線服役時(shí)間,提高了社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2)隨著智能化生產(chǎn)水平的不斷發(fā)展提升,智能化再制造技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛,智能化焊修高錳鋼轍叉技術(shù)勢(shì)在必行。