大秦线75 kg/m钢轨铝热焊接头伤损分析及对策

孙楠楠

(大秦铁路股份有限公司茶坞工务段，北京 101402)

大秦铁路是中国第一条双线电气化重载铁路，2014年运量达到4.6 亿t，创下又一个重载奇迹。大秦铁路现用Ⅱ型、Ⅲ型混凝土枕，75 kg/m 钢轨形成区间无缝线路。随着运量的不断增加，对钢轨及焊接接头的性能有了更高的要求。钢轨接头伤损逐渐严重，尤其是焊接接头伤损显著增加，而铝热焊存在的问题尤为突出，已对运输安全构成了威胁，因此提高铝热焊焊接质量，延长钢轨焊接接头寿命，已成为迫切需要研究的重要课题。

1 铝热焊接头质量问题、伤损及对策

当前在大秦线上使用的铝热焊接头，每个都打着铝热焊专用夹板，尽管如此，铝热焊问题仍然较多，主要包括:焊剂、预热、钢轨温度应力等方面的问题。

1.1 焊剂成分不匹配造成焊缝硬度偏低并且磨损严重

经过现场多次测量记录及观察，发现大部分铝热焊接头服役一定时期后接头区域低塌比较严重，焊接接头低塌造成的危害有:1)轮轨间动作用力增加，造成焊缝处道床塌陷、轨枕失效，几何尺寸不能有效保持，严重威胁行车安全;2)钢轨焊接接头压溃，导致轨面剥离、掉块和轨头核伤;3)根据车辆转向架及其对钢轨的反应特性，钢轨隆起导致的冲击力比低接头的小，而且冲击力最大处为远离隆起的地方。焊接接头起始预留平直度不合格导致的低塌有两种:一种接头焊完之后就是低接头;一种错牙接头，导致一侧由于冲击而造成的低塌。起始预留平直度不合格导致接头在1 m 范围内呈现V 形状低塌。预留平直度合格的接头，只在焊缝区域低塌形状有两种:一种是在焊缝两边软带处出现较大的低塌;另一种是焊缝及其热影响区整体低塌。钢轨焊接接头的磨损状态与接头附近轨面硬度分布有密切关系，焊接接头在焊缝和热影响部分的软化区域相对其他位置的磨损较重，磨损程度与硬度差异的程度有关。通过对大量铝热焊接头(包括低塌严重和服役过程中比较正常的接头)的平直度曲线和硬度曲线分析，焊缝及热影响区域的硬度与母材硬度的差异成为接头服役过程中是否出现低塌的主要原因。焊缝及热影响区硬度的不合格导致了接头与母材磨耗的差异性，导致了焊缝区域磨损较母材严重，这是部分铝热焊接头低塌严重的主要原因。大秦重载线现状服役的PG4，U77MnCr 钢轨都是高Cr 钢轨，此类钢轨强度高、耐磨性好，但是硬度也比较高，而且线上服役的很大一部分钢轨都经过了在线热处理，硬度更高，经过在线热处理的钢轨母材踏面硬度可以达到370 HB 以上。按照现有焊剂配方，焊接PG4 热处理轨，硬度差距过大。目前现有的铝热焊剂按照焊缝硬度可以分为300 HB和340 HB，其中，第一种焊剂使用时的实测硬度是310 HB～320 HB，是用来焊接U75V 钢轨的;第二种焊剂的实测硬度是350 HB～360 HB，是用来焊接U77MnCr 和PG4 钢轨的。值得注意的是由于U77MnCr 和PG4 母材硬度已经达到380 HB，使用中的测试结果更是高达410 HB 以上，因此第二种焊剂也显得硬度偏低。比较合理的方法是用第二种焊剂焊接非热处理轨，这样焊缝硬度略高于母材，焊缝的磨损会小于母材。高硬度的钢轨母材，对线上铝热焊焊接的焊剂和焊接过程都提出了较高的匹配要求。为适应高硬度钢轨的需求，高硬度钢轨铝热焊接技术的研究是必不可少的。对策及措施:1)研发适合焊接U77MnCr 和PG4热处理轨的铝热焊焊剂，充分考虑硬度匹配问题;2)开展U77MnCr和PG4 热处理轨的铝热接头焊热处理工艺研究，在焊剂直接焊接无法达到硬度匹配的情况下，应当开发出有效的配套工艺。

1.2 预热温度不足造成焊缝气孔及夹渣

图1 铝热焊接头（K206+133 左股）伤损取样断口宏观形貌

图1 是铝热焊伤损接头(K206 +133 左股)断口宏观形貌，2010年8 月铺轨，2011年3 月发现重伤，2011年5 月下线，通过总重约3 亿t。通过对现场断裂接头取样试验分析研究，伤损的具体位置在铝热焊接头轨沿下颚至轨腰间钢轨表层，存在若干分散的组织缺陷，未形成扩展裂纹。组织缺陷由粗大的颗粒状和块状夹渣形成，在块状夹杂物之间及周围分布着一些形状不尽相同、大小不一的球状夹杂物，主要成分是铁、铝、氧和少量的碳、硅、锰元素，主要存在于氧化铁、氧化铝和其他氧化物中。夹渣缺陷作为铝热焊接头的一种常见缺陷形式，形成的主要原因是:1)焊接作业时，坩埚中喷出的熔渣进入型腔后，粘附在钢轨表面，但是钢水在进入型腔后，并不能把这部分熔渣冲掉上浮;2)在反应还没有完成时，便直接浇筑，熔渣不能彻底上浮;3)钢轨轨缝较大，钢水不足或铸型时“跑铁”，熔渣进入型腔时，在轨顶容易形成夹渣。从夹渣缺陷的形态与分布特点来分析，产生的主要原因是，在钢轨表面粘附的熔渣不能被冲掉上浮，其原因可能是:1)铝热反应还未进行彻底，就直接浇筑;2)焊剂存放期限过长，对铝热反应的进行产生了不良影响;3)预热温度或位置不正确，造成部分区域凝固过早，从而脱渣不彻底。对策及措施:1)焊前预热应按合理的预热位置和温度进行操作，强化操作工对工艺要求的认知，严格按规定进行操作;2)焊前仔细检查坩埚，铸型设备，发现有问题的应及时更换;3)加强对铝热焊焊剂的质量和存储状态的检查，不符合焊接要求的铝热焊焊剂杜绝使用。

2 钢轨温度应力造成焊缝拉开

图2 为2011年，在K369 +029 位置进行钢轨铝热焊，方法为法国铝热焊，在焊接时，由于受到钢轨温度应力的拉伸，未冷却到室温焊缝即被拉开，造成钢轨焊接接头断裂。

图2 铝热焊焊缝拉开全断面形貌及轨底局部断口

铝热焊焊缝被拉开的主要原因是钢轨的温度应力。在线上进行钢轨锁定焊接时，钢轨两端均为长轨，受到温度的影响，钢轨会出现伸长或缩短的长度变化。钢轨在焊接过程中，高温下已经凝固的焊缝强度较低，如果此时焊缝受到两端钢轨的拉伸，有可能出现拉开的现象。有时，即使没有被拉开，其焊接强度也会受到严重影响，为此必须引起注意。

对策及措施:1)避免在钢轨温度下降时进行线上铝热焊。例如锁定焊时，在有条件的情况下尽量上午进行线上焊接;2)采用拉伸器对钢轨进行保压，固定钢轨，避免钢轨收缩。

3 结论及建议

1)结论。铝热焊绝大数的伤损为下颚开裂，并且数量也是最高的。通过对伤损接头的分析发现，裂纹并非起源于焊缝缺陷处，主要原因是接头局部结构突变引起的应力集中，从而导致开裂。如果消除此类裂纹成为现实，将大幅度降低铝热焊接头的伤损数量，提高铝热焊在重载铁路中应用的水平。PG4 和U77MnCr热处理轨接头磨损最为严重(比气压焊还要严重)，一年接头磨耗超过了1 mm，由于焊缝硬度大大低于母材，硬度匹配不合理，应当统筹考虑热处理轨的铝热焊硬度匹配问题。一方面可以改进焊剂化学成分，提高焊缝材质硬度，另一方面也可以研发一种适合铝热焊接头正火的设备，对焊接接头进行淬火，使得接头硬度接近钢轨母材。

2)建议。开展降低铝热焊接头伤损率的研究。铝热焊接头的伤损绝大多数集中在轨头下颚，并且伤损数量极高，这已经成为重载线路最主要的伤损形式之一。因此，建议开展降低铝热焊轨头下颚伤损的研究，并进行相应的实验验证工作，有效降低该类型伤损。

［1］王金虎.大秦线运量逐年递增情况下的钢轨伤损分析及对策［J］.铁道建筑，2008(11):40-41.

［2］卢永成.大秦铁路工务设备状态分析及其对策建议［J］.技术创新，2004(20):49-51.

［3］张伟娜，许富民，谭 毅.钢轨铝热焊缝的微观缺陷种类和形成机制［J］.机械工程材料，2007(22):35-36.