箱式焊轨车焊接落锤试验的探讨

李赓茂

【摘 要】箱式焊轨车型式检验，分析落锤试验的受力，落锤试验在闪光焊接中的意义及在国内的应用情况，提出减少钢轨试件数量的建议。

【关键词】钢轨焊接；落锤试验；应力分析

1 落锤试验在钢轨焊接中的意义

落锤试验对钢轨焊缝的金属机械性能（力学性能）的定量检验作用不是很大的，只注重经受的落锤数量而不分析断面缺陷是一种本末倒置。冲击试验对材料的化学成分尤其是材料中的缺陷十分敏感，我们往往通过试验找出缺陷，改进焊接工艺，在钢轨焊接中，落锤试验发现的缺陷。

闪光焊有以下几种：①灰斑个数、形状面积及分布位置，试验中持续的灰斑面积超限，说明钢轨焊接工艺的参数不当，路内焊接行业提出的正交试验法，可以改进工艺参数使其减少，偶发性的轨底三角区大灰斑一般是由于母材的夹杂、疏松超限所致；②正火的细晶化在断面的分布对正火不透的原因进行改进；③纤维状组织外翻的深度应尽量减少，改进焊接温度场和顶锻参数；④发现电极接触面的局部灼伤淬火及推瘤刀对钢轨的刮伤；⑤发现母材中的异常现象，如夹渣、冷铁物、孔隙、裂纹、擦伤白层等。

历年来对钢轨落锤试验影响较大的事例及焊接工艺技术的改进的有：①焊缝增加正火工艺，特别是电磁感应正火，细化晶粒后提高了焊缝的基本强度，抑制了灰斑缺陷和裂纹扩展，降低了缺陷的有害影响，但轨底角的正火不透，还有待发展窄宽度双频正火（800/2000Hz）。②以U75Mn为代表的高强耐磨高锰的出现，使其焊缝对缺陷更加敏感，现行对灰斑面积的限定已经过于宽松，实践中应使更小才行。③交流脉冲闪光焊能有效地减少焊接灰斑缺陷，新的K系列焊机有此功能，常州铁路研究所已经开发出的箱式焊轨车焊接控制系统。

2 落锤试验的受力分析

中国铁道行业钢轨焊接接头技术条件中规定了60kg/m钢轨焊缝试验的高度，1锤不断制（H1=5.2m），2锤不断制（H2=3.1m），当锤头撞击到钢轨上，尚未发生变形时，有最大冲击应力σdmax为：

σbmax=QL/4W+[（QL/4W）2+6QHEAI/41W2]1/2

式中：H—落锤高度，H1=520cm，H2=310cm；

Q—锤头重量，Q=10kN；

L—支点距离，L=100cm；

E—弹性模量，E=2×10MPa；

I—钢轨惯性矩，I=3217cm4；

W—钢轨截面模量，W=396.2cm3；

A—钢轨截面积，A=77.45cm2。

由此算得：H1=520cm时，σdmax=15700MPa，是钢轨母材σdmax（=980MPa）的16.0倍；H2=310cm时，σdmax=12200MPa，是钢轨母材的12.4倍。

随着弹性变形的迅速完成且弹性变量比静载下更大，落锤形成的应力迅速衰减，冲击应力σd为：

σd=QL[1+（1+96HEI/QL3）1/2]/4W

计算得：H1=520cm时，σd1=3550MPa，是σb的3.66倍；H2=310cm时，σd2=2770MPa，是σb的2.83倍。

在σd作用下，钢轨在冲击点发生塑性弯曲变形，如果钢轨未断裂，则锤头的在击点的应力下降至12.6MPa，即锤头在击点的静载应力远小于它在其他钢轨截面上生成的弹性应力，锤头反弹几次后静止。

在上述动应力作用下，由于钢轨塑性变形速率很大，所以在材料的抗力也很大，在静载时不同，我们引入一个金属热锻时变形抗力P的公式来说明：

P=α1α2AY

式中：Y—静载变形压力；

A—锤击面积；

α1—变形速率系数，在液压端在机上为1.0～1.5。在高速锻锤上取3.0；

α2—在锻模结构相关的系数，认为是常数。

α1还与工件温度相关，工件温度有关，工件温度高时下降、低时升高，本文实例中，可认为α1>3～4，即钢轨在落锤时的塑变抗力增大了3～4倍。

以上计算说明以下几点：①落锤力在锤头接触到钢轨的瞬时最大，相应内应力最大，随后发生的弹性变形使内应力迅速衰减，由于惯性作用，其弹性变形量大于静载时变形量。②落锤时弹性变形的响应度极大，其极限可达到声波在钢轨中的传播速度（4982m/s），塑性变形响应速度很小，迟滞发生且塑性变形的抗力也大幅度上升，说明钢轨在塑变应力这样大的情况下为什么还打不断。③落锤时钢轨的断裂是在弹性变形阶段最大应力断面上的缺陷，当应力增大到一定程度时，产生裂源迅速扩展到断裂，它产生于弹性阶段而不是塑性变形阶段，这与静弯实验的疲劳断裂不同。

3 落锤试验的执行情况

从试验的应力水平来看，落锤实验的合格是很困难的，实际情况也是如此。若能通过落锤试验，则静弯、疲劳等大概率是没有问题。

在进行15个试头连续落锤试验时，当连续合格10个后，如果有一个不合格，全部需要重做。如此几百个试头做下去，不仅造成材料、人力、物力的极大消耗，只期望有一组15个试头数据合格，反而不是围绕缺陷的减少或消除做工作。落锤试验的本质是检查材料内部缺陷从而促进焊接工艺的改善。

实际上，钢轨在使用中受到的冲击，大量的是车轮踏面擦伤不圆，焊缝本身不平顺、波浪磨耗、轨枕空吊等因素的冲击，大一点的如车辆掉道，山石滚落等自然因素。由于道床不是刚性基础，从当量上比，都没有1锤或2锤的落锤那样大的冲击力，钢轨负载荷应是小能量多次冲击，不能象装钢板或炮弹那样由一次冲击来决定合格。材料学对小能多冲使用的工件，不倾向用一次冲击标准来判定合格。

4 结论

本文的目的是把落锤试验的实质作用解剖出来，并未否定落锤试验在提高钢轨焊接质量上的管理作用，因此也不是想把试验从标准中取消，但认为连续试头较多，建议高、中、低碳，每种钢轨焊合3个，另加一个高碳-高碳，1组4个，共焊4组。灰斑单个面积≤8mm2，总和≤15mm2，且锤数与灰斑均合格，是标准更加趋于合理。

[责任编辑：王楠]