重载铁路焊接接头损伤形式及研究现状

摘要：铁路是对一个国家经济与社会发展都有着非常重要的作用，相对于常规客运与货运铁路，重载铁路有着显著的效率和经济效益。钢轨焊接是重载线路最重要、最复杂的一个环节。通过研究重载钢轨焊接方式、钢轨焊接接头损伤问题以及国内外研究现状论述，为减少钢轨接头损伤及提升接头质量提供参考。

关键词：重载铁路  焊接  接头  损伤

绪论

重载铁路由于有着速度快、效率高、成本低、运输路线稳定的优点，目前已经完全扮演了功能最全，效率最高且能横跨大陆大宗货物搬运者。

重载铁路一般是一条轴线大、列车总重大或行驶列车量大的路线。主要用于煤、铁矿石等的运输。

目前，美国 70%的铁路是重载铁路，重载铁路货物输送以煤炭为主。南非的矿产资源十分丰富，先天的资源优势加快了南非重载铁路的发展。其中两条里程占比不足 7%重载线路的却足足承担了南非货运总运量 60%的运输量，由此可以看到重载线路对南非铁路的重要意义。

80年代，我国开始发展重载铁路。目前我国主要重载线路有大秦铁路、包神-神朔-朔黄铁路、山西中南部铁路、蒙华铁路等。其中蒙华铁路的运行显著的提升了我国铁路南北方向的货运能力，使整个交通运输网络更加的灵活，是将我国中部与欧亚路桥连接的重要通道，其战略意义非常重要[2]。

1重载铁路焊接方法

铁路线路上的钢轨对接焊缝不仅对轨道施工、机车车辆使用寿命、乘客舒适度和能源消耗等产生一定的不利影响，而且直接危及列车安全。要想解决这一系列的问题，就必须要提高钢轨接头焊缝的稳固性与平顺性。国钢轨焊接技术的发展情况直接影响工程进度、保证工程质量的最为关键的因素之一。

重载铁路钢轨焊接方法有闪光焊、铝热焊、气压焊[3]。我国气压焊使用较少，使用最广泛的是闪光焊，闪光焊接头占接头总数约为90%。

1.1闪光焊

闪光对焊也称为接触焊。焊接时，电流流过待焊接钢轨的接触面，产生大量电阻热。焊接端面被迅速加热到熔化状态，然后钢轨被加压，镦粗熔晶使两条钢轨焊接在一起。如下图所示。

1.2铝热焊

铝热焊的焊接原理是利用铝热剂在氧化还原反应时释放力巨大热量将坩埚中的焊剂加热至熔化然后浇筑到形腔中，由高温的钢水把钢轨的端面熔化，冷却后成为统一整体，完成钢轨的焊接。

1.3气压焊

气压焊又称加压焊，钢轨气压焊属于塑性气压焊。在一定的压力下移动两端面至紧密接触，此时采用加热器进行乙炔火焰加热，将钢轨端面加热处理至钢轨进入塑性半熔状态，然后施加顶锻力，在力作用下，端面半熔状态的部位发生金属原子的扩散和再结晶，从而将两钢轨焊接在一起。

气压焊的焊接工艺非常复杂。一般来说，气压焊接是在户外进行的，因此受环境的影响很大。在焊接过程中，容易出现受热不均、镦粗加载不均、接头焊缝变形等现象。

2 重载铁路焊接接头损伤

焊接接头是路线中最复杂的部分。钢轨焊接接头的主要损伤是擦伤、侧面磨损、崩刃等。

2.1钢轨接头压溃

重载铁路上的下股钢轨压溃是由钢轨的连续塑性变形引起的。一般的材料在受到反复的作用力的时候，会在被作用的表面形成残余应力，经过一定的积累之后参与应力会达到一个极限值不再变化，材料也就不再发生塑性变形，这就是材料的安定极限载荷。在重载铁路大轴重的情况下，轮轨接触区的载重量随之增加，随着变形量的不断累积，就会破坏轮轨接触区，进一步出现钢轨的压溃现象。

2.2 接头处不平顺

接头处的不平顺是钢轨接头损伤中比较轻微的一种，它也广泛的存在于重载线路的接头之中。接头本身的力学性能，尤其是耐磨性和抗压性能都与母材存在差异，在钢轨长时间的服役过程中受到来自车轮的冲击、挤压和磨损，最终就会表现出接头一般会出现低塌的不平顺的现象

2.3 钢轨接头剥离掉块

钢轨剥离是重在线路中很普遍的一种伤损类型，钢轨出现剥离损伤后，表面失去原有的金属光泽，形成黑色的斑纹，进一步发展会形成鱼鳞状的剥落现象，即剥离掉块，如下图所示。剥离掉块会在踏面形成凹坑，影响轮轨正常的接触关系，严重时会引起列车震动，产生强烈的噪声。

2.4钢轨接头侧磨

在曲线路段上股钢轨，容易发生钢轨侧磨，当列车经过曲线段时，由于要提供向心力，车轮的轮缘与鋼轨侧面接触并产生相对滑动，较大的滑动摩擦力造成钢轨侧面的严重磨耗。

2.5轮轨裂纹

钢轨接头接头裂纹一般是由于焊接接头受到车轮循环反复的拉压应力作用产生，在交变应力作用下，接头表面以及次表面出现塑性变形，塑性变形在车轮不断的碾压作用下累积，表层组织出现位错和滑移，位错不断堆积导致组织变形破碎。

3钢轨焊接接头损伤研究现状

对于接头的研究主要分为三类：一是在线路上实地对焊接接头的损伤进行测试研究，得到损伤情况的原始数据。二是在实验平台上对焊接接头的损伤进行模拟实验，研究各种不同参数下的接头损伤程度。三是利用有限元软件对接头的损伤进行有限元模拟分析，从而得到损伤产生的规律，并对损伤情况进行预测[5]。

3.1国外研究现状

Desimone 等研究了疲劳裂纹在钢轨焊接的焊缝位置的扩展机制，由于焊缝受到混合模式的作用产生了垂向和横向两种断裂。Meric 等利用短预热铝热法工艺焊接而成铝热焊接头，并对接头力学性能和微观组织进行了研究。2006年，Kabo 等将高频车辆-轨道动态有限元模型和滚动接触疲劳分析相结合，分析研究了钢轨焊接接头的冲击载荷。

3.2国内研究现状

我国对重载铁路的磨损也有广泛的研究。西南交通大学郭军等开展轮轨接触疲劳损伤研究，建立轮轨接触有限元模型，考察其冲击损伤、轮轨制动损伤、轮轨磨损等 生产开发及主要 影响因素。文泽峰及其同事建立了钢轨焊接连接的三维弹塑性有限元模型，详细考察了轴荷和车速对接触力的影响。

结束语

随着我国重载运输路线的运输事业的飞速发展，钢轨的损伤与磨损日益严重。焊接接头作为钢轨中力学性能较差的部分，已成为钢轨受损伤的重灾区。通过研究的重载钢轨焊接工艺、钢轨焊接接头损伤问题以及国内外研究现状论述，为钢轨接头损伤机制及质量提升提供参考。

参考文献

[1]田葆栓.在变化的世界中推进重载铁路技术和运营（待续）——第11 届国际重载运输大会综述[J].国外铁道车辆，2019，56（01）：1-6.

[2]胡亚东.我国铁路重载运输技术体系的现状与发展[J].中国铁道科学，2015，36（02）：1-10.

[3]卢庆华，徐培全，于治水，陈立功.钢轨焊接技术及质量控制[J].焊接技术，2010，39（01）：66-68.

作者简介：曾成勇，男，四川成都，1984.07.20，中专，焊工技师，研究方向和写作方向电焊类。