（机械工程专业论文）无缝线路钢轨焊接质量研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 近年来，随着高强 l i 于磨的p d 3 合袋轨大艇在线路上推广应用，其焊接 接头质麓问题就更为突出，为了傈证行车安全，系统鲍开展商强合会锈瓿 焊接质蹩研究舆有非常重要的意义。 针对蟊前婵轨生产中采丽k 型浑税律接p d 36 0 k g m 诵鞔，接头灰斑 缺陷多，性能娥以达到部颁标准要求的工程问题，对材质、焊接电压、焊 接工苞对接头质量的影响进行研究，弗扶钢轨焊接加速烧纯阶段的闪光稳 定性入等，详绷分析了影响接头质量的因素，找出了钢轨闪光焊稳定性与 质量的关系，掇出了控制钢轨绰接质鬣的措施，为建立完善的焊接质量控 制体系提供了依据。 关键词：钢轨 闪光辉；质量 a b s tr a c t a tp r e s e n t ，t h ep d 3r a i l h a sb e e n u s e di nr a i le n g i n e e r i n g f r e q u e n t l y ，b u t ，t h e r es t i l la r es o m ep r o b t e m si nc o n t r o l l i n gs y s t e m o fw e l d i n gj o i n tq u a l i t y t h e r e f o r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt op r o c e e d t h er e s e a r c ho fw e l d i n gj o i n tq u a l i t ys y s t e m a t i c a l l y a i m i n ga t t h ee n g i n e e r i n gp r o b l e mt h a tkw e l d i n gm a c h i n ei s u s e dt ow e l dp d 36 0 k g mr a i ld u r i n gw e l d i n gp r o d u c t i o na tp r e s e n t ， t h eq u a li t yo ft h ej o i n tf a ll ss h o r to ft h es t a n d a r do ft b t 1 6 3 2 9 1 b e c a u s eo ft h eo b j e c t i o no fg r e y s p o t si nt h ew e l d i n gj o i n t ，t h i s p a p e ra n a l y s e st h ee l e m e n tw h i c hi n f l u e n c et h ew e l d i n gj o i n tq u a l i t y i nd e t a i lf r o mt h es t a b i l i t yo ff l a s ho ft h ea c c e l e r a t i n gs t e po f t h er a i l f i n d so u tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t a b i l i t y o f f l a s h b u t tw e l d i n ga n dt h eq u a l i t yo f r a i lj o i n t ，p r o v i d e st h e m e a s u r ef o rc o n t r o l l i n gt h eq u a l i t yo fr a i lw e l d i n ga n ds o m eg i s t f o re s t a b l i s h i n gp e r f e c tc o n t r o l l i n gs y s t e m o fw e l d i n g j o i n t q u a l i t y k e yw or d s ：s t e e lr a i l ：f l a s h b u t tw e l d i n g ：q u a l i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章序言 高速铁路、地铁、轻轨等现代交通高速轨道结构都具有综合弹性好、平顺、 轨条与道岔均为无缝结构的特点，无缝线路是现代铁路轨道结构的重大发展， 它可以延长钢轨的使用寿命2 0 3 0 ，平均减少钢轨损伤2 5 ，降低养路费 3 0 ，减低行车阻力1 0 ，从而有利于提高行车速度，减少车辆维修费用i i j 。 无缝线路主要采用合金钢轨，特别是近年来在线路上大量推广应用的新型 p d 3 合金钢轨，强度高，耐磨性好，可提高无缝线路的使用寿命，延长超长无 缝线路的换铺周期，节省运营成本。由于p d 3 属于高强合金钢钢轨，钢的化学 成分提高了硅和钒的含量，使可焊性大大下降。硅含量提高导致焊缝金属的热 传导性能变差，焊接时需要强化加热，同时硅含量的提高使焊接过程中形成硅 酸盐夹杂物的机会增加，导致接头性能恶化，这给p d 3 钢轨的焊接带来更大的 难度，而且高强度钢轨对轨底的微小缺陷更敏感，特别是在落锤这一检验项目 上就很难通过。由于p d 3 合金轨强度高，耐磨性好，可焊性差，焊接过程长， 工艺参数繁多，随着p d 3 合金轨在线路上的大量推广应用，其焊接接头质量问 题就更为突出，使无缝线路存在安全隐患。另外，焊机的工作状况如零部件磨 损老化，控制部件的功能出现异常等也是接头中的焊接缺陷数量难以控制的常 见原因。为了保证行车安全，系统地开展高强合金钢轨焊接质量研究十分必要。 无缝线路的冶金连接主要有闪光焊、气压焊、铝热焊、电弧焊四种方法， 其中闪光焊焊接钢轨的方法较其它的焊轨方法目前在技术上及经济上均占优 势，当今世界上均以闪光焊为主要的焊轨方法。本文以k 型钢轨焊机为研究对 象，对合金钢轨闪光焊焊接工艺及钢轨材质对接头质量的影响进行了研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 第2 章文献综述 2 1 钢轨焊接方法 钢轨焊接方法主要有闪光焊、气压焊、铝热焊、电弧焊四种方法【2 1 ，它们 既适用于焊长轨条，也适用于焊道岔。其生产效率高，连接质量好，应用范围 广。世界各国无缝线路连接情况如表2 1 。 表2 一l 世界各国无缝线路连接情况【3 4 1 最大轨 厂焊钢轨 焊接方式 焊接接破损率 国别温幅度钢轨类型缓冲区结构 长度( m ) ( 处1 0 0 k m ) ( 。c ) 气压焊 5 0 k g m 轨 一般用2 4 根短轨， 9 3 6 0 轨： 4 8 4 6 k m2 0 0 铝热焊 铝热焊6 7 处中国 l o o1 0 k m 无缝线路用调 5 0 0 4 2 6 0 k g m 轨 节器闪光焊0 5 处 1 4 1 2 4 k i n闪光焊 8 6 5 u i c 6 0 轨 用1 8 0 m m 伸缩量的 铝热焊 6 5 2 0 0 2 3 铝热焊4 2 处 法国 7 0调节器，或2 根1 5 m u 5 0 轨 3 0 0 闪光焊闪光焊0 8 处 3 5 短轨 7 7 主要采用 铝热焊 b s l l 3 a 型 用1 0 5 m m 伸缩量的 英国 6 7 调节器，或2 根1 5 m 2 0 0 3 6 铝热焊4 1 处 少量采用 3 0 0 闪光焊闪光焊0 8 9 处 6 e 型 短轨 6 4 u i c 6 0 轨铝热焊 1 4 5 0 0 k m4 0 铝热焊3 1 处 德国 9 0用2 根3 0 m 短轨1 2 0 其余为$ 4 9闪光焊闪光焊0 7 5 处 $ 5 4 6 0 1 3 6 r e 型 铝热焊5 美国 9 4用6 根1 1 8 9 m 短轨4 4 0 闪光焊闪光焊o 0 4 6 7 6 9 5 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 p 5 0 型 3 9 6 k m累计通过总重 前苏 1 1 9p 6 5 型 用3 4 根1 2 5 m 短轨4 0 0 或8 0 0闪光焊2 0 0 t 后破损率 联 5 2 0 0 0 k i n00 6 2 p 7 5 型3 6 k m 5 0 n 5 0 t 型 新干线用2 0 0 m m 伸 闪光焊 - 4 6 2 4 k m气压焊气压焊0 9 7 处 日本 7 0缩量调节器。既有线1 5 0 一2 0 0 6 0 型铝热焊闪光焊0 8 6 处 - - 8 0 9 2 k m 用3 根2 5 m 短轨 电弧焊 由表2 1 可见：各国无缝线路都是以闪光焊方法为主，其它方法为辅铺设 无缝线路。闪光焊和气压焊接头的破损率都很低，但铝热焊接头破损率却很高， 是闪光焊接头的4 1 5 倍。通过采用同种焊接方法与设备施工、并改进预热条 件、控制焊接材料质量等措施，可有效保证连接质量。在发达国家闪光焊既用 于工厂焊长轨条，又能采用焊轨列车在现场进行钢轨或道岔的焊接，应用范围 广：而我国闪光焊目前只在工厂焊长轨条，现场通常采用气压焊、铝热焊焊接 钢轨。 2 1 1闪光焊 2 1 1 1 预热闪光焊：是一种有断续预热过程的闪光焊法。采用间断电阻 预热方式加热焊接端面，使钢轨端面温度达到预热温度后，再连续闪光完成焊 接。这种传统的焊接方法现在又有了很大发展，如采用各种方式反馈以保持预 热温度的稳定；为提高加热效率，采用次级整流、三相低频、矩形波输入等新 技术；顶锻过程采用可控方式；功率也逐步增大，有的高达1 0 0 0 k v a 以上等“1 。 2 1 1 _ 2 连续闪光焊：是一种没有断续预热过程的闪光焊法。主要特点是 采用了程序控制电压( 程控降压) 、降低二次回路阻抗、自动调节送迸速度等措 施，使闪光过程在较低电压下仍保持稳定，提高了闪光对工件的加热效率，因 而降低了功率消耗，焊接6 0 7 5 k g m 钢轨只需1 5 0 k v a 0 1 。 2 1 1 3 脉动闪光焊：9 0 年代，由巴顿电焊所库丘克一雅琛科院士在连续 闪光焊的基础上开发出来的新工艺。其焊接工艺特点是闪光颗粒十分细小，过 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 程稳定，加热效率高，热影响区窄，节能。目前焊接1 0 0 0 0 m m 2 断面钢轨仅需6 0 7 0 秒，实现了优质高效化焊接。1 。 2 1 1 4 钢轨与高锰钢辙叉的焊接：高锰钢线膨胀系数大( 约是碳钢的2 倍) ， 导热性差( 碳钢的1 3 左右) ，在与钢轨的焊接中会产生较大的焊接应力。因此， 这些物理特性就决定了碳钢与高锰钢不能直接进行焊接。国际上目前应用较为 成熟的焊接钢轨与高锰钢的方法是用奥地利奥钢联( v o e s t _ a l p i n e ) 发明并 生产的接触焊“过渡块”【6 】、法国科吉飞工业公司( c o g i f e r i n d u s t i e s ) 的过渡层两次闪光焊法。这两个公司的高锰钢辙叉产品已经批量用于铁路多年， 取得良好效果。 该方法的的材料是由一种用铌( n b ) 或钛( t i ) 稳定化处理的低碳奥氏体钢； 是一种铬镍成分构成的钢，含碳量在o 0 6 。钢中钛的含量至少相当于碳量的 5 倍，铌的含量至少相当于碳量的1 0 倍。过渡块成分中铬的含量在1 7 5 ；镍 的含量在9 5 ，其余是铁和一般铁的伴生元素【6 】。高锰钢整铸件与“过渡块” 焊接后，再和4 根耐磨钢轨用闪光焊方法焊接而成。其焊接工艺过程为： 先用奥氏体材料制成钢轨形状做过渡层( 5 0 0 m m ) ，与一节钢轨用闪光 焊方法焊起来，然后在8 5 0 0 c 左右温度下进行扩散退火约3 h ，再在空气中自然 冷却。通过扩散，使连接件和钢轨完全不同的合金浓度差达到平衡，以消除可 能形成的马氏体。 热处理后，切去多余连接件长度，只保留约2 5 m m 左右己焊好的连接 件，保留的准确长度应是与高锰钢辙叉焊接总烧化量的一半加5 1 0 m m 。 用带有过渡层的钢轨与高锰钢辙叉进行二次焊接，焊后在空气中冷却。 对焊接接头部分进行硬化处理，使整个接头部位硬度趋于一致。 在使用现场进行钢轨之间的焊接，完成整个高锰钢辙叉与钢轨的焊接。 2 1 2 气压焊 钢轨气压焊主要应用于我国铁路线路上焊接无缝线路各类型长钢轨的联 合接头，亦可进行异型钢轨接头、线路上断轨的焊接以及组成“移动式焊轨基 地”代替厂焊。传统的气压焊工艺采用定压或两段加压顶锻焊接方式焊接。目 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 前普遍采用小型移动式钢轨气压焊机、“三段加压”新工艺进行钢轨现场焊接。 h g i i 钢轨超长气压焊接机、y j 一6 6 0 型气压焊机、y h j 一型钢轨气压焊机等焊 机是其典型设备。近年来，随着小型气压焊机的机械化、自动化控制水平的不 断提高，保证焊接参数的稳定性”3 ，焊接质量得到明显改善。 y h j i v 钢轨气压焊机采用双柱导向、卧式结构，以轨底定位、轨顶螺栓预 紧，斜铁夹轨腰的定位夹紧方式并用油缸夹紧；推凸机自带动力油缸。刀体与 动力油缸连接成一体，具有体积小、刀体抗变形能力高的特点。这种设备压接 机与推凸机各自独立，能实现在不增加作业强度的基础上钢轨焊接的保压推凸， 既保证了钢轨焊接的外观质量，也保证了钢轨焊接的内在质量，从而有效降低 了断轨率，确保了无缝线路的行车安全。 y j - 6 6 0 4 4 0l d b t - z n - i 全自动数字化多功能钢轨气压焊机的新型自动控 制系统由四大部分组成”1 ：主控制箱、气体控制箱、油压转换机构及摆火机构。 该机的控制系统采用现代先进的数字化、模块化设计技术进行总体设计，具有 多种功能：工作方式可选用手动自动焊接、手动，自动正火、单旋钮或遥控等 多种方式：所有焊接参数均可在操作控制面板上以数字形式进行精确设置( 主 要包括加热器摆频与摆幅给定；三段顶锻压力给定：气体配比与流量给定与遥 控调节；焊接各阶段时间给定) ：焊接过程按程序自动完成。该机主要由压接机、 气体流量与配比智能控制与遥控模块、焊接压力自动转换控制模块、加热器摆 火控制模块、p l c 输入输出模块及控制箱组成。控制系统具有装卸、维护方便， 体积小巧，重量轻，便于移动，符合我国行业标准，性价比高，以及优质高效 焊接的明显特点，适用于钢轨现场焊接的各种工况。 2 1 3 铝热焊 广铁于2 0 0 0 年应用德国t h e r m i t 公司s k v 钢轨铝热焊技术，采用双侧顶 浇铸，短时快速预热，大剂量焊剂及自熔塞和焊瘤推除等先进工艺，焊接钢轨， 较好地提高了焊接质量，减少铸造缩孔等缺陷，特别$ 6 0 砂型消除了焊后咬边 现象。该铝热焊具有预留轨缝2 5 、5 0 、8 0 m m 可供选择，能满足不同焊缝宽度的 焊接需要，能采用多次性坩锅或一次性坩锅，并具有坩锅支架为一体的特点。 煎塑奎道盔堂亟主塑窒羔差垡迨襄 蔓! 翼 采建q p c j 钢辘锻煞焊接工艺，像涯在天缝线路锬定鞔瀵不变敬薅握下， 进行无缝线路伤损钢轨修复和应力放散，具有作业程序简单、方法易于掌握、 乍、韭久爨少、褫其轻馁、劳魂强度低、焊头努鼹平j 骧瞧好、撵头震量恶缺隆、 占用封锁时间短、扩大了作业轨温范围、不出现无缝线路应力峰、并能保证原 锬定较渥不变豹优点，薅趣长无缝线鼹黪痿损镪辕骖笈、痤力敖数窝涛普遂茏 缝线路改造为超长无缝线路，为铺设简速铁路无缝线路提供了一种理想的焊接 方法。舞在秦沈客运专线上裁大量采麓了锯燕滓按本耪德、浚霆及藿产焊翔。 计算机控制钢轨铝热焊“”，目前荷兰已有智能焊接控制系统，可获得高质 量均一豹霹头。诗算筏整裁懿餐麓簿绶系缓在焊接整个过程串送行篓灏，共懿 每个焊头的焊接参数由1 2 个通道进行时实记录。所有数据都存储在送给用户的 c d r o m 中。一般每个烊头熬爨溅阕为2 m i n 。2 0 0 0 年程联合太平洋铁薅设立了 焊接工厂，含蘑新制遗配备的智能控制系统的s c h l a t t e r 焊机，主要用于焊接 骚瑗璐浚集来懿豢杏臻头弱l 瑟辘。o r g o 铝燕辫公霹撬袋天虽滋行辫接。 2 ， 。4 电弧焊及电渣焊 除传统的手工焊外，近年来电弧焊又有一些新方法用于焊轨工程。英国 稚公司采用芬芯焊丝、明甄爨保护半彭动霹接方法进行钢轨姆接及道岔浮接， 不需焊剂和保护气体，焊前只需简单预热，焊后不需热处理，工艺简单。这种 多功能自动焊祝( 型号w a m s0 2 - t r a k ) 满轻便黧装置，舆有模块亿及多功能特点 的微电脑控制系统，可设置备种自动烬接模式，存储多个标准工艺规范；在计 算机控制面板上设置调节参数簿。“。经过英国r a i l t r a k 民用工程处、德国豹 d e u t s c h e8 a h n 和法国豳营铁路公司认证鉴定艨，已经i 】三式应用与线路铺设中， 效果好，是一种值得维广的方法。 电渣焊接法( 自动溶化焊接) 是j r 东日本在山澎新干线( 1 9 9 9 每通车) 延长工程中铺设长钢轨时所采用的一种焊接钢轨新方法。该焊接法是鞠自动溶 化焊接机在钢轨母材之间进行电渣焊，熔化爆接金属。其方法焊接时间短，假 质量尚待进一步提高。 西南交通大学硕士研究生学位论文篁6 页 采用q p c j 钢轨铝热焊接工艺，保证在无缝线路锁定轨温不变的前提下， 进行无缝线路伤损钢轨修复和应力放散，具有作业程序简单、方法易于掌握、 作业人员少、机具轻便、劳动强度低、焊头外观平顺性好、焊头质量无缺陷、 占用封锁时间短、扩大了作业轨温范围、不出现无缝线路应力峰、并能保证原 锁定轨温不变的优点，对超长无缝线路的伤损钢轨修复、应力放散和将普通无 缝线路改造为超长无缝线路，为铺设高速铁路无缝线路提供了一种理想的焊接 方法。如在秦沈客运专线上就大量采用了铝热焊技术和德、法国及国产焊剂。 计算机控制钢轨铝热焊“，目前荷兰已有智能焊接控制系统，可获得高质 量均一的焊头。计算机控制的智能焊接系统在焊接整个过程中进行监测，并把 每个焊头的焊接参数由1 2 个通道进行时实记录。所有数据都存储在送给用户的 c d r o m 中。一般每个焊头的监测间为2 m i n 。2 0 0 0 年在联台太平洋铁路设立了 焊接工厂，含重新制造配备的智能控制系统的s c m a t t e r 焊机。主要用于焊接 从现场收集来的带有接头的旧轨。o r g o 铝热焊公司提供人员进行焊接。 2 1 4 电弧焊及电渣焊 除传统的手工焊外，近年来电弧焊又有一些新方法用于焊轨工程。英国 w a 公司采用药芯焊丝、明弧自保护半自动焊接方法进行钢轨焊接及道岔焊接， 不需焊剂和保护气体，焊前只需简单预热，焊后不需热处理，工艺简单。这种 多功能自动焊机( 型号w a m sd 2 一t r a k ) 属轻便型装置，具有模块化及多功能特点 的微电脑控制系统，可设置各种自动焊接模式，存储多个标准工艺规范；在计 算机控制面板上设置调节参数等。经过英国r a i l t r a k 民用工程处、德国的 d e u t s c h eb a h n 和法国国营铁路公司认证鉴定后，已经正式应用与线路铺设中， 效果好，是一种值得推广的方法。 电渣焊接法( 自动溶化焊接) 是j r 东日本在山形新干线( 1 9 9 9 年通车) 延长工程中铺设长钢轨时所采用的一种焊接钢轨新方法。该焊接法是用自动溶 化焊接机在钢轨母材之间进行电渣焊，熔化焊接金属。其方法焊接时间短，但 质量尚待进一步提高。 质量尚待进一步提高。 嚣枣交通大学硕士研究生学位论文第7 樊 2 2 钢轨焊接设备 靖前，国内井先谶静钢鞔闪光绎橇主要寄次缓整流闪光溽税和交流闪竞霹 机两种，各有其优缺点“2 “3 。k 型焊机和g a a s 8 0 型焊机在焊机设计方颓都有许 多发展。首先，更多撼采用了恁门式袋框架式梳体l 奠掇高焊梳喇度，减少霹梳 变形。为了提离钢轨焊接接头几何精度，将夹紧与导电钳口分开，并豳单向单 点夹铺发展至l 多向多点夹镱，失紧班籍仍可调攘、啻韵对中等。近年来，辉橇 均带有自动去礁刺机构。为保证质量，一些焊机附有参数自动记录装鼹或质量 篮控装踅等。袋2 2 2 3 怒几年孛典型绎耩l 种类与健糍。 表2 2典整鞔道闵先霹梳经能 使用 类型 功率 焊接 生产率顾锻力 焊机 截藩重量 年代 ( k v a ) ( 接头时)( 吨) ( m 种)( k g ) u x 8 5 0 0 5 0 年代 5 0 0 8 0 0 0 82 05 0 0 0 ( 仿m c r w - 5 0 0 ) g a a s 一8 0 5 8 0 7 0 年代 5 4 01 0 0 0 02 05 03 5 0 0 0 ( 瑞士施拉特) g a a s - 8 0 7 0 0 8 0 年代 6 9 01 2 0 0 02 56 04 0 0 0 0 2 0 3 0 3 0 3 0 3 0 可动机架最大行程 6 59 07 0 7 07 0 ( m m ) 典型交流闪光焊机有乌克兰巴顿焊接研究所生产的k 3 5 5 a 、k 1 9 0nk 、k 9 0 0 和美国霍兰德( h o l l a n d ) 公司制造的k 3 5 5 h 型钢轨闪光焊机，主要参数( 见表 2 - - 3 ) 和特点有“： ( 1 )电功率小，焊接断面积大，体积小，重量轻，机械结构紧凑灵活， 固定式焊机适用于工厂焊接，移动式焊机便于在线路上进行钢轨接触焊接。 ( 2 )在设计上采用了并联的两台十分靠近且对称与钢轨两侧的变压器 供电，从而极大地降低了焊机的总阻抗( 电回路阻抗及短路阻抗) ，其数值为 嚣毫交透太学疆壹骚突生学蕴沦文茎g 夏 1 5 x1 0 “q ，约为一_ | l 曼接懿浮蔽瓣i 5 。竣毒 瓣额定凌率燕一般缛辘裰熬i 3 。 ( 3 ) 采爰程擦降覆法，浮孰：蓬程筵靠毫气、滚基蘧魂系统纛程守控 螽装餮给定豹焊辕工艺叁动进行，对钢软遴 亍无预热连续阕竞滓接，楚镶瓿接 头鸯羹熬臻匀，麓爨，还霞热热嚣壤枣i 3 1 2 ，疆奁了镊辘接头懿震墼。因楚 工艺炎进，节麓省毫； 葵鍪壹滚闵光簿靛畜褒翱造斡g h a s 8 0 7 0 0 羹鞠g a a s s o 5 8 0 墅簿蔽，英 薅点受沁： ( 1 )璃三程3 8 0 v 5 0 h z 熬交流逮源，逶蓬嚣缝六个共5 4 0 k v a 浮接变基 器及六只大羲搴二投謦，在次缓送嚣整滚，褥笺一个大约6 0 ，0 0 0 a 5 4 v 豹连续 壹凌邀，j 移交熬过载迄滚可这至l1 2 0 ，0 0 0 a ，供焊接镶辕爱。这襻魏绦证了毫 阚毫篷三提平衡 盐毫，镬筷宅系统尖漳受载羰枣。在浮菠宅浚酉路孛冗孚没有 无功功率，毽浮穰无蔫瓣麴无凌功率毒 缮设备，减，l 、簿接变篷器窝绩毫导线豹 裁瑟足奄。 ( 2 )鑫予采楚妻滚方式侯毫，在浮接莲程中，浮接蘩瑟上毫滚垮鸯分 毒，谴镶孰滓接蓬程阗走乎稳，没露电凌避零，焊誓不易氧纯，并缳涯燕影 薅区平行，滓缝及鑫粒缀枣逡匀，霹获褥魏嶷的浮鞔壤羞。 ( 3 )簿瓠为框粱绩麴，馒霹镪鞔戆夹繁力及颈锻力颓延镢鞔长度方蠢， 霖证锈软静溪接精度。 ( 4 ) 烽租还辫誊浮孰_ 逑程莲力( f ) 、毫滚( i ) 、整移 7 8 5 m p a | 0 ，1 5 0 。3 5 s i ) 。 u 7 1 孰：钆8 8 3 m 弘| 瑟枣交逶大学疆圭摹嚣究奎学位论文 繁 8 嚣 逶避增蠹嚣c 、m a 、s i 域蕊久羧量合金元素来 耐蘑鞔搓蓑强寝嚣藏瘗睦。( 舞p d 3 徽镊镊鞔黎锯臻 p d 3 筑：6b 9 8 0 m p a b n b r e ( 燕 b ：1 0 5 0m p a _ 镪鞔：0 7 2 0 翳e ；0 6 0 - 4 ) ，9 0 s i ) 。 u i c1 9 8 91 1 0 0 ：6b 1 0 8 0 m p a ； 丰孝葳孛都会誊镶( e f ) 等强纯笼素，且强纯元徽台金燕照瑾孰彝繇会金燕处理 裹孬| 瘗鞔素食藿较裹。( 蠡u i c1 9 8 9 孛1 1 0 0 镪号镪鞔：较是嚣密鞔，荬强度弧 0 。8 0 1 3 0 c r ) 1 2 0 0 m p a 。 c r n b ( 热羲) ： 1 1 0 5 0m p a 虢j 莲遒岔经受强爨静狰毒载芬，簧求毒手糕瓣磨毪寒，塑往、蘩经好，疲劳 寿余长。各嚣裹速线路遘岔一k 经建戆辙叉，一般都采矮褰锰钢滚叉，羹主要证 学藏分及辊藏往麓翔表2 9 。蠢锰锈廷奥氏体锈，其鑫磺、镒羹罄攫蔫。碳育 嚣令谨惩，一令是覆餐形藏蕈耀奏氏薅，舅一个是国溶强琵，隘糅 垂葛兹穰械 强度。窝锰钢经过1 0 5 0 。c 11 5 0 8 c 魏热，并绦滠一段嚣涸夔固溶处理( 繇永絮楚 瑾) ，健铸态缝缓中熬壤纯穆漆鼹并霞纯学藏分尽浚缘萄豫，然后映遮冷却( 窳 淬) 获褥单援奥氏薅组织。寒锰钢静铸态缰绥是交粪氏体、瑗位秘、繇走蒋耧 极少量懿磷共螽等缰袋。袋纯兹蘩量多露会在器赛上鞋霹裴窭疆，缓其臆一睦缀 太，经永颡楚蘧后可毅大大致善它熬瓿援遵憨，其寿蕤驽静强鞫缝，在形交道 程中客荔疆纯，疆亳了在强砖壹下兹辩瘗注麓”。枣子毫锰钢簿攘薅，又一次 经受热矮丽过程，当热热漫疫在3 0 0 。c 9 0 0 。c 嚣，裁会臻爽氏毒搴中拆塞碳诧耪分 毒予蒜器，葶致毒锰钢橇藏毪艇下降，霹接逶程中产生熬捷紊应力也会季l 发热 裂绞。掰戮，在零涅下嚣意锰钢可焊毪摄差，逶卷不麓壹接簿搜，登须采爱疆 毒l 东冷蛰蓬，或采爱穗熬方法遴雩亍连接。“ 疆蓑铜辘事砉疆霆裹强藜密方蠢发麓，钢辕黪浮接控也越来越差，嚣j 跑对锶 轻浮接设备懿要求氇赣蘧寒越褰。 嚣薅交通文学硕士囊 突生学位论文篁! ! 送 类 讫学娥分( 姒) 别碳锰硅磷硫 0 9 5 1 l ，和o 3 0 0 0 70 0 3 5 1 3 5 1 4 0 0 8 0 辙规槭性能 叉抗拉强度伸长率硬度冲击值 冷弯 6b ( m p a ) 65 ( ) ( h b s ) ak ( j c m ) 弯心直径( m m )弯心角度( 度) 7 6 33 s2 2 9 1 4 7 5 0 1 8 0 2 5 钢轨焊接通用技术条件 t b 厂r1 6 3 2 规定了铁路钢轨焊接接头平赢度和表磷质量要求；焊接接头平 点度禳袭亟质量、落锾、静弯、疲劳、拉律、冲击试验方法。 本部分适用于闪光焊接、铝热焊接、气压焊接等方法焊接钢轨。 2 5 焊接接头平直度和表面瑷量要求 2 。5 。1 。1 平壹凄爨求 轨头工作蕊1m 长度平直度允许的最大偏差应符含表2 1 0 规定。 表2 - l o 平藏度竞许豹最大编差 线路设计轨顶面蕊直方向最大偏差轨头侧面工作边水平方向最大偏差 速度 n h nm n k r r y h矗 a 2b lb 2 闪光焊接：0 3 1 2 0铝热焊接、气压 o0 。40 ，4 爆接：0 4 1 2 0 2 0 0 o 3oo 30 3 2 0 0 o 2o0 。3o 注 ：a 1 、a 2 分剐代表测鼙长度范两高出、低于钢轨母材辘顶基准面最大允许偏差。 【注2 ：b i 、b 2 分别代表测艇长度范围轨头内测工作耐凹进、凸出钢轨母材基准最大允许偏 l 。 i ：i 。 2 5 1 2 表面质嫩要求 2 5 1 3 簿接接头兹辕头王终嚣经辨形稽整君匏袭葱不平凄应满足：在簿 缝中心线两侧备1 0 0m m 范围内，表顽不平度不大于0 2m m 。轨项面及轨头侧 西南交通大学硕士研究生学位论文篁! ! 夏 面工作边母材打磨深度不应超过0 5m 。 2 5 1 4 焊接接头及其附近钢轨表面不应有裂纹、明显压痕、划伤、碰伤、 电极灼伤、打磨灼伤等伤损。 2 5 2 焊接接头平直度和表面质量检验方法 2 5 2 1 平直度检验方法 2 5 2 1 1 应在钢轨焊接接头温度低于5 0 时测量平直度。测量长度1m ， 焊缝居中。 l ol o 丁 焊缝中心丁 r 1 + _ 1 鳓 图2 - 4 测量平直度方法示意图 且 且 西南交通大学硕士研究生学位论文篁! ! 垂 2 5 2 1 2 如果测量平直度时焊接接头处于热态，考虑冷却过程的影响， 焊接接头热态下测得的平直度偏差允许高于表2 1 0 的规定，但焊接接头在环境 温度下测量的平直度偏差应符合表2 1 0 的规定。 2 5 2 1 3 平直度偏差的测量位置分别在：轨顶面纵向中心线、轨头侧面 工作边上距轨顶面1 6t r i m 处的纵向线；测量应以焊缝中心线两侧各5 0 0m i l l 位置 的钢轨表面作为基准点。 2 5 2 1 4 用检测直尺( l 0 = 1m ) 测量平直度的方法示意见图2 4 。 2 5 2 1 5 在钢轨固定式闪光焊接生产线上，应使用非接触式传感器自动 检测尺测量焊接接头平直度，其显示窗口直接显示平直度偏差，其他情况下可 以使用便携式钢轨平直度检测直尺。 2 5 2 1 6自动检测尺和检测直尺的测量误差应不大于0 0 5t o n i 。 2 5 2 2 表面质量检验方法 2 5 2 2 1 肉眼检查表面质量。 2 5 2 2 2 表面不平度检查：将2 0 0m m 长度的直尺放在经过外形精整的 焊接接头上，焊缝位于直尺中心，测量直尺与钢轨接触面间的最大距离，测量 结果为表面不平度。 2 5 3 落锤试验方法 2 5 3 1 试件 2 5 3 1 1 试件外观质量要求：平直度和表面质量应符合t b t1 6 3 2 的规 定。 2 5 3 1 2 试件应进行超声波探伤，使用探伤检查合格的试件进行落锤试 验。 2 5 3 1 3 试件长度1 2m 1 6m ，焊缝中一t 3 位于试件中央，两端锯切 加工。试件的轨头向上，平放在试验机的两固定支座上，支距lm ，焊缝居中。 2 5 3 2 试验温度 试件温度1 0 5 0 。当试验环境温度低于1 0 时，试件温度应 接近上限。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 0 页 2 5 3 3 落锤试验机 落锤试验机要求应符合t b t1 6 3 2 的规定。 2 5 3 4 试验记录 每个试件按落锤试验次序编号，编号应与焊接序号对应，记录锤击2 次 后的挠度。 2 5 4 静弯试验方法 2 5 4 1 试件 2 5 4 1 i 试件外观质量要求：平直度和表面质量应符合t b t1 6 3 2 的规 定。 2 5 4 1 2 试件应进行超声波探伤，使用探伤检查合格的试件进行静弯试 验。 2 5 4 i 3 试件长度i 2m 1 3m ，焊缝中心应位于试件中央，两端锯 切加工。试件置于支距1m 的支座上，焊缝居中，焊缝中心承受集中载荷。 2 5 4 2 试验温度 试件温度1 0 4 0 ，试验在室温条件下进行。 2 5 4 3 静弯试验机 静弯试验机应符合t b t1 6 3 2 的规定。 2 5 4 4 加载速度 压头移动速度应不大于i 0m m s ( 或：加载速率应不大于8 0k n s ) 。 2 5 4 5 试验记录 2 5 4 5 i 每个试件按静弯试验次序编号，编号应与焊接序号对应。 2 5 4 5 2 记录载荷和支距中间的对应挠度。 2 5 5 疲劳试验方法 2 5 5 1 试件 2 5 5 1 1 试件外观质量要求：焊接接头平直度和表面质量应符合t b t 1 6 3 2 的规定。 西南交通大学硕士研究生学位论文篁! ! 垂 2 5 5 1 2 试件应进行超声波探伤，使用探伤检查合格的试件进行疲劳试 验。 2 5 5 1 3 焊缝中心应位于试件中央，允许偏差1 0m m 。试件长度不应 超过支距外1 0 0m m ：最短长度应超过支距外5 0m m 。 2 5 5 1 4 试验在室温条件下进行。试件简支于试验机两支座上，轨头向 上，支距中央轨头焊缝中心处承受集中载荷。 2 5 5 2 载荷及载荷循环次数 采用脉动弯曲疲劳试验。根据钢轨型号型确定载荷，最大载荷记为f 。， 最小载荷记为f m i n 。载荷频率5h z o 5h z ，载荷比为0 2 。载荷循环次数应 从达到要求载荷时算起。 2 5 5 3 疲劳试验机及载荷计算 2 5 5 3 1 疲劳试验机应符合t b t1 6 3 2 的规定。 2 5 5 3 2 受试验设备限制可改变试件支距，最大支距1 5i l l 。不同支距 时的最大载荷按下式计算： f ：= m s 。4 w 式中： f 施加在钢轨上的载荷，单位为牛( n ) ； 仃m “最大疲劳应力，单位为兆帕( m p a ) ，闪光焊接、气压焊接最大 疲劳应力o 。为2 9 7 m p a ，铝热焊最大疲劳应力o 。为2 1 7 m p a ； 试件支距，单位为毫米( n u n ) ； 阡7 钢轨下部断面系数，单位为立方毫米( n u n 3 ) 。 2 5 6 拉伸试验方法 2 5 。6 1 焊接接头拉伸试验取样位置见图2 5 ，拉伸试样取样数量为9 个、 编号如图2 5 所示。 2 5 6 2 拉伸试样采用直径d o = 1 0m m ，1 0 = 5 d 。的比例试样。试样加工尺寸 及试验方法按g b t2 6 5 1 1 9 8 9 和g b t2 2 8 - - 2 0 0 2 规定执行。 2 5 6 3 分别记录抗拉强度和断后伸长率，将9 个试样的抗拉强度平均值 蔓塞窒壅查差壅圭堡塞兰耋焦篷窒 簦丝蒌 r m 、叛屡髂长率乎均箧a 终为试验绣鬃。 热藐链辘： 5 熬娃蓬钢鞔：a 蹿 2 。5 。7 ；审尝试验方法 挥缝巾心 攀位为毫米 r 一r 一一二二= 一一l 蚕2 畸拉姊试验取群位置 2 。s 。7 。1 簿接接头潆毒试验取样位置霆整2 - 6 ，擎壹试群取群数量梵1 2 令、 编号黧鹜2 - 6 簸示。 2 5 。7 。2 潆毒试释鸯嚣工尺寸及试验方法按g b t2 6 5 0 - - 1 9 8 9 秘g b , q 2 2 争 1 9 9 4 竣定撬嚣。v 墼蔽曩应在浮缝中心位要。 2 5 + 7 3 试验在豢滢下送行，将1 2 个试褥豹挣击疆鼓功乎稳篷a h 终菇试 验结象 亘壹奎亟盔兰堡圭堑窒圭堂焦迨窒 笺! ! 里 热轧钢轨： b = 1 5 热处理钢轨：b = 9 图2 - 6 冲击试验取样位置 焊缝中心 单位为毫米 西南交通犬学硕士酶究生学位论文差丝翼 第3 章钢辕材质对焊接质量的影晌 灰斑是无缝线路钢轨结构接触焊接头中最突出的缺陷。灰斑的存在易导致 接头静脆性断裂。霞戴，控制灰斑对谦证镶孰接触浮质量就非常重要。灰斑静 出现取决于被焊母材和施焊工艺的状况，而只有在母材状况良好的情况下才能 选择合适的工苞黼 蠹藏焊。当蹲材中成分偏析严重时，接头中就会存程较多懿 硅、锅、硫、铁的氧化物夹杂，或有不规则的带状微观组织，其焊接接头中的 灰斑就不可避免。医瑟接头羧辘往往遴不到帮颁标准，使高这无缝线路存在安 全隐患。本文难要通过对p d 3 钢轨材质的成分、组织及硬度的分析研究，找出 耪质箴分、缝绥酶不鹌匀缝与簿接矮蘩不稳定往之阁瀚关系。 3 1 试验材料及条件 近年来一道采用攀钢p d 36 0 轨生产无缝线路的长轨( 2 5 0 米) 。生产用p d 3 镪软懿主要化学成分懿表3 - 1 。长孰生产采用翦苏联k 1 9 0 nk 辫扭进行接熬焊， 其焊接工艺参数如表3 - 2 。 表3 ， p d 3 钢鞔髂主要纯学成分 台金元素 cs im nv l 含量( w t )0 7 3 q 7 50 5 5 0 8 00 8 0 - 4 3 8 90 0 6 5 - - 0 ，0 7 5 表3 - 2钢轨接触焊工艺参数 工艺参数名称参数值工艺参数名称参数缓 l 高压电压( v )3 4 0低压电流藻值( a )5 0 0 l 离压对f - j ( s ) 1 2 e遴进速度绘定蓬( d )9 0 加速烧化电压( v ) 3 4 0后退速度给定值( d )1 5 0 l 船速烧讫越趣 s ) 1 3蕊速终史速发绘定镶( d )5 0 0 l 低压电压( v ) 3 4 0带电顶锻时间( s ) 2 0 l 低压丑寸闻( s )8 0 + 9 0硬锻量( r a m )1 2 i 高压电流基值( a ) 3 0 0 试验用钢轨炉号为：p 0 2 3 0 0 0 4 0 口、p 0 t 2 0 8 7 7 2 口。将该批钢孰锯成7 0 0 m m 长的试件后，聚用随机j 由样方式选择村质分丰厅试件，用手工挫平其焊接端面， 嚣毫交逶夭学矮壹磅窕生拳位论文 蘩2 5 燹 裹疆宏蕊捡查钢孰撰叛覆土奉孝瑷麓匀瞧猿况，箕余试传送行接簸浮工艺试验。 秀了凌察了矮舔辘叛嚣在浮搂逶稳孛戆畦蠢努毒馕嚣，在试验孛入蠢安簿 了多次中途效意终壹簿接，控拜热热状态夔簿接瑟瑟，逶过统诗浮接瑟瑟上火 日太，j 、深浅程度、分毒渡嚣等客鼹羡意，分辑浮螯过程中毫滚分毒与糖虞获 况赫关系。 试验采建h d l 1 8 7 5 登疆度诗进行硬度分撰( 载蘩1 8 7 。5 鹣f ，篷哭藿径走 2 5 r a m ) ；采月c a m s z a n 电子受激镑进行鼗珏形貌与维织疆察，著逶行能谱或 分分辑。 3 。2 试验结果与分析 试验发瑗：撰簸生产孛，阉甏p d 3 掳麓在招蘑豹芏艺条停下麓簿戆接头， 按铁遂嫠邦疆标壤( t b t1 6 3 2 9 1 ) 送雩亍落锤检验缝象蘩表3 3 ，薅逶毪憝熬渡懿 洼绠大。鼹察分褥其凝疆形貌特，疰，发蕊袭源主要囊孛在羲底帮霞豹鼙霓菝褒 ( 垂3 - l ；试黪1 ) 嚣突莛亮基疆安( 溷3 - 2 ；试传3 ) 楚。瑟在该魏钢羲檬矮 整捡手工挫乎遽俘上，存分唆显夔不麓爨戆硬袭区域( 蚕3 - 3 瑟圈3 4 ) 。褥 渡馋i 、2 、3 擘为主要分羲对象，遂嚣菠分、邃绥、疆凄与接头錾西影羲怼爨 分毒厅。 表3 - 3p d 3 钢赣接盘海落镬经鹱 试锌 落锤瞧蕤( 锤重 t ，蹇3 。2 寒) 凝叠黟貌特征 编号 1 锤2 锤3 锤4 攥s 筵 2 德辩：魏藤= 煎送甄瓣 | t x ( 彀梯：试磐1 ) | 2 0 s 锤寒酝 | 3 02 锤寒鼗 1 锤蘩：鞔底孛心亮点硬区超囊 4x ( 取群：试搏3 ) 5 0? j s 锤未凝 6 3 锤寒断 了03 锤泰龋 83 锤来辩 0x2 锤凝：鞔底中心亮点硬医起裂 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 图3 1 试件1 轨底三角区灰斑x 2 0图3 2 试件3 轨底板突起亮 区硬块x 2 0 图3 - 4 母材轨底硬块区形貌 32 1 硬度分析 图3 - 3母材轨底硬块区形貌 3 l 图3 - 5 试件2 硬块区域硬度测试部位示意 3 2 1 1 在图3 3 的试件2 上按图3 5 所示部位进行硬度测量，其结果如表3 4 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文塑! 页 表3 4p d 3 钢轨材质断面轨底区的硬度分布 母材 左下侧 右下侧 测试部位 硬区 中心硬区 硬区 l 67 3524891 01 3 1 1 1 2 布氏硬度 2 4 81 7 23 4 5 超线 洛氏硬度3 02 9 2 6 54 1 53 93 6 53 33 03 5 布氏( 平均) 2 4 8 1 7 23 4 5 洛氏f 平均) 2 9 5 2 653 753 2 5 由表3 - 4 结果可以看出：中间硬块区上的2 、4 、8 、9 、1 0 、1 3 上的硬度明 显高于母材：右下侧硬区硬度略高于母材；左下侧硬区硬度反而比母材低。这 证明在整个焊接断面上材质的硬度具有明显的不均匀性。 3 2 1 2 将试样1 断口( 图3 6 ) 磨平后测量灰斑缺陷底部金属的硬度( 图3 7 ) ； 将试样2 的中间硬块区部位制成金相试件( 图3 8 ) ，测量中间硬块区部位金属 的硬度( 图3 9 ) ：结果如表3 5 。 图3 - 6 试样1 断口截面 7 1 1 图3 7试样1 硬度测量部位 i 1 。 1 2 图3 8 试件2 金相试样图3 - 9 试件2 中间硬块区硬度测量示意 亘壹奎望盔堂巫受窒圭堂焦笙塞 篁垫夏 试样号缺陷位置硬度点压痕直径 h bh b 平均值 l1 02 2 9 2 0 9 1 2 7 8 3o 9 52 5 5 靠近灰斑处 2 3 9 ，4 81 1 21 8 0 90 9 82 3 9 1 0o 9 52 5 5 40 8 53 2 l l # 断口试样 50 9 02 8 5 灰斑中心处 2 9 5 5 60 9 12 7 8 70 8 82 9 8 1 l 1 1 l1 8 4 1 20 9 72 4 4 母材处 2 2 4 2 1 30 9 62 4 9 1 40 9 42 6 0 1o 9 12 7 8 21 0 22 1 9 母材处 30 9 02 8 5 2 6 3 40 9 52 5 5 50 9 12 7 8 6 0 8 23 3 7 2 # 金相试样 70 8 23 3 7 80 8 03 6 3 中间硬块区 90 8 53 2 l 3 2 9 4 1 0o 8 82 9 8 1 1 o 8 53 2 l 1 20 8 4 3 2 9 由表3 5 结果可以看出：在试件上，灰斑缺陷的基底金属与远离灰斑的母 材金属的硬度差异很大，表明钢轨材质在整个断面上具有明显的不均匀性，其 成分与组织等微观状态的不均匀，导致各部位材料的物理、化学性能不均匀。 3 2 2 断口形貌及金相组织分析 采用扫描电镜对试样1 、试件3 进行断口形貌分析，对试件2 金相组织分 析，结果如