槽型钢轨闪光焊接头与铝热焊接头的性能试验研究

李京增，胡玉堂，田 甜，李金华

(1.苏州高新有轨电车有限公司，江苏苏州 215011;2.中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081)

槽型钢轨是铺设于城市有轨电车轨道中的一种钢轨［1］。关于槽型钢轨的焊接，目前国内通常采用闪光焊和铝热焊两种焊接方法。一般对于普通铁路、高速铁路、城市地铁、轻轨等钢轨的焊接，闪光焊接头的性能均优于铝热焊接头［2］。对于在城市有轨电车轨道上使用的槽型钢轨采用闪光焊和铝热焊的效果，本文进行了试验研究。试验选用59R2型槽型钢轨，分别采用闪光焊和铝热焊两种焊接方法焊接一定数量的焊接接头，并对这两种焊接接头的力学性能进行测试和分析［3-5］。

1 试验内容

1.1 静弯性能

静弯试验的支距为1.0 m，焊缝居中，焊缝中心承受集中荷载，在接头处加载至其断裂。对闪光焊和铝热焊分别测试5根焊接接头试件，其中4根轨头受压，1根轨头受拉，试验结果见表1。

从表1可以看出，闪光焊接头在轨头受压的静弯试验条件下，接头平均破坏荷载为1 236 kN，大于闪光焊接头的1 139 kN，轨头受拉的试验条件下两种焊接方法的接头破坏荷载相近。试验表明，在轨头受压的条件下闪光焊接头的抗压能力高于铝热焊接头。

1.2 疲劳性能

铝热焊接头疲劳试验支距为1.0 m，最小加载荷载Fmin=60 kN，最大加载荷载Fmax=300 kN;闪光焊接头疲劳试验支距为1.4 m，Fmin=67 kN，Fmax=335 kN。荷载作用于支距中央的焊缝处，轨头向上。试验频率f为5 Hz，应力循环系数r为0.2。

按照上述试验条件，分别对3根铝热焊接头试件和3根闪光焊接头试件进行试验。试验结果表明，铝热焊接头经历频率5 Hz，2×106次疲劳试验仍未断裂;闪光焊接头在疲劳载荷明显高于铝热焊的情况下，经历频率5 Hz，2×106次疲劳试验也未断裂。

1.3 拉伸性能

对铝热焊及闪光焊接头试件取样进行拉伸试验，分别在轨头、轨腰、轨底各取3个拉伸试样，测试其平均屈服强度Rm和断后伸长率A。焊接接头拉伸试样直径为6 mm，试样标距为30 mm。试验结果见表2。

表2 焊接接头拉伸试验结果

从接头的拉伸试验结果可以得到，闪光焊接头的平均屈服强度为1 015 MPa，高于铝热焊接头的844 MPa;闪光焊接头断后伸长率为5.0%，高于铝热焊接头的2.1%。

1.4 硬度

1)焊缝硬度

对铝热焊接头试件取样测试焊缝硬度。焊缝硬度试验在轨顶面焊缝中心横向位置进行，检测3点布氏硬度，计算平均硬度值，记为焊缝硬度;在焊缝左右两侧母材上分别检测3点，计算平均硬度值，记为母材平均硬度HP。检测结果见表3。

表3 铝热焊接头轨顶面硬度测量结果 HB

由表3可见，母材平均硬度HP=298 HB，焊缝硬度HJ=288 HB，接头硬度与母材之比 HJ/HP=96.6%。

对闪光焊接头试件取样测试轨顶面布氏硬度，焊缝处记为0点，向焊缝两侧每隔7.5 mm测量一点，检测结果见表4，可见母材平均硬度HP=310.7 HB。焊缝硬度HJ为305.5 HB，HJ/HP=98.3%。

从焊接接头的轨顶面硬度试验得到，闪光焊接头的硬度与母材的硬度比率为98.3%，高于铝热焊接头的96.6%。试验表明，与铝热焊接头相比闪光焊接头硬度与母材硬度更接近。

2)软化区宽度

对铝热焊接头试件取样测试软化区宽度。取焊接接头纵向断面，在一条距轨顶面4 mm宽的纵向线上检测洛氏硬度，从两侧熔合线开始逐渐延伸至未受热影响的母材20 mm处，测点间距为2 mm，采用HRC标尺。

表4 闪光焊接头轨顶面硬度测量结果 HB

硬度测量结果见图1。在未受影响的钢轨母材上测量不少于10点，计算其平均硬度，以直线的形式标在硬度曲线图上，见图1中线1。将线1向下平移1.5 HRC，即得到软化区宽度测量线，见图1中线2。可见，两侧软化区宽度W≤20 mm。

图1 铝热焊洛氏硬度测量结果

对闪光焊接头试件取样测试纵断面洛氏硬度，焊缝两侧每隔5 mm测量一点。利用硬度值绘制硬度曲线和0.95HP水平线，见图2，则可得软化区宽度W≤20 mm。

上述两种接头的软化区宽度测试结果表明，铝热焊接头的软化区宽度小于闪光焊接头。

1.5 显微组织

对铝热焊接头试件取样测试显微组织，试验结果见图3，可见焊缝和热影响区显微组织为珠光体和少量铁素体，未见异常组织。闪光焊接头金相组织试验结果见图4，可见焊缝和热影响区显微组织为珠光体和少量铁素体，亦未见异常组织。

图2 闪光焊洛氏硬度测试曲线

图3 铝热焊显微组织

图4 闪光焊显微组织

从上述两种焊接接头的金相组织照片可以看到，闪光焊接头的晶粒组织要细于铝热焊接头组织。

2 结论与建议

1)在轨头受压的条件下闪光焊接头的抗压能力要高于铝热焊接头。

2)闪光焊在疲劳荷载比铝热焊高的情况下，经历频率5 Hz，2×106次疲劳试验焊接接头仍不断裂。

3)闪光焊接头的屈服强度及断后伸长率都要高于铝热焊接头。

4)闪光焊接头硬度比铝热焊接头硬度更接近母材，闪光焊和铝热焊接头的软化区宽度均≤20 mm。

5)两种焊接方法的焊缝和热影响区的显微组织为珠光体和少量铁素体，未见异常组织。闪光焊接头的晶粒组织要细于铝热焊接头组织。

综上可见，闪光焊接头性能明显优于铝热焊。为了提高建设工程的施工质量，保障车辆的营运安全，建议在城市有轨电车的建设项目中应尽可能使用闪光焊方法焊接槽型钢轨。

［1］于禹夫，方力.现代有轨电车交通系统及其车辆的技术定位［M］.机电设备与监控，2003:43-47.

［2］丁韦，刘艳红，黄辰奎，等.国内外铁路钢轨焊接标准接头力学性能检验方法对比分析［J］.铁道技术监督，2006(7):4-6.

［3］李欢，陈春秋.钢轨铝热焊接技术在高速铁路上的应用［J］.铁道建筑，2012(3):118-120.

［4］俞喆，张银花，周清跃.U75V钢轨移动闪光焊焊后热处理工艺研究［J］.铁道建筑，2012(10):130-132.

［5］中华人民共和国铁道行业标准.TB/T 1632— 2005 钢轨焊接［S］.北京:中国铁道出版社，2008.