预留打磨量和打磨温度对钢轨铝热焊接头平直度的影响

石孟雷 崔成林 冯子凌 王岩

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081）

轨道平顺性是影响行车安全和控制行车速度的重要因素［1-2］。根据现场观察，大多数原始不平顺都发生在钢轨焊接接头处［3］。因此，除了钢轨焊接接头的内在性能外，通过合理打磨控制接头平直度进而提高焊接接头的外观质量亦至关重要［4-5］。

铝热焊因为其操作简单、快捷，广泛应用于线路修复和断轨抢修中［6-7］。线路应急抢修天窗时间短，无法对铝热焊接头精磨，制约了铝热焊接头平直度的提高。接头附近不平顺会导致轮轨力异常波动，严重时轨轮间作用力可达静轮载的3 倍，一方面会大大恶化钢轨的工作状态，缩短其寿命，另一方面会促使接头向大范围不平顺发展［8-9］。

本文针对侯月线贝氏体钢轨试验段内铝热焊接头焊缝低塌的问题，通过试验分析轨顶焊筋预留打磨量、终打磨温度对铝热焊接头焊后平直度的影响，优化铝热焊打磨工艺参数，以避免焊缝低塌。

1 铝热焊接头焊缝低塌原因

选取侯月线K0+80—K2+80 试验段内铝热焊接头，焊接后第2 d 使用SEC-RC 电子平直仪测量接头平直度，发现个别接头焊缝低塌，而且平直度曲线与磨耗引起的低塌有明显不同。

1.1 磨耗引起的接头低塌

选取侯月线服役一段时间后，由于磨耗不同引起焊缝低塌的铝热焊接头，使用里氏硬度计沿钢轨纵向对其进行硬度测试，测试范围为焊缝中心两侧各150 mm，测点间隔5 mm；使用SEC-RC 电子平直仪测量该接头的平直度。测量结果见图1。

图1 低塌接头的硬度及平直度曲线

从图1可见：焊缝及软化区的硬度低于母材，软化区硬度最低；接头附近的硬度曲线与平直度曲线相关性较强，硬度较低的焊缝及软化区相对于母材低塌，沟壑状明显。接头各个位置的磨耗量与硬度密切相关，服役过程中硬度较低的焊缝及软化区磨耗量大于母材，随着服役时间延长，接头逐渐低塌，且硬度最低的软化区低塌最严重。

这种由接头各个位置磨耗量不同引起的接头低塌可以通过提高接头内部质量及调整硬度分布来改善［10］。在不改变接头耐磨性的情况下，通过适当的打磨方法使接头最高点偏标准上限可以延缓焊缝低塌的出现时间。

1.2 打磨温度引起的接头低塌

使用SEC-RC 电子平直仪测量试验段内2 种铝热焊接头焊后第2 d的平直度，测量结果见图2。

图2 焊后第2 d接头的2种平直度曲线

由图2 可见，2 种接头距离焊缝中心150 mm 外的平直度曲线基本为一条直线，仅上拱度略有差异。距离焊缝中心150 mm 以内，接头a 为一条平滑的曲线，最高点在焊缝中心，是理想的平直度曲线；接头b的焊缝低塌，接头最高点位于母材上，这种不平顺会恶化接头的服役条件，应该尽量避免。

铝热焊剂反应后钢水温度可以达到2 000 ℃以上［11］，焊接时有大量热输入，导致接头沿钢轨纵向温度梯度大，冷却过程中焊缝收缩量大于母材。天窗作业时由于受时间限制，有时终打磨后接头温度远高于室温，随后冷却过程中焊缝继续收缩，从而导致焊缝中心下凹，呈现接头b 的平直度曲线特征。这种由打磨引起的焊缝低塌可以通过改进打磨工艺避免。

2 初打磨时预留打磨量的计算

初打磨时接头温度过高或轨顶焊筋预留量不足，终打磨时焊缝处已经低塌，必须加大向下的打磨量、增加打磨范围，才能消除焊缝处的低塌。当焊缝低塌较大时，打磨量也相应增加，打磨后难以满足接头最高点偏标准上限的要求。为了避免这种情况，初打磨时应为终打磨预留充足的打磨量。

使用60 kg/m 级U71Mn 钢轨进行铝热焊试验，选用ZTK-I 型铝热焊剂及配套焊接用品，轨缝30 mm，起拱量2 mm，焊1 个铝热焊接头。推瘤结束立即初打磨，使用HE-P 手持红外测温仪测量轨头侧面温度，测得温度为750 ℃。假设焊缝不受母材约束，上下两端同时自由收缩，焊缝上端收缩量h1为

式中：L0为钢轨高度；α为钢轨线膨胀系数；ΔT为温度差。

以初打磨后的焊缝温度为初始温度，室温为终止温度，按式（1）计算可得，焊缝上端最大收缩量为0.76 mm。由于焊缝金属受周围金属制约，冷却时焊缝不能自由收缩，所以实际收缩值小于0.76 mm。

为了使终打磨后的接头最高点偏标准上限，初打磨后应预留一定的高度余量h2。现场焊接时由于受轨道应力、轨温、线路状况等因素影响，即使起拱量相同，接头在冷却至室温后，上拱度也会有微小差异。如图3 所示，若接头冷却至室温时上拱度为0，初打磨后预留0.3 mm 的高度余量可以满足终打磨后接头最高点偏标准上限的要求。若接头冷却至室温时上拱度在0～0.3 mm，适当增加打磨量即可。

图3 焊缝打磨示意

初打磨和终打磨均使用仿形打磨机对轨头进行打磨，打磨人员操作手法不同也是影响接头平直度的原因之一。除需预留h1和h2外，还需预留一定的打磨余量h3。综上所述，初打磨时预留打磨量H应为

本试验使用的仿形打磨机进给精度为0.2 mm，预留0.2 mm 的打磨余量可以提高打磨容错率。H=0.76＋0.3＋0.2=1.26 mm。即现场焊接时初打磨后轨顶焊筋应预留1.3 mm 以上的打磨量。根据线路条件和施工人员水平可以对预留打磨量进行微调。

3 终打磨温度对焊缝平直度的影响

使用相同焊接材料及工艺，焊接5个铝热焊接头。推瘤后进行初打磨，预留打磨量为1.3 mm。当焊缝中心温度降低至500，400，300，200 ℃和室温时进行终打磨，打磨轨顶焊筋至平顺，打磨范围600 mm。当焊缝中心温度降低至室温后，使用SEC-RC 电子平直仪测量接头平直度，测量结果见图4。

图4 不同终打磨温度时接头的平直度曲线

由图4 可见：①终打磨温度200 ℃的接头与终打磨温度为室温的接头平直度曲线特征相同，为一条平滑的曲线，最高点位于焊缝中心，说明终打磨温度低于200 ℃时不会出现焊缝低塌。②终打磨温度为500，400，300 ℃时，接头冷却至室温后，焊缝中心附近出现不同程度的低塌。终打磨温度越低，接头冷却至室温后低塌范围越小。

接头最高点与低塌范围内最低点的高度差称为焊缝低塌量。焊缝低塌量与终打磨温度的关系曲线见图5。可知，终打磨温度为500，400，300 ℃时焊缝低塌量分别为0.36，0.11，0.04 mm。焊缝低塌量随着终打磨温度降低而减小。低塌量减小幅度随着终打磨温度降低而逐渐减缓。终打磨温度低于300 ℃时焊缝低塌量变化较小。

图5 焊缝低塌量与终打磨温度的关系曲线

以推瘤结束为时间起点，测量冷却过程中接头纵向温度，测量结果见图6。

图6 接头纵向温度分布

由图6 可见，随时间推移接头纵向温度变化幅度较小。终打磨温度越低，焊缝中心温度降低至室温时其收缩量与热影响区的收缩量相差越小，则焊缝低塌量越小。

现场焊接时，焊缝温度低于200 ℃进行终打磨可以避免接头焊缝低塌。天窗作业时终打磨温度应低于300 ℃，或者推瘤后40 min进行终打磨。

4 实际应用

天窗作业时，采用“初打磨+终打磨”的方式打磨2个铝热焊接头。焊后第2 d使用SEC-RC 电子平直仪测量接头平直度，测量结果见图7。可见，采用“初打磨+终打磨”方式打磨的铝热焊接头焊缝无低塌，2 个接头高度有微小的差异，均在0.3 mm左右。

图7 “初打磨+终打磨”方式打磨的接头平直度曲线

5 结论

1）焊接60 kg/m 钢轨铝热焊接头时，初打磨不应将轨顶焊筋打磨平顺，应预留1.3 mm以上的打磨量。

2）终打磨温度越低焊缝低塌量越小，焊缝低塌量减小幅度随终打磨温度降低而逐渐减缓。

3）终打磨温度为300 ℃时焊缝低塌量较小；终打磨温度低于200 ℃时焊缝无低塌现象。

4）采用“初打磨+终打磨”的打磨方式可以避免铝热焊接头焊缝低塌。