箱式焊軌車焊接落錘試驗(yàn)的探討

1、    箱式焊軌車焊接落錘試驗(yàn)的探討    李賡茂【摘 要】箱式焊軌車型式檢驗(yàn)，分析落錘試驗(yàn)的受力，落錘試驗(yàn)在閃光焊接中的意義及在國內(nèi)的應(yīng)用情況，提出減少鋼軌試件數(shù)量的建議?！娟P(guān)鍵詞】鋼軌焊接；落錘試驗(yàn)；應(yīng)力分析1 落錘試驗(yàn)在鋼軌焊接中的意義落錘試驗(yàn)對(duì)鋼軌焊縫的金屬機(jī)械性能（力學(xué)性能）的定量檢驗(yàn)作用不是很大的，只注重經(jīng)受的落錘數(shù)量而不分析斷面缺陷是一種本末倒置。沖擊試驗(yàn)對(duì)材料的化學(xué)成分尤其是材料中的缺陷十分敏感，我們往往通過試驗(yàn)找出缺陷，改進(jìn)焊接工藝，在鋼軌焊接中，落錘試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的缺陷。閃光焊有以下幾種：灰斑個(gè)數(shù)、形狀面積及分布位置，試驗(yàn)中持續(xù)的灰斑面積超

2、限，說明鋼軌焊接工藝的參數(shù)不當(dāng)，路內(nèi)焊接行業(yè)提出的正交試驗(yàn)法，可以改進(jìn)工藝參數(shù)使其減少，偶發(fā)性的軌底三角區(qū)大灰斑一般是由于母材的夾雜、疏松超限所致；正火的細(xì)晶化在斷面的分布對(duì)正火不透的原因進(jìn)行改進(jìn)；纖維狀組織外翻的深度應(yīng)盡量減少，改進(jìn)焊接溫度場(chǎng)和頂鍛參數(shù)；發(fā)現(xiàn)電極接觸面的局部灼傷淬火及推瘤刀對(duì)鋼軌的刮傷；發(fā)現(xiàn)母材中的異?，F(xiàn)象，如夾渣、冷鐵物、孔隙、裂紋、擦傷白層等。歷年來對(duì)鋼軌落錘試驗(yàn)影響較大的事例及焊接工藝技術(shù)的改進(jìn)的有：焊縫增加正火工藝，特別是電磁感應(yīng)正火，細(xì)化晶粒后提高了焊縫的基本強(qiáng)度，抑制了灰斑缺陷和裂紋擴(kuò)展，降低了缺陷的有害影響，但軌底角的正火不透，還有待發(fā)展窄寬度雙頻正火（800/

3、2000hz）。以u(píng)75mn為代表的高強(qiáng)耐磨高錳的出現(xiàn)，使其焊縫對(duì)缺陷更加敏感，現(xiàn)行對(duì)灰斑面積的限定已經(jīng)過于寬松，實(shí)踐中應(yīng)使更小才行。交流脈沖閃光焊能有效地減少焊接灰斑缺陷，新的k系列焊機(jī)有此功能，常州鐵路研究所已經(jīng)開發(fā)出的箱式焊軌車焊接控制系統(tǒng)。2 落錘試驗(yàn)的受力分析中國鐵道行業(yè)鋼軌焊接接頭技術(shù)條件中規(guī)定了60kg/m鋼軌焊縫試驗(yàn)的高度，1錘不斷制（h1=5.2m），2錘不斷制（h2=3.1m），當(dāng)錘頭撞擊到鋼軌上，尚未發(fā)生變形時(shí)，有最大沖擊應(yīng)力dmax為：bmax=ql/4w+（ql/4w）2+6qheai/41w21/2式中：h落錘高度，h1=520cm，h2=310cm；q錘頭重量，q

4、=10kn；l支點(diǎn)距離，l=100cm；e彈性模量，e=2×10mpa；i鋼軌慣性矩，i=3217cm4；w鋼軌截面模量，w=396.2cm3；a鋼軌截面積，a=77.45cm2。由此算得：h1=520cm時(shí)，dmax=15700mpa，是鋼軌母材dmax（=980mpa）的16.0倍；h2=310cm時(shí)，dmax=12200mpa，是鋼軌母材的12.4倍。隨著彈性變形的迅速完成且彈性變量比靜載下更大，落錘形成的應(yīng)力迅速衰減，沖擊應(yīng)力d為：d=ql1+（1+96hei/ql3）1/2/4w計(jì)算得：h1=520cm時(shí)，d1=3550mpa，是b的3.66倍；h2=310cm時(shí)，d2=2

5、770mpa，是b的2.83倍。在d作用下，鋼軌在沖擊點(diǎn)發(fā)生塑性彎曲變形，如果鋼軌未斷裂，則錘頭的在擊點(diǎn)的應(yīng)力下降至12.6mpa，即錘頭在擊點(diǎn)的靜載應(yīng)力遠(yuǎn)小于它在其他鋼軌截面上生成的彈性應(yīng)力，錘頭反彈幾次后靜止。在上述動(dòng)應(yīng)力作用下，由于鋼軌塑性變形速率很大，所以在材料的抗力也很大，在靜載時(shí)不同，我們引入一個(gè)金屬熱鍛時(shí)變形抗力p的公式來說明：p=12ay式中：y靜載變形壓力；a錘擊面積；1變形速率系數(shù)，在液壓端在機(jī)上為1.01.5。在高速鍛錘上取3.0；2在鍛模結(jié)構(gòu)相關(guān)的系數(shù)，認(rèn)為是常數(shù)。1還與工件溫度相關(guān)，工件溫度有關(guān)，工件溫度高時(shí)下降、低時(shí)升高，本文實(shí)例中，可認(rèn)為1>34，即鋼軌在落

6、錘時(shí)的塑變抗力增大了34倍。以上計(jì)算說明以下幾點(diǎn)：落錘力在錘頭接觸到鋼軌的瞬時(shí)最大，相應(yīng)內(nèi)應(yīng)力最大，隨后發(fā)生的彈性變形使內(nèi)應(yīng)力迅速衰減，由于慣性作用，其彈性變形量大于靜載時(shí)變形量。落錘時(shí)彈性變形的響應(yīng)度極大，其極限可達(dá)到聲波在鋼軌中的傳播速度（4982m/s），塑性變形響應(yīng)速度很小，遲滯發(fā)生且塑性變形的抗力也大幅度上升，說明鋼軌在塑變應(yīng)力這樣大的情況下為什么還打不斷。落錘時(shí)鋼軌的斷裂是在彈性變形階段最大應(yīng)力斷面上的缺陷，當(dāng)應(yīng)力增大到一定程度時(shí)，產(chǎn)生裂源迅速擴(kuò)展到斷裂，它產(chǎn)生于彈性階段而不是塑性變形階段，這與靜彎實(shí)驗(yàn)的疲勞斷裂不同。3 落錘試驗(yàn)的執(zhí)行情況從試驗(yàn)的應(yīng)力水平來看，落錘實(shí)驗(yàn)的合格是很困

7、難的，實(shí)際情況也是如此。若能通過落錘試驗(yàn)，則靜彎、疲勞等大概率是沒有問題。在進(jìn)行15個(gè)試頭連續(xù)落錘試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)連續(xù)合格10個(gè)后，如果有一個(gè)不合格，全部需要重做。如此幾百個(gè)試頭做下去，不僅造成材料、人力、物力的極大消耗，只期望有一組15個(gè)試頭數(shù)據(jù)合格，反而不是圍繞缺陷的減少或消除做工作。落錘試驗(yàn)的本質(zhì)是檢查材料內(nèi)部缺陷從而促進(jìn)焊接工藝的改善。實(shí)際上，鋼軌在使用中受到的沖擊，大量的是車輪踏面擦傷不圓，焊縫本身不平順、波浪磨耗、軌枕空吊等因素的沖擊，大一點(diǎn)的如車輛掉道，山石滾落等自然因素。由于道床不是剛性基礎(chǔ)，從當(dāng)量上比，都沒有1錘或2錘的落錘那樣大的沖擊力，鋼軌負(fù)載荷應(yīng)是小能量多次沖擊，不能象裝鋼板或炮彈那樣由一次沖擊來決定合格。材料學(xué)對(duì)小能多沖使用的工件，不傾向用一次沖擊標(biāo)準(zhǔn)來判定合格。4 結(jié)論本文的目的是把落錘試驗(yàn)的實(shí)質(zhì)作用解剖出來，并未否定落錘試驗(yàn)在提高鋼軌焊接質(zhì)量上的管理作用，因此也不是想把試