2005年第8期
铁 道 建 筑Railway Engineering
67
文章编号:100321995(2005) 0820067202
钢轨焊接中落锤试验的探讨
董平禹, 杨来顺
(呼和浩特铁路局焊轨段, 呼和浩特 010051)
摘要:分析落锤试验的受力、落锤试验在钢轨焊接中的意义及其在国内外的应用状况, 提出减少试验接
头数量的建议。关键词:钢轨焊接 落锤试验 应力分析
+
中图分类号:213192 文献标识码:B
;
A ———锤击面积; α——变形速率系数, 在液压锻造机上为1101—
～115, 在高速锻锤上取310;
α——与锻模结构相关的系数, 认为是常数。2—
α低时1还与工件温度相关, 工件温度高时下降、升高, 在本文实例中, 可认为α1>3～4, 即钢轨在落锤时的塑变抗力增大了3～4倍。以上计算说明以下几点:①落锤力在锤头接触到钢轨的瞬时最大, 相应内应力最大, 随后发生的弹性变形使内应力迅速衰减, 由于惯性作用, 其弹性变形量大
3
1 T B ΠT 1632—91条件中规定了60kg 钢轨焊缝落锤试验的高度,1锤不断制H 1=512m ,2锤不断制H 2=311m , 当锤头打到钢轨上, 尚未发生变形时, 有最大冲击应力σd max 为:
221Π2
σ4W +[(QL Π4W ) +6QHE AI Π41W ]d max =QL Π
式中 H ———落锤高度, H 1=520cm , H 2=310cm ;
Q ———锤头重量, Q =10kN ; L ———支点距离, L =100cm ; E ———弹性模量, E =2×10MPa ; I ———钢轨惯性矩, I =3217cm ; W ———钢轨截面模量, W =39612cm ; A ———钢轨截面积, A =77145cm 。
24
5
由此算得:H 1=520cm 时, σd max =15700MPa , 是钢轨母材σb max (=980MPa ) 的1610倍; H 2=310cm 时, σd max =12200MPa , 是钢轨母材σb max 的1214倍。随着弹性变形的迅速完成且弹性变形量比静载下更大, 落锤形成的应力迅速衰减, 冲击动应力σd 为:
31Π2
σQL ) ]Π4W d =QL [1+(1+96HEI Π
于静载时变形量。②落锤时弹性变形的响应速度极
大, 其极限可达到声波在钢中的传播速度(4982m Πs ) , 而塑性变形响应速度很小, 迟滞发生且塑形变形的抗力也大幅度上升, 说明钢轨在塑变应力这样大的情况下为什么还打不断。③落锤时钢轨的断裂是在弹性变形阶段最大应力断面上的缺陷, 大到一定程度时, 产生裂源迅速扩展的解理断裂, 它产生于弹性阶段而不是塑性变形阶段, 这与静弯时的断裂不同。
2 落锤试验在钢轨焊接中的意义
由以上的计算分析可知, 落锤试验对钢轨焊缝的金属机械性能(力学性能) 的定量检验作用不是很大的, 只注重经受的锤数而不分析断面缺陷是一种本末倒置。冲击性试验对材料的化学成分尤其是材料中的缺陷十分敏感, 我们往往通过这种试验找出缺陷, 对焊接工艺进行改进, 在钢轨焊接中, 落锤试验发现的缺陷以闪光焊为例有以下几种:①灰斑个数、形状面积及分布位置, 试验中持续的灰斑面积超限, 说明焊接工艺参数不当, 各焊厂经过多年的经验和侯启孝等提出的正交试验法, 可以改进工艺参数使其减少, 偶发性的轨底三角区的大灰斑一般是由于母材的夹杂、疏松超限所
计算得:H 1=520cm 时, σd 1=3550MPa , 是σb 的3166倍; H 2=310cm 时, σd 2=2770MPa , 是σb 的2183
倍。
在σd 作用下, 钢轨在冲击点发生塑性弯曲变形, 如果钢轨未断裂, 则锤头在击点的应力下降至1216
MPa , 即锤头在击点的静载应力远小于它在其他钢轨截面上生成的弹性应力, 锤头反弹几次后静止。
在上述动应力作用下, 由于钢轨塑性变形速率很大, 所以材料的抗力也很大, 与静载时不同, 我们引入一个金属热锻时变形抗力P 的公式来说明:
P =α1α2A Y
68铁 道 建 筑August ,2005
致。②正火的细晶化在断面上的分布对正火不透的原因进行改进。③纤维状组织外翻的深度应使深度减少, 改进焊接温度场和顶锻参数。④发现电极接触面的局部灼伤淬火及推瘤刀对钢轨的刮伤。⑤发现母材中的异常现象, 如夹渣、冷铁物、孔隙、裂纹、擦伤白层等。
历年来对钢轨落锤试验影响较大的事例及焊接工艺技术的改进有:①钢轨焊接标准T B ΠT 1632—91降低了落锤高度(60kg Πm 轨) ,1锤制516m →512m ,2锤制314m →314m 。②焊缝增加正火工艺, 特别是电感应
组25头数据合格, 反而不是围绕着缺陷的减少或消除
做工作。其实早期的实物落锤试验, 目的主要是检查材料的内部缺陷以促进工艺的改善。
从现场无缝线路的使用上讲, 有两个事例可以说明这样做是不适宜的:①平炉模铸生产钢轨时, 作为落锤的25头试验, 大家都回避使用A 段轨, 它们的失格率很高, 但在生产中还是有大量的A 段轨出厂、上线了; ②在500头周期检验中, 当落锤试验发生断一补二, 以至于再补被判合格的批次, 实际上含有若干试验不合格的焊头也上线使用了。这两种情况都未曾反馈, , 大量的是车轮、焊缝本身不平顺、波浪磨耗、轨枕空吊等的冲击, 大一点的如车辆掉道、山石滚落等。由于道床不是刚性基础, 从当量上比, 都没有1锤或2锤制的落锤那样大的冲击力, 钢轨负荷特性应是小能量多次冲击, 不能象装甲钢板或炮弹那样由一次冲击来决定合格。材料学界对小能多冲使用的工件, 不倾向用一次冲击来判定合格。
正火, 细化晶粒后提高了焊缝的基体强度, 抑制了灰斑缺陷的裂纹扩展, 补偿了缺陷的有害影响。但轨底角的正火不透, 还有待发展窄宽度双频正火(800H z , 2000H z ) 。③以PD 3出现, 定已经过于宽松, 新进口的K 系列Z 系列焊机有此功能。上海铁路局科研所已经开发出
我国的脉冲控制软件技术。⑤用正交试验法匹配优化烧化过程的工艺参数, 可减少缺陷的产生。⑥改进G 系列焊机的负载特性, 消除谐波, 加装电容使其由感性负载向阻性负载靠拢, 可抑制烧化中电流不平稳现象, 减少缺陷产生。⑦钢轨的连铸法生产使其疏松和微裂纹的可能性增加, 对落锤试验增加了变数。
总之, 我国的钢轨焊接技术由于铁道部领导的重视、引进国外先进技术、科研人员和现场工人、工程技术人员的努力, 其内在质量不低于世界先进水平。
4 国外标准情况
国外的钢轨焊接标准都未列入落锤试验。我国的钢轨焊接标准从前苏联移植过来, 现在俄罗斯标准中也取消了。这有可能是钢轨重型化后, 荷载的应力水平大大地下降了, 而国外铁路重载不多, 而且象灰斑这种缺陷, 只要不是空洞型的, 在拉伸试验中, 只使抗拉强度减少50%左右。
国外的钢轨生产厂家对钢轨成品校验时, 欧洲PRE N 标准、美国ARE MA 标准都不要求落锤试验, 日
3 落锤试验在行业中的执行情况
钢轨焊接行业标准中几种试验的应力水平, 以60
kg Πm 钢轨抗拉强度σb =980MPa , σ012=600MPa 为例, 200万次疲劳试验最大力为480kN , 相应最大应力σmax =303MPa , 约为σ2, 有两倍的安全系数。静弯012的1Π
本J IS 标准是客户要求时才做。其实如果速铸的钢胚在氢含量、夹杂物等级、裂纹和疏松轧制温度都合格的情况下, 确实没有必要做成品的落锤试验。
试验的合格值为1400kN , 相应最大弯曲应力σw max =884MPa , 约为σb 的9012%。落锤试验时的最大应力1锤制时σd max =15700MPa , 是σb 的1610倍, 其冲击应
5 结论
本文的目的是把落锤试验的实质作用解剖出来, 并不否定落锤试验在提高钢轨焊接质量上的管理作
用, 因此也不是想把该试验从标准中取消, 但认为连续25头过多了。另外灰斑的面积限定还有些宽, 因此建
力σd 1=3580MPa , 是σb 的3166倍;2锤制时σd max =12200MPa 是σb 的1214倍, 其冲击应力σd 2=2770MPa , 是σb 的2183倍。
从试验的应力水平来看, 落锤试验的合格是很困难的, 实际情况也是如此。若能通过落锤试验, 则静弯、疲劳等一般都没有问题。
在进行25m 连续落锤试验时, 当锤数合格到20个后, 如果有一个不合格, 全需重做。如此几百头做下去, 不仅造成材料、人力、物力的极大消耗, 只期望有一
议连续合格的头数减为12个, 编成为高、中、低碳, 每工种焊合3个, 另加一个高碳—高碳,1组4个, 共焊3组。灰斑单个应≤8mm , 总和应≤15mm , 且锤数与灰斑均合格才算通过, 使标准更趋于合理。
收稿日期:2005-05-10
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(责任审编 李从熹)
2005年第8期
铁 道 建 筑Railway Engineering
67
文章编号:100321995(2005) 0820067202
钢轨焊接中落锤试验的探讨
董平禹, 杨来顺
(呼和浩特铁路局焊轨段, 呼和浩特 010051)
摘要:分析落锤试验的受力、落锤试验在钢轨焊接中的意义及其在国内外的应用状况, 提出减少试验接
头数量的建议。关键词:钢轨焊接 落锤试验 应力分析
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中图分类号:213192 文献标识码:B
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A ———锤击面积; α——变形速率系数, 在液压锻造机上为1101—
～115, 在高速锻锤上取310;
α——与锻模结构相关的系数, 认为是常数。2—
α低时1还与工件温度相关, 工件温度高时下降、升高, 在本文实例中, 可认为α1>3～4, 即钢轨在落锤时的塑变抗力增大了3～4倍。以上计算说明以下几点:①落锤力在锤头接触到钢轨的瞬时最大, 相应内应力最大, 随后发生的弹性变形使内应力迅速衰减, 由于惯性作用, 其弹性变形量大
3
1 T B ΠT 1632—91条件中规定了60kg 钢轨焊缝落锤试验的高度,1锤不断制H 1=512m ,2锤不断制H 2=311m , 当锤头打到钢轨上, 尚未发生变形时, 有最大冲击应力σd max 为:
221Π2
σ4W +[(QL Π4W ) +6QHE AI Π41W ]d max =QL Π
式中 H ———落锤高度, H 1=520cm , H 2=310cm ;
Q ———锤头重量, Q =10kN ; L ———支点距离, L =100cm ; E ———弹性模量, E =2×10MPa ; I ———钢轨惯性矩, I =3217cm ; W ———钢轨截面模量, W =39612cm ; A ———钢轨截面积, A =77145cm 。
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由此算得:H 1=520cm 时, σd max =15700MPa , 是钢轨母材σb max (=980MPa ) 的1610倍; H 2=310cm 时, σd max =12200MPa , 是钢轨母材σb max 的1214倍。随着弹性变形的迅速完成且弹性变形量比静载下更大, 落锤形成的应力迅速衰减, 冲击动应力σd 为:
31Π2
σQL ) ]Π4W d =QL [1+(1+96HEI Π
于静载时变形量。②落锤时弹性变形的响应速度极
大, 其极限可达到声波在钢中的传播速度(4982m Πs ) , 而塑性变形响应速度很小, 迟滞发生且塑形变形的抗力也大幅度上升, 说明钢轨在塑变应力这样大的情况下为什么还打不断。③落锤时钢轨的断裂是在弹性变形阶段最大应力断面上的缺陷, 大到一定程度时, 产生裂源迅速扩展的解理断裂, 它产生于弹性阶段而不是塑性变形阶段, 这与静弯时的断裂不同。
2 落锤试验在钢轨焊接中的意义
由以上的计算分析可知, 落锤试验对钢轨焊缝的金属机械性能(力学性能) 的定量检验作用不是很大的, 只注重经受的锤数而不分析断面缺陷是一种本末倒置。冲击性试验对材料的化学成分尤其是材料中的缺陷十分敏感, 我们往往通过这种试验找出缺陷, 对焊接工艺进行改进, 在钢轨焊接中, 落锤试验发现的缺陷以闪光焊为例有以下几种:①灰斑个数、形状面积及分布位置, 试验中持续的灰斑面积超限, 说明焊接工艺参数不当, 各焊厂经过多年的经验和侯启孝等提出的正交试验法, 可以改进工艺参数使其减少, 偶发性的轨底三角区的大灰斑一般是由于母材的夹杂、疏松超限所
计算得:H 1=520cm 时, σd 1=3550MPa , 是σb 的3166倍; H 2=310cm 时, σd 2=2770MPa , 是σb 的2183
倍。
在σd 作用下, 钢轨在冲击点发生塑性弯曲变形, 如果钢轨未断裂, 则锤头在击点的应力下降至1216
MPa , 即锤头在击点的静载应力远小于它在其他钢轨截面上生成的弹性应力, 锤头反弹几次后静止。
在上述动应力作用下, 由于钢轨塑性变形速率很大, 所以材料的抗力也很大, 与静载时不同, 我们引入一个金属热锻时变形抗力P 的公式来说明:
P =α1α2A Y
68铁 道 建 筑August ,2005
致。②正火的细晶化在断面上的分布对正火不透的原因进行改进。③纤维状组织外翻的深度应使深度减少, 改进焊接温度场和顶锻参数。④发现电极接触面的局部灼伤淬火及推瘤刀对钢轨的刮伤。⑤发现母材中的异常现象, 如夹渣、冷铁物、孔隙、裂纹、擦伤白层等。
历年来对钢轨落锤试验影响较大的事例及焊接工艺技术的改进有:①钢轨焊接标准T B ΠT 1632—91降低了落锤高度(60kg Πm 轨) ,1锤制516m →512m ,2锤制314m →314m 。②焊缝增加正火工艺, 特别是电感应
组25头数据合格, 反而不是围绕着缺陷的减少或消除
做工作。其实早期的实物落锤试验, 目的主要是检查材料的内部缺陷以促进工艺的改善。
从现场无缝线路的使用上讲, 有两个事例可以说明这样做是不适宜的:①平炉模铸生产钢轨时, 作为落锤的25头试验, 大家都回避使用A 段轨, 它们的失格率很高, 但在生产中还是有大量的A 段轨出厂、上线了; ②在500头周期检验中, 当落锤试验发生断一补二, 以至于再补被判合格的批次, 实际上含有若干试验不合格的焊头也上线使用了。这两种情况都未曾反馈, , 大量的是车轮、焊缝本身不平顺、波浪磨耗、轨枕空吊等的冲击, 大一点的如车辆掉道、山石滚落等。由于道床不是刚性基础, 从当量上比, 都没有1锤或2锤制的落锤那样大的冲击力, 钢轨负荷特性应是小能量多次冲击, 不能象装甲钢板或炮弹那样由一次冲击来决定合格。材料学界对小能多冲使用的工件, 不倾向用一次冲击来判定合格。
正火, 细化晶粒后提高了焊缝的基体强度, 抑制了灰斑缺陷的裂纹扩展, 补偿了缺陷的有害影响。但轨底角的正火不透, 还有待发展窄宽度双频正火(800H z , 2000H z ) 。③以PD 3出现, 定已经过于宽松, 新进口的K 系列Z 系列焊机有此功能。上海铁路局科研所已经开发出
我国的脉冲控制软件技术。⑤用正交试验法匹配优化烧化过程的工艺参数, 可减少缺陷的产生。⑥改进G 系列焊机的负载特性, 消除谐波, 加装电容使其由感性负载向阻性负载靠拢, 可抑制烧化中电流不平稳现象, 减少缺陷产生。⑦钢轨的连铸法生产使其疏松和微裂纹的可能性增加, 对落锤试验增加了变数。
总之, 我国的钢轨焊接技术由于铁道部领导的重视、引进国外先进技术、科研人员和现场工人、工程技术人员的努力, 其内在质量不低于世界先进水平。
4 国外标准情况
国外的钢轨焊接标准都未列入落锤试验。我国的钢轨焊接标准从前苏联移植过来, 现在俄罗斯标准中也取消了。这有可能是钢轨重型化后, 荷载的应力水平大大地下降了, 而国外铁路重载不多, 而且象灰斑这种缺陷, 只要不是空洞型的, 在拉伸试验中, 只使抗拉强度减少50%左右。
国外的钢轨生产厂家对钢轨成品校验时, 欧洲PRE N 标准、美国ARE MA 标准都不要求落锤试验, 日
3 落锤试验在行业中的执行情况
钢轨焊接行业标准中几种试验的应力水平, 以60
kg Πm 钢轨抗拉强度σb =980MPa , σ012=600MPa 为例, 200万次疲劳试验最大力为480kN , 相应最大应力σmax =303MPa , 约为σ2, 有两倍的安全系数。静弯012的1Π
本J IS 标准是客户要求时才做。其实如果速铸的钢胚在氢含量、夹杂物等级、裂纹和疏松轧制温度都合格的情况下, 确实没有必要做成品的落锤试验。
试验的合格值为1400kN , 相应最大弯曲应力σw max =884MPa , 约为σb 的9012%。落锤试验时的最大应力1锤制时σd max =15700MPa , 是σb 的1610倍, 其冲击应
5 结论
本文的目的是把落锤试验的实质作用解剖出来, 并不否定落锤试验在提高钢轨焊接质量上的管理作
用, 因此也不是想把该试验从标准中取消, 但认为连续25头过多了。另外灰斑的面积限定还有些宽, 因此建
力σd 1=3580MPa , 是σb 的3166倍;2锤制时σd max =12200MPa 是σb 的1214倍, 其冲击应力σd 2=2770MPa , 是σb 的2183倍。
从试验的应力水平来看, 落锤试验的合格是很困难的, 实际情况也是如此。若能通过落锤试验, 则静弯、疲劳等一般都没有问题。
在进行25m 连续落锤试验时, 当锤数合格到20个后, 如果有一个不合格, 全需重做。如此几百头做下去, 不仅造成材料、人力、物力的极大消耗, 只期望有一
议连续合格的头数减为12个, 编成为高、中、低碳, 每工种焊合3个, 另加一个高碳—高碳,1组4个, 共焊3组。灰斑单个应≤8mm , 总和应≤15mm , 且锤数与灰斑均合格才算通过, 使标准更趋于合理。
收稿日期:2005-05-10
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(责任审编 李从熹)