贾 春，戴 虹，汪鹏举，钟 元，李正浩

（1.西宁工务机械段，青海西宁810006；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

钢轨现场焊打磨工艺对接头质量的影响

贾 春1，戴 虹2，汪鹏举2，钟 元2，李正浩2

（1.西宁工务机械段，青海西宁810006；2.西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

针对无缝线路换铺工程中的钢轨焊接接头踏面上出现的纵向裂纹问题，采用现代材料分析方法分析该类裂纹的特征和组织形貌；采用数控钢轨仿形精磨机进行打磨工艺的模拟对比试验，探讨该类裂纹的形成原因。结果表明，纵向裂纹的产生原因是焊后打磨操作违规导致焊接接头轨顶面打磨发蓝，形成了薄壳状马氏体硬化层，在列车车轮碾压作用下形成了沿纵向的表面裂纹，致使钢轨接头损伤。打磨压力越大，砂轮硬度越高，焊头表面越容易发生打磨发蓝现象。

钢轨焊接接头；表面裂纹；马氏体硬化层；打磨工艺

0 前言

在无缝线路换铺施工工程中，钢轨现场焊接完成后，接头都需要经过打磨或精磨工序才能满足《钢轨焊接》TB/B1632标准要求的平顺性。打磨工序和打磨工艺是保证焊接接头质量的最终环节。

在实际工程中，发现有的焊接接头踏面出现了沿钢轨纵向的表面裂纹，给线路安全带来隐患。本研究采用现代材料分析方法和打磨工艺的模拟对比实验方法，针对该类裂纹的形貌特征、形成条件以及开裂机理进行研究，对现场焊接施工过程中如何有效防止或杜绝产生该类裂纹、保证焊接接头质量提出了有效措施。

1 试验条件

1.1 伤损钢轨焊接接头

换铺采用的钢轨为包钢U71Mn热轧60 kg/m轨。其伤损接头如图1所示，裂纹沿着钢轨纵向

分布，开裂区域35 mm×8 mm，在该区域内有明显的垂直于裂纹方向的砂轮打磨痕迹。

图1 伤损钢轨焊接接头纵向裂纹形貌

1.2 打磨试验设备

打磨试验设备采用数控钢轨仿形精磨机，该机可以对钢轨进行仿形打磨，打磨压力可以检测和控制[2]。该机采用的砂轮外型与通用仿形打磨机一致。

1.3 打磨试验条件

选用两种工程中通用的打磨砂轮，其特性参数如表1所示（其中砂轮2#的粒度粗、硬度高）。打磨试验采用攀钢60 kg/m U71Mn气压焊接头。打磨工艺为：打磨压力50～700 N、打磨时间2～25 s，观察表面发蓝和硬化程度。

表1 对比试验用砂轮的特性参数

1.4 分析测试设备

采用蔡司Axio Observer A1m体视显微镜观察裂纹低倍特征；采用OU1200里氏硬度计测试轨顶面的硬度；采用HVS-30维氏硬度计测试硬化层和母体硬度；采用JSM-9600LV型扫描电镜观察组织。

2 损伤接头观察结果分析

2.1 低倍观察

损伤接头裂纹低倍特征形貌如图2所示（硬化层深度小于等于561 μm），可见裂纹区域的钢轨踏面有最大深度为0.561 mm的硬化层，裂纹位于硬化层中平直开裂，当扩展到母体时发生弯曲。

图2 损伤接头裂纹特征形貌

2.2 硬度测试

裂纹区域的硬化层和母体的维氏显微硬度压痕特征如图3a所示，硬度如图3b所示，可见硬化层硬度远远高于母体硬度。

图3 硬化层和母体硬度压痕及硬度值对比

2.3 扫描电镜观察

如图4所示，在硬化层内的组织为针状马氏体（见图4a），母体内的组织为片状珠光体（见图4b），纵向裂纹呈现出沿着硬脆的针状马氏体区扩展的趋势特征[1]（见图4c～图4f）。

2.4 损伤接头纵向裂纹产生原因分析

目前，我国全路钢轨焊接接头焊后打磨都采用仿形打磨机，如图5所示。

该设备完全是手动工作方式，由人工操作完成打磨作业，砂轮的往复运动由人手推行机架，仿形角度由手控机架倾斜角度，手动调节进给手柄控制打磨压力。打磨质量完全依赖于操作人员的作业水平，经常发生手控砂轮进给量过大，导致打磨压力过大，很难实现打磨过程的精确控制，尤其在天窗时间结束前或在夜间施工时，常常发生压力过大、长

时间停留等违规操作，容易导致打磨轨面局部温度急剧升高，超过奥氏体相变温度，同时在相邻金属的快速冷却作用下，在高温打磨发蓝区域表面产生高碳马氏体的硬脆相组织，形成硬化层，在线路开通后，列车通过时车轮碾压焊头发蓝区，马氏体硬化层就不可避免地产生开裂，因此表现为该处焊接接头轨顶面过早出现裂纹重伤。

图4 扫描电镜下观察到的损伤接头裂纹特征形貌

图5 通用仿形打磨机打磨钢轨示意

3 打磨对比试验结果

为了模拟人工操作仿形磨时的施力条件，根据打磨原理，通过控制砂轮进给量，实现钢轨轨面上的打磨压力控制。在此选择打磨压力、砂轮类型和打磨时间等工艺参数，固定轨顶面打磨位置，进行打磨工艺模拟对比试验。

3.1 打磨时间与发蓝程度的关系

调整打磨工艺（进给压力F=250 N，t1=10 s，t2= 12 s，t3=15 s，t4=20 s），获得的不同程度的钢轨轨顶面发蓝特征如图6所示。在打磨压力不变的条件下，发蓝程度随打磨时间的增长而加重。

图6 不同打磨时间条件下的发蓝程度特征

3.2打磨压力与发蓝时间的关系

记录打磨压力与轨顶面发蓝时间，绘制打磨压力和发蓝时间变化曲线，如图7所示。曲线的右上方为发蓝区，左下方为未发蓝区。

图7 打磨压力与轨面发蓝时间的关系

由图7可知，随着打磨压力的增大，钢轨越容易打磨发蓝，为了避免发蓝，打磨压力的设定应在未发蓝区域。

3.3 砂轮种类与发蓝的关系

砂轮硬度是指磨粒在外力作用下从磨具表面脱落的难易程度，是影响磨削区温度的重要因素，是影响打磨质量的关键因素。砂轮粒度直接影响工件表面粗糙度及磨削效率，打磨钢轨时常用的砂轮粒度为16#～24#。选用表1中2#和1#两种不同规格的砂轮进行打磨对比试验，结果如图8和图9所示。

图8 打磨砂轮类型、压力与发蓝时间关系曲线

图9 打磨压力与硬度值的关系

打磨砂轮硬度越高，打磨压强越大，其打磨发蓝时间越短，对应打磨的轨顶面硬度值越高。

3.4 发蓝程度与硬度的关系

对不同发蓝程度的轨顶面进行硬度测试，结果如图10所示。可见，随着打磨发蓝程度的加重，发蓝区域的硬度值越来越高，远远高于母材硬度，与损伤接头试件的硬度水平相符（本研究以发蓝1程度作为钢轨打磨发蓝的判断依据）。

图10 发蓝程度与轨顶面硬度变化关系

4 结论

（1）采用仿形打磨机打磨钢轨时，打磨压力越大，砂轮硬度越高，焊头表面越容易打磨发蓝。

（2）损伤接头纵向裂纹的产生原因是焊后打磨时，打磨压力过大，砂轮选择偏硬，同一位置打磨停留时间过长，在踏面上形成了薄壳状的马氏体硬化层后，在列车车轮碾压条件下形成沿纵向表面裂纹，属焊后打磨操作违规所产生的钢轨损伤。

（3）现场焊接进行焊后打磨作业时必须严格控制打磨工艺，尽量选用硬度较低的砂轮，推荐选用数控仿形精磨机进行打磨作业，能有效防止打磨发蓝，保障线路安全。

[1]邹定强.钢轨失效分析和伤损图谱[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[2]戴虹，李永鹏，黄正中，等.一种移动式钢轨焊接接头仿形精磨机[P].中国专利.专利号：202411982U.2011.12.3.

Influence of grinding procedure for the quality of rail field welded joint

JIA Chun1，DAI Hong2，WANG Pengju2，ZHONG Yuan2，LI Zhenghao2
（1.Xining Ngineering Mechanical Section，Xining 810006，China；2.School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

For the problem of longitudinal crack has appeared on the rail surface when laying continuously welded rails（CWR），this article analyzes the characteristic and structure morphology of the cracks by the modern methods for material analysis.The simulation contrasts test for the grinding procedure has been done to discuss the factor of forming such cracks with the CNC rail profiling refiner. The result shows that the incorrect grinding operation after welding，which causes the top surface of the welding joint to become blue and form the hardened layer of the thin martensite，and then the longitudinal crack forms on the surface under the pressure from the train wheels causing the damage to the joint.That is why the longitudinal crack appears.The greater the pressure is，the higher hardness will be，the more chance of becoming blue.

rail welding joint；surface crack；hardening layer of martensite；grinding procedure

TG441.8

B

1001-2303（2016）08-0076-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.18

2016-06-16；

2016-07-08

中国铁路总公司科技开发项目（2012G004-D）

贾春（1970—），男，工程师，主要从事铁路大型养路机械维护工作。