压力 压力 时间 热温度 轨缝
表 ４ 不同焊缝成分分析结果
Ｔａｂ．４ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｗｅｌｄ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒ ｅｎｔ ｗｅｌｄｉｎｇ
ｍｅｔａｌｓ
％
焊接工艺 ｗ（Ｃ） ｗ（Ｓ） ｗ（Ｐ） ｗ（Ｓｉ） ｗ（Ｍｎ） ｗ（Ａｌ） ｗ（Ｖ）
Ｐ／ＭＰａ Ｐ／ＭＰａ ｔ／ｍｉｎ Ｔ／℃ ｂ／ｍｍ
１ 试验材料的选取
表 ２ Ｕ７５Ｖ 钢轨力学性能 Ｔａｂ．２ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ Ｕ７５Ｖ ｒ ａｉｌ
铝热焊接的化学原理是利用铝在足够高温度 下有较强的活动性， 它可以从很多金属氧化物中夺
σｂ／ＭＰａ ≥９８０
δ５ ／％ ≥９
ＨＢ ２８０～３２０
收稿日期： ２００７－ １１－ ２３； 修回日期： ２００８－ ０３－ ２２ 基金项目： 铁道部重点科技资助项目（２００７Ｇ０２３） 作 者 简 介： 陈 辉（１９７０—）， 男， 四川成都人， 博士， 副教授， 主
摘要： 分别采用 ＱＰＣＪ 铝热焊剂、ＴＨＥＲＭＩＴ 铝热焊剂以及国产铝热焊剂在 Ｕ７５Ｖ 钢轨母材上制备了三
种焊接接头， 分析研究了接头的合金成分、拉伸和冲击性能。结果表明， 三种焊接接头的拉伸性能均符合 ＴＢ／Ｔ１６３２－ ２００５ 的要求。国产焊接接头的 ｗ（Ｓ）、ｗ（Ｐ）较高， 焊接接头易发生疲劳断裂， 并且造成冲击性能 偏低。因此应进一步优化设计铝热焊剂。
９９６．４８
９９６．４８
３．２
７．８４
国产
轨底
１０．００
５０．００
７８．５０
６５ １２９．１７
８２９．２５
８２９．２５
２．０
３．９６
轨腰
１０．００
５０．００
７８．５０
６８ ３１４．１７
８６９．６４
８６９．６４
３．２
３．９６
轨顶
１０．００
５０．００
７８．５０
７４ ３４０．８３
９４５．５８
９４５．３１
４．０
关键词： 铝热焊剂； Ｕ７５Ｖ 钢轨； 优化设计
中图分类号： ＴＧ４５１＋．１
文献标识码： Ａ
文章编号： １００１－ ２３０３（２００８）０８－ ００２２－ ０３
Ｒｅｓｅａｒ ｃｈ ｏｎ ｐｒ ｏｐｅｒ ｔｉｅｓ ｏｆ ｊｏｉｎｔｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒ ｅｎｔ ｔｈｅｒ ｍｉｔ ｗｅｌｄｉｎｇ
ＣＨＥＮ Ｈｕｉ１， ＧＯＵ Ｇｕｏ－ｑｉｎｇ１， ＴＵ Ｍｉｎｇ－ｊｉｎｇ２
ＱＰＣＪ ０．７９ ０．００９ ０．０１３ ０．４６ ０．９３ ０．０６ ０．０７
ＱＰＣＪ ０．４９ ０．０７
５
６５０ ２５±２
国产 ０．６０ ０．０２３ ０．０２５ １．２５ ０．７０ ０．１１ ０．１０
ＴＨＥＲＭＩＴ ０．３５ ０．１０
５
９５０ ２８±１
ＴＨＥＲＭＩＴ ０．６４ ０．００５ ０．０１７ ０．５７ ０．４３ ０．１１ ０．０４
专
（１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｓｉｔｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ
题
讨
Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｓｉｃｈｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００４１， Ｃｈｉｎａ）
钨等从其氧化物中还原出来， 同时放出大量的热， 温
度达 ２ ５００ ℃～３ ５００ ℃， 从而使这些金属成为液态［１］
Ｆｅ２Ｏ３＋２Ａｌ＝２Ｆｅ＋Ａｌ２Ｏ３
（１）
备
高列车运行速度， 同时还能降低车辆和线路的维护
试验母材用 ６０ ｋｇ／ｍ 的 Ｕ７５Ｖ（ＰＤ３）钢轨， 其主要
费用［１－ ４］。铝热焊技术在国外的铁路建设， 包括高速
要从事焊接及热喷涂技术的研究与教学工作。
２ 试验结果及分析
２．１ 焊接工艺的确定
三种焊接工艺的主要参数如表 ３ 所示。
·２２· Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｍ ａｃｈｉｎｅ
专题讨论
陈 辉等： 钢轨铝热焊工艺及焊接接头性能研究
第８期
表 ３ 不同铝热焊接工艺主要工艺参数 Ｔａｂ．３ Ｗｅｌｄｉｎｇ ｐａｒ ａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒ ｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 焊接工艺 氧气 丙烷 预热 轨顶预 预留
５．９１
ＴＨＥＲＭＩＴ 轨腰
１０．００
５０．００
７８．５０
６２ ６１５．８３
７９７．２５
７８６．７１
３．０
９．７５
轨底
１０．００
５０．００
７８．５０
６７ ６６７．５０
８６１．５７
８６１．５７
１．８
５．９１
由表 ５ 可知， 三种焊接接头的抗拉强度和断后 伸长率均符合 ＴＢ／Ｔ １６３２－ ２００５ 的质量要求， 最大 力均出现在轨顶处。总体分析， 国产铝热焊接接头轨 顶处达到了 ７８ ２６３．３３ Ｎ， 为最大拉伸力； 最小力出 现在 ＴＨＥＲＭＩＴ 焊接接头的轨腰处， 为 ６２ ６１５．８３ Ｎ。 国 产 焊 接 接 头 的 抗 拉 强 度 、断 裂 强 度 均 为 最 大 ， ＱＰＣＪ 焊接接头次之， ＴＨＥＲＭＩＴ 焊接接头最小。通过 断口分析， 断裂部位均在焊缝区域， 主要为沿晶断
论
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔ ａｒｅ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ＱＰＣＪ， ＴＨＥＲＭＩＴ ａｎｄ ｃｉｖｉｌ ｔｈｅｒｍｉｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｆｌｕｘ．Ｔｈｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ， ｔｅｎｓｉｌｅ
——
ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ， ｉｍｐａｃｔ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｙ ｔｏ ｔｈｅ ＴＢ／Ｔ ２３４４ － ２００３ ａｎｄ ＴＢ／
现
Ｔ１６３２－ ２００５， ｂｕｔ ｔｈｅ Ｓ ａｎｄ Ｐ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｒｅ ａ ｌｉｔｔｌｅ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｏｔｈｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｇｏｌｄｅｎ ｆｏｕｎｔａｉｎ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔ．Ｉｔ ｃａｎ ｍａｋｅ ｅａｒｌｉｅｒ ｆａｔｉｇｕｅ
代
ｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｇｏｌｄｅｎ ｆｏｕｎｔａｉｎ ｓｏｌｄｅｒ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｏｐ ｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ．
铁
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｔｈｅｒｍｉｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｆｌｕｘ； Ｕ７５Ｖ ｓｔｅｅｌ ｒａｉｌ； ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｄｅｓｉｇｎ
路
焊
接 ０ 前言
技
术
钢轨接头是铁路钢轨的薄弱环节， 而我国目前
与
铁路提速对于钢轨线路的质量要求不断提高， 因此
装
采用焊接技术连接钢轨形成无缝线路， 不但能够提
取氧， 将金属还原出来。例如铝能把铁、钛、钒、铬、锰、
裂。焊缝抗拉性能低于母材和热影响区， 这是因为 焊缝区域存在夹杂、气孔等缺陷， 同时， 组织中存在 的 魏 氏 体组织 显 著 降 低 了 焊 缝 的 力 学 性 能 。通 过 金 相分析， 焊缝区域晶粒大小不均匀， 也是导致焊缝 区域成为危险点的原因。
２．４ 冲击试验
试验采用常温冲击， 按照国家标准 ＴＢ／Ｔ ２２９－ １９９４《金属夏比缺口冲击试验方法》， 标准冲击试
（２）三 种 焊 接 接 头 的 抗 拉 强 度 和 断 后 伸 长 率 均 符合 ＴＢ／Ｔ １６３２－ ２００５ 对铝热焊焊接接头的质量要 求。国产焊接接头的抗拉强度、断裂强度均为最高。
（３）ＱＰＣＪ 焊接焊接接头和 ＴＨＥＲＭＩＴ 焊接接头
平均值
４．２５
１０．１３
６．８６
符合 ＴＢ／Ｔ１６３２－ ２００５ 冲击功要求， 而国产焊接接头
为晶界处热裂纹的扩散提供方便， 引起铝热焊焊接
论
——
接近， 而 ＴＨＥＲＭＩＴ 工艺和国产铝热焊接接头 ｗ（Ｃ）
接头的疲劳断裂［２］。
均较低。ｗ（Ｃ）偏低不利于强化焊缝和形成碳化物。而
２．３ 拉伸试验
现
Ｍｎ 元素能溶于铁素体， 引起固溶强化并使钢材在
采用 ＷＤＷ３１００ 型电子式万能试验机测试拉
代
热轧后的冷却过程中得到较细且强度高的珠光体，
表 １ Ｕ７５Ｖ 钢轨主要化学成分 Ｔａｂ．１ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｕ７５Ｖ（ＰＤ３） ｒ ａｉｌ ％ ｗ（Ｃ） ｗ（Ｓｉ） ｗ（Ｍｎ） ｗ（Ｐ） ｗ（Ｓ） ｗ（Ｖ） ｗ（Ｎｂ） ０．７１～０．８０ ０．５０～０．８０ ０．７０～１．０５ ≤０．０３ ≤０．０３ ０．０４～０．１２ ≤０．０１
采用 Ｐｕｌｓａｒ（Ａ３０）金 属 合 金 分 析 仪 对 焊 缝 进 行 成分分析， 分析结果如表 ４ 所示。
分析认为： ＱＰＣＪ 焊接接头 ｗ（Ｃ）与钢轨母材 ｗ（Ｃ）
一定量的 Ａｌ 元素， 主要来源于铝热焊焊剂。总体分
专
析， 国产焊接接头 Ｓ、Ｐ 等有害元素的含量偏高， 造成
题
的偏析影响更大， 就更易在晶界处形成杂质， 从而 讨
化学成分如表 １ 所示［５］， 力学性能参数如表 ２ 所示。
铁路建设中已经被广泛采用。但是国内的铝热焊技
分别采用法国 ＱＰＣＪ 铝热剂、德国 ＴＨＥＲＭＩＴ 铝热
术一直未能在铁路正线建设中广泛使用。
剂和国产铝热剂进行钢轨对接焊缝的焊接。
针对以上特点， 本研究分别采用法国 ＱＰＣＪ 剂、 德国 ＴＨＥＲＭＩＴ 剂和国产铝热剂制备焊接接头， 对 比不同焊接接头性能， 研究存在的问题， 探索国内 铝热焊接头在钢轨线路上工作的可行性。
第 ３８ 卷 第 ８ 期 ２００８ 年 ８ 月