50㎏/m武鋼U71Mn鋼軌閃光焊接性能探討

陳海田（濟(jì)南工務(wù)機(jī)械段，濟(jì)南 250022）

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50㎏/m武鋼U71Mn鋼軌閃光焊接性能探討

陳海田
（濟(jì)南工務(wù)機(jī)械段，濟(jì)南 250022）

摘 要：本文對鋪設(shè)于山東磁東線的50kg/m武鋼U71Mn鋼軌進(jìn)行閃光焊接性能探討，研究焊接性能。一次性通過25個(gè)焊接接頭的落錘檢驗(yàn)項(xiàng)目，具有較好的焊接性能。依據(jù)熱處理曲線調(diào)整熱處理參數(shù)，使得接頭與母材硬度相當(dāng)，焊接接頭在線路使用中與母材同步磨耗，減少了接頭低塌、延長了鋼軌使用壽命。

關(guān)鍵詞：GAAS80/580焊機(jī)；閃光焊；50㎏/m；U71Mn鋼軌

0　引言

山東磁東線需要鋪設(shè)50kg/m武鋼U71Mn鋼軌，濟(jì)南焊軌基地投產(chǎn)以來首次焊接50㎏/m的鋼軌。50㎏/m鋼軌的型式尺寸特點(diǎn)，對焊軌基地工序提出特殊要求，涉及設(shè)備工裝改造、生產(chǎn)組織、焊接試驗(yàn)等。根據(jù)TB/T1632-2014的要求，50㎏/m武鋼U71Mn鋼軌首次焊接前必須進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)。本文主要探討50kg/m武鋼U71Mn鋼軌閃光焊接性能。

1　U71Mn的化學(xué)成分

試驗(yàn)用軌為武鋼U71Mn（50㎏/m）熱軋鋼軌，設(shè)計(jì)時(shí)速≤160Km/h，依據(jù)TB/T2344-2012標(biāo)準(zhǔn)軋制。從化學(xué)成分分析，在本批次鋼軌中，Si和Mn元素接近標(biāo)準(zhǔn)上限，兩種元素可以改變珠光體和鐵素體的相對含量以及珠光體的片間距，提高鋼軌的強(qiáng)度和硬度，但是二者影響鋼軌的可焊性，尤其是Mn元素，在焊接過程中容易形成高熔點(diǎn)化合物（灰斑），降低焊接接頭的抗沖擊性能。兩種鋼軌的型式尺寸差異，是進(jìn)行GAAS80焊機(jī)和ZH600熱處理設(shè)備工裝改造、調(diào)試的依據(jù)。

2　設(shè)備工裝改造及調(diào)試

50kg/m鋼軌與60kg/m鋼軌比較，主要是鋼軌高度小24mm、橫截面積小11.65 cm2，據(jù)此，GAAS80焊機(jī)更換專用推凸刀，ZH600熱處理機(jī)更換專用線圈。焊機(jī)調(diào)整起拱量：起拱量定位在“-10”位置，并相應(yīng)調(diào)整對中結(jié)構(gòu)。通過調(diào)整，焊接自動(dòng)對中系統(tǒng)與50kg/m鋼軌匹配。

3　閃光焊接試驗(yàn)

3.1焊接工藝參數(shù)試驗(yàn)

焊接試驗(yàn)在GAAS80/580焊機(jī)上進(jìn)行，針對50kg/mg鋼軌與60kg/m鋼軌橫截面積比例以及兩者處同一化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，結(jié)合以往焊接U71Mn鋼軌的經(jīng)驗(yàn)，采用預(yù)熱閃光焊工藝，落錘檢驗(yàn)采取2.5m高度，2錘不斷、灰斑不超標(biāo)為合格。

工藝特點(diǎn)為軟規(guī)范，即焊接時(shí)間長，頂鍛量大，焊接熱影響區(qū)寬，端面溫度高，結(jié)晶充分，對應(yīng)到工藝參數(shù)各個(gè)階段為低速度高電流閃平、大熱量投入的預(yù)熱、穩(wěn)定的勻加速燒化，大壓力的有電頂鍛和合適壓力的保壓。其缺點(diǎn)是加熱區(qū)過寬引起熱影響區(qū)晶粒粗大、灰斑缺陷較多。通過兩種軌型的截面面積比，原參數(shù)的預(yù)熱電壓按照比例縮小。先焊接接頭3個(gè)，出現(xiàn)超標(biāo)灰斑，分析對比大截面鋼軌焊接曲線，認(rèn)為焊接過程投入熱量過大，加速燒化階段不穩(wěn)定，應(yīng)再次降低預(yù)熱電壓，創(chuàng)造有利燒化的溫度場；進(jìn)一步降低兩個(gè)加速燒化階段的電壓，同時(shí)提高燒化末速來增大焊接端面的溫度梯度，加強(qiáng)頂鍛前的防氧化氣氛；降低頂鍛壓力和保壓壓力，輔助頂鍛階段排渣和金屬結(jié)晶。經(jīng)過調(diào)整，所焊5個(gè)接頭3錘不斷，灰斑面積最大4mm2，斷口呈明顯撕裂狀形態(tài)，再次焊接20個(gè)焊接接頭，結(jié)果一次性通過25個(gè)焊接接頭落錘的檢驗(yàn)。

試驗(yàn)總結(jié)：試驗(yàn)前對鋼軌性能、化學(xué)成分等做好調(diào)查分析，有助于找準(zhǔn)參數(shù)調(diào)整方向，獲得可靠焊接工藝，同時(shí)也表明本鋼軌有較好的可焊性。

3.2焊后熱處理工藝參數(shù)試驗(yàn)

熱處理設(shè)備為ZH600機(jī)床，采用雙頻熱處理工藝，確定參數(shù)：加熱溫度860～880℃，風(fēng)壓0.12MPa，噴風(fēng)時(shí)間≥90s。采用兩種輸入功率進(jìn)行試驗(yàn)，原參數(shù)為低頻110KW/高頻70KW，新參數(shù)為低頻功率65KW/高頻功率40KW。使用原參數(shù)進(jìn)行熱處理的焊接接頭砸斷后軌頂芯部存在明顯粗晶和細(xì)晶的分界線，說明軌頂芯部溫度不足，熱處理效果不良，而使用新參數(shù)的接頭則全為細(xì)晶。原因是調(diào)整前的圖像在低頻階段熱平衡的時(shí)間比調(diào)整后少一半。本次試驗(yàn)采用65KW/ 40KW的熱處理參數(shù)。

3.3焊接接頭性能

3.3.1 硬度試驗(yàn)

對武鋼U71Mn（50kg/m）焊接接頭軌頂面硬度和縱斷面測試線1硬度進(jìn)行測定，結(jié)果為焊接接頭軌頂面平均值與母材硬度比值為1.02，工作邊比值為1，在線路應(yīng)用中焊接接頭磨耗與母材同步。軟化帶寬度小于20mm。宏觀檢查為熱處理熱影響區(qū)完全覆蓋焊接熱影響區(qū)。

3.3.2拉伸性能

對焊接接頭進(jìn)行拉伸性能檢測，結(jié)果為經(jīng)過熱處理后焊接接頭抗拉強(qiáng)度均大于810MPa，伸長率7.3%，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3.3沖擊性能和顯微組織

試驗(yàn)結(jié)果為軌頭、軌腰和軌底各部位沖擊功均值分別為16.4J、7.8J、16.2J，其中軌腰沖擊值偏低，分析認(rèn)為使用雙中頻正火工藝低頻段加熱時(shí)軌腰溫度過高且持續(xù)時(shí)間長，奧氏體晶粒長大造成沖擊性能降低。檢驗(yàn)結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3.4金相組織

晶粒度檢驗(yàn)中軌頭 為8.5級、軌底三角區(qū)為7.5級、兩側(cè)軌底腳為8級，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3.5疲勞檢驗(yàn)

經(jīng)過載荷循環(huán)次數(shù)2×106，3支試樣全部通過檢驗(yàn)。

4　 分析

50kg/m武鋼U71Mn鋼軌一次性通過連續(xù)25個(gè)試頭落錘檢驗(yàn)，焊接性能較好，其中斷口灰斑較少，分析認(rèn)為降低預(yù)熱熱量輸入、匹配加速燒化是主要原因。

焊接過程中，焊縫熔合線附近溫度處于固液相之間，在過熱區(qū)，奧氏體晶粒冷卻后過于粗大導(dǎo)致“粗晶脆化”現(xiàn)象，該區(qū)奧氏體晶粒度僅為2級。焊縫正火后奧氏體晶粒度細(xì)化到8級，其沖擊韌性得到極大提高。

5　結(jié)論

通過對50kg/m武鋼U71Mn鋼軌的閃光焊接性能研究，得出以下結(jié)論：（1）試驗(yàn)前對鋼軌性能、化學(xué)成分充分分析，有助于提高試驗(yàn)效率，選用合適的工藝規(guī)范和參數(shù)匹配，能夠獲得可靠的焊接工藝。（2）通過兩種軌型的截面面積比例來初步確定工藝參數(shù)，對將來調(diào)試75kg/m鋼軌試驗(yàn)具有參考價(jià)值。（3）熱處理試驗(yàn)時(shí)低頻階段保溫時(shí)間長有利于晶粒度、拉伸、落錘、疲勞、硬度等性能地提高，同時(shí)導(dǎo)致軌腰溫度高且保溫時(shí)間過長使得組織晶粒偏大，軌腰部位沖擊功值偏低。熱處理參數(shù)調(diào)試時(shí)應(yīng)兼顧各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)。

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.13.030

作者簡介：陳海田（1982-），工程師。