包鋼U71Mn高速軌“硬規范”焊接工藝研究

張永成

【摘?要】包鋼U71Mn高速軌（U71MnG）在高速鐵路和城市軌道建設中得到廣泛的應用，但由于包鋼U71Mn高速軌為高碳中錳鋼，和其它類型鋼種如包鋼U71Mn普通軌、鞍鋼U71Mn高速軌、包鋼U71Mn、攀鋼U71Mn、攀鋼U75V、鞍鋼U75V、武鋼U75V等相比，其焊接性在各焊軌廠以及焊軌施工單位被普遍認為較差，目前各焊軌行業多采用“軟規范”的傳統焊接工藝，但型檢試驗很難順利通過，焊接穩定性不良，鑒于以上現狀，在傳統“軟規范”焊接工藝基礎上基于UN5-150ZB系列焊機進行包鋼U71Mn高速軌焊接工藝研究，并在K922系列焊機上推廣應用，形成了一套適宜于包鋼U71Mn高速軌的焊接工藝。

【關鍵詞】包鋼U71Mn高速軌;焊接工藝;高低高工藝;型檢試驗，硬規范;軟規范

【Abstract】U71Mn high-speed rail （U71MnG） is widely used in high-speed railway and urban rail construction at Baotou Iron and Steel Co.， Ltd. However， its weldability has been popularized in various rail factories and rail construction units because U71Mn high-speed rail at Baotou Iron and Steel Co.， Ltd. is high carbon Medium-Manganese steel， compared with other types of steel such as U71Mn ordinary rail at Baotou Iron and Steel Co.， U71Mn at Angang， U71Mn at Baotou Steel Co.， U75V at Pangang， U75V at Angang and U75V at WISCO. It is generally believed that the traditional welding technology of "soft specification" is commonly used in rail industry at present， but the type inspection test is difficult to pass smoothly and the welding stability is poor. In view of the above field， based on the traditional "soft specification" welding technology， the U71Mn high-speed rail welding technology of Baotou Iron and Steel Company is studied on the basis of UN5-150ZB series welding machine， and is popularized and applied in K922 series welding machine， thus a set of suitable welding technology is formed. Welding technology of U71Mn high speed rail at Baotou Iron and Steel Co.

【Key words】U71Mn High Speed Rail at Baotou Steel;Welding technology;High and Low Technology;Type test;Hard specification;Soft specification

1. 包鋼U71Mn高速軌可焊性分析

（1）包鋼U71Mn高速軌的平均含碳量為0.71%，除了C元素之外其它元素有Si、Mn、P、S、V和Al等，這些元素均不同程度的影響著包鋼U71Mn高速軌的焊接性能，而鋼軌的可焊性一般由“碳當量”來衡量，即將鋼中各種化學元素對共晶點實際碳量的影響折算成碳的增減，這樣算出的含碳量稱為“碳當量”，用CE表示，“碳當量”的計算公式為：

CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

（2）鐵道標準TB/T 3276-2011及TB/T 2344-2012中鋼軌化學成分如下表1所示。

從表1中C、Mn元素的含量可以看出U71MnG為高碳中錳鋼，其“碳當量”計算為：

CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

=（0.65～0.75）+（0.70～1.20）/6+0.03/5

（3）計算可得U71Mn高速軌的“碳當量”范圍約為0.77%～0.96%。

（4）一般當“碳當量”計算值大于0.4%～0.5%時，焊接性能較差，“碳當量”計算值越大焊接性能越差，包鋼U71Mn高速軌“碳當量”計算值約為0.77%～0.96%，其焊接性能很差，而包鋼U71Mn高速軌中碳含量、錳含量都較高，使得該鋼軌在焊接后接頭淬硬傾向增大，在焊接接頭強度、硬度上升的同時韌性、塑性有了相應的下降。

（5）由上述“碳當量”及化學元素的分析可知，包鋼U71Mn高速軌“碳當量”較大，且由于包鋼U71Mn高速軌中硅、錳等元素含量的較高，其焊接性能較差，如圖1常見各型鋼軌及可接性對比分析示意圖所示。

2 包鋼U71Mn高速軌的焊接工藝試驗

2.1?“高低高”軟規范工藝的焊接試驗。

試驗前期采用已被廣泛使用的“高低高”軟規范工藝，即在預熱閃平、穩定燒化、加速三個階段分別采用高電壓、低電壓、高電壓的參數設置模式，并配以長時間、小電流、大頂鍛量等參數，其特點是閃光速度慢、焊縫端面聚集熱量大、焊接時間長、焊接熱影響區較寬。初期“高低高”軟規范焊接工藝參數設置如表2所示：

從參數設置表可以看出電壓參數設置為：405V、395V、360V、312V、320V、325V、380V、400V;呈“高低高”模式設置，電壓設置整體偏低，8個階段的平均電壓為：

平均電壓：（405+395+360+312+320+325+380+400）/8=362V;

同理：

平均電流一：（200+285+......+300+400）/8=254A;

平均電流二：（300+375+......+400+500）/8=330A;

平均電流三：（400+485+......+500+600）/8=412A;

平均前進速度：（0.9+1.3+......+0.8+1.2）/8=1.11mm/s;

平均后退速度：（0.8+0.65+......+0.3+0.1）/8=0.55mm/s;

由上述計算可知“高低高”軟規范的主要參數配置平均值，如表3所示。

“高低高”軟規范焊接曲線如圖2、圖3所示。

由焊接曲線圖（圖2和圖3）可以看出：焊接電流曲線稀疏不均勻，并多處出現短路和斷路現象，焊接時間長達165秒，在該“高低高”軟規范基礎工藝上通過不斷的微動調整，累計焊接試驗頭90根，落錘斷口均出現大面積灰斑和發黑發暗組織缺陷，落錘試驗很不理想，工藝穩定性較差，“高低高”軟規范工藝落錘斷口圖片如圖4所示。

由以上“高低高”軟規范工藝落錘斷口圖片可以看出：該工藝規范落錘斷口大概率出現了大面積灰斑和發黑的組織缺陷，這種缺陷產生的原因概括有：焊縫高溫塑性層的流態金屬中錳元素和硅元素在焊接過程中由于參數匹配的不合理導致焊縫聚集熱量過大，并且焊接過程中頻繁出現短路和斷路現象，空氣中的氧氣趁虛而入，錳元素和硅元素被氧化生成氧化錳、氧化硅，這些氧化物是不導電的，所以不能進行過梁反應，而周圍流態金屬中的錳元素和硅元素會被這些氧化物吸附，若閃光爆破中不能將這些氧化物及時閃出，在頂鍛時就會在融合端面上形成大面積灰斑和發黑的組織缺陷。

2.2?“高低高”硬規范工藝的焊接試驗。

2.2.1?“高低高”硬規范工藝參數的設計。

（1）通過以上“高低高”軟規范的落錘斷口缺陷的綜合分析，我們認為U71Mn高速軌在焊接過程中，不能給太多的熱量、焊接時間不易太長、頂鍛量不易太大，因為局部長時間出現短路，端面溫度急劇提升，易出現這種大面積灰斑和發黑組織缺陷，所以在工藝參數調整中，轉變了原來的參數調整思路，使用“高低高”硬規范工藝，在對高電壓、低電壓、加速高電壓三個階段的70個焊接參數進行了合理的匹配調試，并優化了正火、打磨等后續處理工藝，僅在試驗用軌25根的情況下順利通過了包鋼U71Mn高速軌的型檢試驗，該套“高低高”硬規范焊接工藝在蘭新鐵路甘青段的現場焊接中焊接穩定性好，焊接接頭探傷合格率高，并如期通過了全部生產檢驗，進一步驗證了“高低高”硬規范焊接工藝的穩定性和可借鑒性。

（2）試驗前期在“高低高”軟規范工藝參數基礎上進行了修改，以減少焊縫聚集熱量為目的對70個參數重新修改，即在預熱閃平、穩定燒化、加速三個階段分別采用高電壓、低電壓、高電壓的參數設置模式，并配以短時間、大電流、小頂鍛量等參數，形成了一套“高低高”硬規范工藝參數，其特點是閃光速度快、焊縫端面聚集熱量小、焊接時間短、焊接熱影響區較窄。

從參數設置表可以看出修正后的電壓參數設置為：410V、400V、370V、340V、345V、350V、403V、404V;呈“高低高”模式設置，電壓設置整體偏高，8個階段的平均電壓為：

平均電壓：（410+400+370+340+345+350+403+404）/8=378V

同理：

平均電流一：（200+285+......+400+500）/8=297A

平均電流二：（300+375+......+500+600）/8=376A

平均電流三：（400+485+......+600+700）/8=457A

平均前進速度：（0.9+1.3+......+0.9+1.25）/8=1.29mm/s

平均后退速度：（0.8+0.65+......+0.3+0.1）/8=0.55mm/s

參數設置如表4所示（UN5-150ZB焊軌機“高低高”硬規范工藝焊接參數設置表見表4）。

由上述計算可知“高低高”硬規范的主要參數配置平均值如表5所示。

“高低高”軟規范主要參數平均值和“高低高”硬規范主要參數平均值的比較如表6所示（ “軟規范”和“硬規范”焊接工藝參數平均值比較表見表6）。

（3）由表6可以看出，“高低高”硬規范參數設置平均值在電壓、電流、前進速度上均比“高低高”軟規范參數高，而頂端量和焊接時間大大減小，尤其是焊接時間比軟規范減小65秒，大大提高了焊接效率。

“高低高”硬規范參數設置中，將低壓一、低壓二、低壓三的焊接電壓從“高低高”軟規范的“312、320、325”升高到“340、345、350”;平均升高約26伏，同時焊接平均電流從“高低高”軟規范的“254、330、412”升高到“297、376、457”;平均升高約45安，并且提高了送進速度，這樣的參數設置增大了閃光激烈度，大大減小了焊縫端面的聚集熱量。

（4）“高低高”硬規范參數設置中加速一階段、加速二階段的電流設置從“300、400、500”-“400、500、600”升高至“400、500、600”-“500、600、700”;電流設置增加100安。

并且提高了電壓和送進速度，使得加速階段有了良好的閃光保護，避免了外界空氣進入焊縫而形成氧化物，使得焊接接頭落錘斷口大面積灰斑和發黑發暗組織缺陷得到徹底的消除。如表7“軟規范”和“硬規范”焊接工藝參數變化統計。

“高低高”硬規范焊接曲線如圖5、圖6所示。

（5）由焊接曲線圖可以看出：焊接電流曲線密度均勻，未出現短路和斷路現象，焊接時間約100秒，該“高低高”硬規范工藝累計焊接試驗頭15根，落錘斷口未出現大面積灰斑和發黑發暗組織缺陷，落錘試驗結果15根均達到2錘不斷的規定，工藝穩定性很好，“高低高”硬規范工藝型檢落錘結果如表8所示。落錘斷口如圖7所示（ “硬規范”工藝落錘結果見表8）。

2.1.2?“高低高”硬規范焊接工藝在K922系列焊機中的推廣應用。

通過“高低高”硬規范工藝參數在UN5-150ZB焊軌機的成熟應用，綜合分析后該套工藝在K922型焊軌機的包鋼U71Mn高速軌的型檢試驗和現場焊接中得以借鑒和推廣應用，僅在試驗用軌32根的情況下順利通過了包鋼U71Mn高速軌的型檢試驗，該套“高低高”硬規范焊接工藝在K922型焊軌機的焊接中焊接穩定性很好，焊接接頭合格率高，進一步驗證了“高低高”硬規范焊接工藝的在不同類型焊軌機上的可借鑒性。如圖8、圖9中K922系列焊機包鋼U71Mn高速軌“硬規范”焊接工藝曲線圖、圖10中K922系列焊機包鋼U71Mn高速軌“硬規范”焊接接頭斷口圖所示。

3 ?結束語

（1）文中對比分析了包鋼U71Mn高速軌傳統“軟規范”和“硬規范”焊接工藝，通過焊接工藝參數設計數據的對比闡述了“硬規范”焊接工藝的可行性及焊接穩定性，該套“硬規范”焊接工藝在K922系列焊機中得到成功推廣應用，提出了包鋼U71Mn高速軌宜適用“硬規范”焊接工藝。

（2）包鋼U71Mn高速軌主要應用在高鐵、客運專線、城際鐵路線路，隨著高鐵、客運專線和城際鐵路施工的不斷增多，包鋼U71Mn高速軌的“高低高”硬規范焊接工藝的應用具有顯著的社會經濟效益，具有廣闊的推廣和應用前景。

參考文獻

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[文章編號]1619-2737（2019）02-18-103