50㎏/m武鋼U71Mn鋼軌閃光焊接性能探討

陳海田（濟南工務機械段，濟南 250022）

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50㎏/m武鋼U71Mn鋼軌閃光焊接性能探討

陳海田
（濟南工務機械段，濟南 250022）

摘 要：本文對鋪設于山東磁東線的50kg/m武鋼U71Mn鋼軌進行閃光焊接性能探討，研究焊接性能。一次性通過25個焊接接頭的落錘檢驗項目，具有較好的焊接性能。依據(jù)熱處理曲線調整熱處理參數(shù)，使得接頭與母材硬度相當，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。

關鍵詞：GAAS80/580焊機；閃光焊；50㎏/m；U71Mn鋼軌

0　引言

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

1　U71Mn的化學成分

試驗用軌為武鋼U71Mn（50㎏/m）熱軋鋼軌，設計時速≤160Km/h，依據(jù)TB/T2344-2012標準軋制。從化學成分分析，在本批次鋼軌中，Si和Mn元素接近標準上限，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，是進行GAAS80焊機和ZH600熱處理設備工裝改造、調試的依據(jù)。

2　設備工裝改造及調試

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焊機更換專用推凸刀，ZH600熱處理機更換專用線圈。焊機調整起拱量：起拱量定位在“-10”位置，并相應調整對中結構。通過調整，焊接自動對中系統(tǒng)與50kg/m鋼軌匹配。

3　閃光焊接試驗

3.1焊接工藝參數(shù)試驗

焊接試驗在GAAS80/580焊機上進行，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成分標準的特點，結合以往焊接U71Mn鋼軌的經(jīng)驗，采用預熱閃光焊工藝，落錘檢驗采取2.5m高度，2錘不斷、灰斑不超標為合格。

工藝特點為軟規(guī)范，即焊接時間長，頂鍛量大，焊接熱影響區(qū)寬，端面溫度高，結晶充分，對應到工藝參數(shù)各個階段為低速度高電流閃平、大熱量投入的預熱、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)的預熱電壓按照比例縮小。先焊接接頭3個，出現(xiàn)超標灰斑，分析對比大截面鋼軌焊接曲線，認為焊接過程投入熱量過大，加速燒化階段不穩(wěn)定，應再次降低預熱電壓，創(chuàng)造有利燒化的溫度場；進一步降低兩個加速燒化階段的電壓，同時提高燒化末速來增大焊接端面的溫度梯度，加強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晶。經(jīng)過調整，所焊5個接頭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個焊接接頭，結果一次性通過25個焊接接頭落錘的檢驗。

試驗總結：試驗前對鋼軌性能、化學成分等做好調查分析，有助于找準參數(shù)調整方向，獲得可靠焊接工藝，同時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

熱處理設備為ZH600機床，采用雙頻熱處理工藝，確定參數(shù)：加熱溫度860～880℃，風壓0.12MPa，噴風時間≥90s。采用兩種輸入功率進行試驗，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)進行熱處理的焊接接頭砸斷后軌頂芯部存在明顯粗晶和細晶的分界線，說明軌頂芯部溫度不足，熱處理效果不良，而使用新參數(shù)的接頭則全為細晶。原因是調整前的圖像在低頻階段熱平衡的時間比調整后少一半。本次試驗采用65KW/ 40KW的熱處理參數(shù)。

3.3焊接接頭性能

3.3.1 硬度試驗

對武鋼U71Mn（50kg/m）焊接接頭軌頂面硬度和縱斷面測試線1硬度進行測定，結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

對焊接接頭進行拉伸性能檢測，結果為經(jīng)過熱處理后焊接接頭抗拉強度均大于810MPa，伸長率7.3%，達到標準要求。

3.3.3沖擊性能和顯微組織

試驗結果為軌頭、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，分析認為使用雙中頻正火工藝低頻段加熱時軌腰溫度過高且持續(xù)時間長，奧氏體晶粒長大造成沖擊性能降低。檢驗結果符合標準要求。

3.3.4金相組織

晶粒度檢驗中軌頭 為8.5級、軌底三角區(qū)為7.5級、兩側軌底腳為8級，符合標準要求。

3.3.5疲勞檢驗

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

4　 分析

50kg/m武鋼U71Mn鋼軌一次性通過連續(xù)25個試頭落錘檢驗，焊接性能較好，其中斷口灰斑較少，分析認為降低預熱熱量輸入、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化到8級，其沖擊韌性得到極大提高。

5　結論

通過對50kg/m武鋼U71Mn鋼軌的閃光焊接性能研究，得出以下結論：（1）試驗前對鋼軌性能、化學成分充分分析，有助于提高試驗效率，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)，對將來調試75kg/m鋼軌試驗具有參考價值。（3）熱處理試驗時低頻階段保溫時間長有利于晶粒度、拉伸、落錘、疲勞、硬度等性能地提高，同時導致軌腰溫度高且保溫時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)調試時應兼顧各項力學性能指標。

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

作者簡介：陳海田（1982-），工程師。