鋼軌電渣焊接方法及工藝研究

李金華，李 力，丁 韋，高振坤，宋宏圖，胡玉堂

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

電渣焊接通過(guò)熔融焊劑(熔渣)時(shí)放出的熱，使母材和焊條金屬熔化，是一種無(wú)電弧熔鑄焊接，因焊接速度快、效率高、焊縫組織致密、成分均勻、性能良好等特點(diǎn)在焊接行業(yè)應(yīng)用越來(lái)越廣。電渣焊通常是在焊件處于垂直位置的情況下進(jìn)行，渣池不僅需要足夠的深度，也需要一定的體積，比較適合鋼軌這種大斷面的焊接，但鋼軌軌腳較薄較寬，是電渣焊接的難點(diǎn)位置[1-4]。

本文通過(guò)調(diào)研和試驗(yàn)，分析總結(jié)電渣焊接應(yīng)用情況、技術(shù)特點(diǎn)、基本工藝參數(shù)及焊接難點(diǎn)，制定和完善鋼軌電渣焊接技術(shù)方案，并進(jìn)行焊接試驗(yàn)和接頭取樣力學(xué)性能分析。針對(duì)鋼軌全斷面軌腰與軌底長(zhǎng)寬比差異較大的特點(diǎn)，對(duì)焊接設(shè)備和工藝進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì)。

1 國(guó)內(nèi)外鋼軌電渣焊接現(xiàn)狀

國(guó)外最早期的鋼軌電渣焊(手工電渣焊)采用耐火黏土磚做模子?？刹痖_(kāi)的固定模子由2個(gè)1/2塊耐火磚組成，內(nèi)表面與鋼軌的形狀相當(dāng)。模子用夾持器連接起來(lái)，在焊接過(guò)程中達(dá)到熔化金屬和作為渣池的目的。

把焊條和下面的板相接觸，電弧引燃;渣池形成后電弧終止，開(kāi)始無(wú)電弧的電渣過(guò)程;利用渣池的熱量熔化鋼軌邊緣和焊條；液體金屬充滿預(yù)留鋼軌間隙，冷卻后形成焊縫?？捎弥绷麟娀蛘呓涣麟姾附?。焊條采用碳鋼帶(尺寸為3 mm×30 mm×700 mm)，焊劑為AH-348A。焊接參數(shù)一般為：電壓30 V，電流300 A。焊接1個(gè)接頭的時(shí)間為12～15 min。

圖1為美國(guó)136RE鋼軌電渣焊接設(shè)備和接頭外觀。美國(guó)電渣焊接技術(shù)和設(shè)備已通過(guò)鐵路主管部門的技術(shù)審查，正處于推廣試用階段。其采用多絲電渣焊，使用銅模(可實(shí)現(xiàn)冷卻循環(huán))作為焊接模具，由3塊(軌底托板、兩側(cè)箍抱軌腰軌頭)分體式拼裝而成。軌頭軌腰與軌底之間接頭焊縫輪廓為圓滑漸變式過(guò)渡，較好地利用了電渣焊垂直向上成型的特點(diǎn)。

圖1 美國(guó)鋼軌電渣焊接設(shè)備和接頭

采用多絲電渣焊時(shí)，當(dāng)焊絲送出超過(guò)一定距離時(shí)會(huì)出現(xiàn)偏差，易導(dǎo)致焊絲與待焊鋼軌端面上部及其他部位打火，難以保證一直處于無(wú)弧狀態(tài)。焊筋在軌頭與軌底之間的過(guò)渡部分超出鋼軌截面較多，通過(guò)打磨平順?shù)撥壍墓ぷ髁刻?，但保留焊筋又不便于無(wú)縫線路施工。

在我國(guó)，相比電渣焊在其他行業(yè)的廣泛應(yīng)用，鋼軌電渣焊的研究和應(yīng)用很少。在少數(shù)廠房行車軌道的焊接中采用了手工電渣焊接技術(shù)[5]。主要特征為：①可根據(jù)電極直徑選擇裝配間隙；②鋼軌焊接端面與軸線垂直，但光滑程度不必要求；③焊前先在底部間隙焊一塊鋼板，便于引?。虎茉厥请娫傅暮诵?，一般深度控制在40 mm左右；⑤焊接過(guò)程中送焊條時(shí)，需連續(xù)沿對(duì)縫隙來(lái)回?cái)[動(dòng)，使整個(gè)焊接面均勻熔化。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于鋼軌電渣焊技術(shù)的研究中有一些比較好的設(shè)備和工藝方法，為本文提供重要的基礎(chǔ)和借鑒。

2 鋼軌電渣焊接基本工藝參數(shù)

針對(duì)鋼軌電渣焊接頭需要，對(duì)采用的管極電渣焊主要工藝參數(shù)(焊接電流、焊接電壓、工件裝配間隙、渣池深度、電極數(shù)量、焊劑種類等)進(jìn)行試驗(yàn)研究[6]。

2.1 焊接電流

①焊接電流和焊絲送進(jìn)速度呈嚴(yán)格的正比關(guān)系。②φ3.2 mm 焊絲常用的焊接電流為300～500 A。③電流大于500 A 時(shí)，焊絲熔化速度急劇增加，渣池迅速上升，熱源上升速度較快，對(duì)工件邊緣的加熱作用減弱，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋的傾向增大。④在保證獲得滿意熔寬的條件下，適當(dāng)增加焊接電流可以提高生產(chǎn)效率。

2.2 焊接電壓

①電壓在32 V以下時(shí)，提高電壓，熔寬增加較緩慢；②電壓在32 V以上時(shí)，熔寬增加較顯著；③電壓過(guò)低，易發(fā)生渣池短路或產(chǎn)生電弧，造成未焊透；④電壓過(guò)高，會(huì)破壞渣池的穩(wěn)定性，使熔渣過(guò)熱沸騰。

常用焊接電壓的選擇范圍為34～38 V。隨著壁厚增大，焊接電壓稍有提高。表1為焊接電壓對(duì)熔寬的影響。

表1 焊接電壓對(duì)熔寬的影響

2.3 渣池深度

①焊接穩(wěn)定性要求渣池須具有一定的容積和深度；②深度超過(guò)了保持穩(wěn)定的臨界值時(shí)，母材的熔寬會(huì)隨著渣池深度的增加而變窄；③深度過(guò)淺，將導(dǎo)致熔渣飛濺和渣池表面產(chǎn)生電弧，而深度過(guò)大，母材和(或)水冷塊加熱面積增大，造成渣池溫度降低，焊縫熔寬變窄，成形系數(shù)減小，可能導(dǎo)致未焊透和夾渣等缺陷；④一 般渣池深度的變化范圍為35～70 mm。表2為按母材厚度選取的渣池深度。

表2 按母材厚度選取的渣池深度 mm

2.4 焊絲伸出長(zhǎng)度及擺動(dòng)情況

伸出長(zhǎng)度：①一般長(zhǎng)度為10～15 mm；②長(zhǎng)度太短，導(dǎo)電嘴易過(guò)熱；③長(zhǎng)度大于15 mm時(shí)，電阻增大也會(huì)使焊絲過(guò)熱，焊絲將在渣池表面熔化，使焊接不穩(wěn)定，渣池加熱不充分。

擺動(dòng)情況：①板厚超過(guò)50 mm時(shí)，需采用擺動(dòng)焊接；②擺動(dòng)速度為8～40 mm/s，頻率為20～100次/min，擺動(dòng)速度隨板厚的增加而加快，應(yīng)與其他工藝參數(shù)相匹配；③為保證坡口邊緣母材全部融合和克服滑塊激冷所引起的淬硬傾向，在兩端停留時(shí)間一般為2～9 s，焊絲擺動(dòng)至滑塊側(cè)的距離應(yīng)控制在8～12 mm。

2.5 裝配間隙

①裝配間隙增加，渣池容積增大，焊接速度降低，工件邊緣單位長(zhǎng)度內(nèi)吸收的熱量增加，二者均使母材熔寬增大；②裝配間隙減小，母材熔寬變小。

裝配間隙顯著影響母材熔寬及焊縫成形系數(shù)。由試驗(yàn)得出裝配間隙與工件厚度的關(guān)系，見(jiàn)表3。裝配間隙過(guò)大增加了焊接材料的消耗，降低了生產(chǎn)效率；過(guò)小則增加了操作難度，也會(huì)使焊縫成形系數(shù)變小，增加熱裂傾向。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，裝配間隙通常為26～38 mm。

表3 裝配間隙與工件厚度的關(guān)系 mm

上述分析的是單個(gè)工藝參數(shù)對(duì)焊接效果及性能的影響，在鋼軌電渣焊接試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，還需積累更多的焊接工藝參數(shù)整體控制的經(jīng)驗(yàn)和方法。

3 鋼軌電渣焊接工藝

采用雙絲管極電渣焊接和仿鋼軌截面的水冷銅模具，并通過(guò)機(jī)頭管極擺動(dòng)保證軌底兩側(cè)熔寬，軌腰軌頭無(wú)弧過(guò)程非常穩(wěn)定，可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)鋼軌全斷面一次成型焊接。雙絲由兩電源實(shí)現(xiàn)焊接，焊接電源采用恒壓或者恒功率模式控制輸出。焊接軌底時(shí)，下部模具安裝，上部模具分開(kāi)，留出熔嘴安裝空間。2個(gè)熔嘴分開(kāi)，分列在軌底兩側(cè)，保證軌底兩側(cè)焊合。軌底焊完，進(jìn)入軌腰焊接時(shí)，將2個(gè)熔嘴向中間軌腰靠攏，上部模具靠攏合并。進(jìn)入軌頭焊接時(shí)，由于軌頭寬度較大(約74 mm)，2個(gè)熔嘴再適度分開(kāi)，保證軌頭兩側(cè)也能焊合。圖2為鋼軌管極電渣焊接示意。鋼軌電渣焊接的具體流程如圖3所示。

圖2 鋼軌管極電渣焊接示意

圖3 鋼軌電渣焊接流程

鋼軌電渣焊接電源采用恒功率模式，如無(wú)明顯變截面過(guò)程，則焊接無(wú)弧狀態(tài)穩(wěn)定。焊接時(shí)的基本工藝參數(shù)為：裝配間隙28 mm；冷卻水進(jìn)出水速度為90 L/h(25 ml/s)，進(jìn)水溫度25 ℃，出水溫度40 ℃；焊接電壓32～36 V；焊接電流310～330 A。圖4是鋼軌電渣焊接成型完成的接頭。

圖4 鋼軌電渣焊接完成后的接頭

4 鋼軌電渣焊接頭力學(xué)性能

鋼軌電渣焊接試驗(yàn)采用60 kg/m攀鋼U75V熱軋鋼軌。選取4個(gè)焊接比較穩(wěn)定的接頭取樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，包括沖擊、拉伸、縱斷面宏觀形貌、硬度及金相組織等。試驗(yàn)按照TB/T 1632—2014《鋼軌焊接技術(shù)條件》中規(guī)定的接頭取樣和試驗(yàn)方法進(jìn)行[7]。

4.1 沖擊

表4為鋼軌電渣焊接頭取樣沖擊性能?？芍?，電渣焊接頭取樣沖擊功能夠達(dá)到TB/T 1632—2014標(biāo)準(zhǔn)中閃光焊接頭的沖擊性能要求，但是略低于閃光焊接頭沖擊功的平均值(一般在15 J左右)。不過(guò)閃光焊接頭是進(jìn)行了焊后熱處理情況下的沖擊性能；明顯高于鋁熱焊接頭沖擊功平均值。說(shuō)明電渣焊接頭韌性良好。

表4 鋼軌電渣焊接頭取樣沖擊性能

4.2 拉伸

表5為鋼軌電渣焊接頭取樣拉伸性能?？芍?，電渣焊接頭取樣拉伸性能能夠達(dá)到TB/T 1632—2014標(biāo)準(zhǔn)中閃光焊接頭的拉伸性能要求，但是略低于閃光焊接頭拉伸強(qiáng)度的平均值(一般抗拉強(qiáng)度Rm在950 MPa左右，斷面伸長(zhǎng)率A在7.5%左右)，不過(guò)閃光焊接頭是進(jìn)行了焊后熱處理情況下的拉伸性能；明顯高于鋁熱焊接頭拉伸性能平均值。說(shuō)明電渣焊接頭強(qiáng)度良好。

4.3 縱斷面宏觀形貌

圖5是鋼軌電渣焊接頭宏觀形貌。熱影響區(qū)寬度為60 mm左右，從軌底到軌頭呈“溫酒器”狀，熱影響區(qū)線形態(tài)光滑，焊縫熔合線呈現(xiàn)層狀特點(diǎn)，這與焊劑添加不均勻或變截面過(guò)渡焊接有關(guān)系。

表5 鋼軌電渣焊接頭取樣拉伸性能

圖5 鋼軌電渣焊接頭縱斷面宏觀形貌

4.4 焊縫及熱影響區(qū)硬度

圖6是鋼軌電渣焊接頭軌頭硬度曲線，以焊縫中心為起點(diǎn)到熱影響區(qū)外一側(cè)120 mm范圍內(nèi)軌頭焊縫及熱影響區(qū)硬度分布?？芍缚p硬度不均勻，且熱影響區(qū)存在一個(gè)軟化區(qū)，寬度約2 cm左右。

圖6 鋼軌電渣焊接頭軌頭硬度曲線

圖7 鋼軌電渣焊接頭焊縫及熱影響區(qū)組織

4.5 金相組織

圖7是鋼軌電渣焊接頭焊縫及熱影響區(qū)組織。這組照片依次展示了焊縫向熔合線、過(guò)熱區(qū)和鋼軌母材過(guò)渡的金相組織變化。①焊縫組織為珠光體，硬度測(cè)試顯示硬度略偏高；②熔合線附近區(qū)域熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大十分明顯，粗晶區(qū)的寬度約為5～10 mm;③距離熔合線越遠(yuǎn)，熱影響區(qū)晶粒開(kāi)始明顯變小，10 mm后組織晶粒與母材晶粒大小基本一致。

5 結(jié)論

1)鋼軌電渣焊接起步發(fā)展較晚，主要是由于電渣焊接最適合于方形和圓柱形垂直焊縫，而鋼軌工字鋼截面焊接難度較大。采用管極(熔嘴)電渣焊接可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定送絲和擺動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)鋼軌焊接。

2)鋼軌電渣焊接主要方案為：采用雙絲管極電渣焊；焊軌底時(shí)，下部模具安裝，上部模具分開(kāi)，2個(gè)熔嘴分列在軌底兩側(cè)，通過(guò)機(jī)頭管極擺動(dòng)保證軌底兩側(cè)焊合；進(jìn)入軌腰焊接時(shí)，將2個(gè)熔嘴向中間軌腰靠攏，上部模具靠攏合并；進(jìn)入軌頭焊接時(shí)，由于軌頭寬度較大(約74 mm)，2個(gè)熔嘴再適度分開(kāi)，保證軌頭兩側(cè)也能焊合。

3)鋼軌電渣焊接頭力學(xué)性能顯示：沖擊功和拉伸性能都能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632—2014中閃光焊接頭的沖擊性能要求，但是略低于閃光焊接頭平均值，明顯高于鋁熱焊接頭平均值；接頭焊縫中心硬度略高(與焊縫冷卻速度有關(guān))，焊縫中心組織粗大；在兩側(cè)熱影響區(qū)有2 mm左右的軟化區(qū)。