港口機(jī)械起重裝備小車軌道閃光對焊工藝研究

余良輝 胡 錚 魏 亮

上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海 201913

0 引言

軌道閃光對焊技術(shù)在鐵路行業(yè)已廣泛應(yīng)用，該應(yīng)用極大地改善了鐵路軌道的結(jié)構(gòu)性能、使用性能等，并極大地降低了工程成本[1，2]。目前港口機(jī)械起重裝備小車軌道焊接還采用傳統(tǒng)手工電弧焊[3]，存在著焊接效率低、工人勞動強(qiáng)度大和工程成本高的問題。但由于港口機(jī)械起重裝備小車軌道按照DIN536-1-1991《德國起重機(jī)軌道標(biāo)準(zhǔn)》[4]標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，其在外形尺寸、化學(xué)成分、焊接性能、使用環(huán)境等眾多方面與鐵路行業(yè)軌道存在著較大的差異，現(xiàn)研究軌道閃光對焊工藝應(yīng)用于港口機(jī)械起重裝備小車軌道上的可行性。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗材料

試驗選用A100-90 kg/mm2和A100-110 kg/mm2的小車軌道，其中A100為軌道規(guī)格尺寸，90 kg/mm2和110 kg/mm2為軌道材質(zhì)，試驗用軌道截面尺寸如圖1所示。試驗用軌道的元素含量表見1，各元素含量符合DIN536-1-1991《德國起重機(jī)軌道標(biāo)準(zhǔn)》和訂貨的要求。

圖1 A100軌道截面尺寸

表1 90 kg/mm2和110 kg/mm2軌道元素含量表

1.2 試件制備

下料前檢查軌道的外觀質(zhì)量、平直度、外形尺寸等[5]，并根據(jù)試驗需要準(zhǔn)備40個焊接接頭的軌道（即80根750 mm的軌道），其中A100-90 kg/mm2和A100-110 kg/mm2軌道各40根。試驗中使用YHG-1200TH型移動式鋼軌閃光焊機(jī)進(jìn)行軌道試件焊接，對A100-90kg/mm2和A100-110 kg/mm2軌道進(jìn)行工藝摸索，待工藝穩(wěn)定后，每種材質(zhì)各焊接10個軌道接頭。A100-90kg/mm2和A100-110 kg/mm2軌道焊接的工藝參數(shù)及焊接全過程監(jiān)控分別見圖2和圖3。

圖2 工藝參數(shù)1及全過程監(jiān)控

圖3 工藝2焊接參數(shù)及全過程監(jiān)控

由于港口機(jī)械起重設(shè)備對小車軌道運(yùn)行過程中對軌道硬度有較高的要求，改變焊接參數(shù)再次對A100-90 kg/mm2的軌道進(jìn)行工藝摸索，待工藝再次穩(wěn)定后再焊接2個軌道接頭，以便研究在不同焊接工藝參數(shù)下A100-90 kg/mm2軌道接頭硬度與焊縫中心線距離的變化趨勢及焊縫金相組織的區(qū)別。工藝參數(shù)3及焊接全過程監(jiān)控見圖4。

圖4 工藝參數(shù)3及全過程監(jiān)控

待所有軌道接頭焊接推瘤完成后，將軌道接頭自然放置冷卻后使用仿形磨設(shè)備進(jìn)行打磨修整，打磨時避免在同一位置進(jìn)行長時間打磨而造成局部過熱形成表面馬氏體層導(dǎo)致表面裂紋的產(chǎn)生。打磨完成靜置一段時間后，對軌道接頭進(jìn)行表面質(zhì)量和平直度等外觀質(zhì)量的檢查，外觀質(zhì)量檢查符合要求后進(jìn)行磁粉檢測（MT）和超聲檢測（UT），磁粉檢測（MT）和超聲檢測（UT）合格后隨機(jī)選取軌道接頭進(jìn)行試驗。

1.3 試驗項目

由于港口機(jī)械起重裝備小車軌道無相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)驗證軌道閃光對焊焊接接頭質(zhì)量，港口起重機(jī)械小車軌道運(yùn)行頻率高但小車運(yùn)行速度慢，與鐵路行業(yè)軌道運(yùn)行頻率低運(yùn)行速度快存在著顯著區(qū)別，無法采用鐵路行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)直接指導(dǎo)驗證港口機(jī)械起重裝備小車軌道閃光對焊焊接接頭的質(zhì)量。本文參照鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.2—2014《鋼軌焊接第二部分：閃光對焊》[6]，并結(jié)合港口機(jī)械起重裝備小車軌道使用工況、性能要求等制定小車軌道閃光對焊焊接接頭的常規(guī)試驗項目，落錘試驗2次、靜彎試驗2次、拉伸試驗7次、沖擊試驗13次、其中試驗數(shù)量為一種材質(zhì)的試驗數(shù)量。軌頂面硬度試驗點(diǎn)數(shù)為29、縱斷面硬度試驗點(diǎn)數(shù)為45。

除對小車軌道閃光對焊焊接接頭進(jìn)行上述常規(guī)試驗項目外，同時研究在不同焊接工藝參數(shù)下A100-90 kg/mm2軌道接頭硬度與焊縫中心線距離的變化趨勢以及焊縫金相組織的區(qū)別。

2 常規(guī)試驗結(jié)果

2.1 落錘試驗

隨機(jī)選取A100-90 kg/mm2和A100-110 kg/mm2各2個軌道接頭進(jìn)行落錘試驗，落錘高度3.8 m，錘重1 t。其中，A100-90 kg/mm2的一個軌道接頭斷裂在母材處，另一個軌道接頭進(jìn)行多次落錘試驗均未斷裂；A100-110 kg/mm2的2個軌道接頭均斷裂在母材處。參照TB/T 1632.2—2014《鋼軌焊接第二部分：閃光對焊》并結(jié)合試驗情況進(jìn)行分析判定，認(rèn)定該落錘試驗結(jié)果為合格，具體試驗情況如表2所示。

表2 軌道接頭落錘試驗情況表

2.2 靜彎試驗

軌道接頭靜彎試驗分為軌頭受壓和軌頭受拉2種，隨機(jī)選取A100-90 kg/mm2和A100-110 kg/mm2各2個軌道接頭進(jìn)行靜彎試驗，其中A100-90 kg/mm2軌頭受壓和軌頭受拉接頭分別加載至200 t（1 961.3 kN）和157 t（1 539.6 kN），最大撓度變形分別為28 mm和27 mm，軌道接頭均未發(fā)生斷裂現(xiàn)象；A100-110kg/mm2軌頭受壓和軌頭受拉接頭分別加載至190 t（1 863.3 kN）和160 t（1 569.1 kN），最大撓度均為25 mm，軌道接頭均未發(fā)生斷裂現(xiàn)象。參照TB/T 1632.2—2014《鋼軌焊接第二部分：閃光對焊》并結(jié)合試驗情況進(jìn)行分析判定，認(rèn)定該靜彎試驗結(jié)果為合格，具體試驗情況如表3所示。

表3 軌道接頭靜彎試驗情況表

2.3 力學(xué)性能試驗

軌道接頭力學(xué)性能試驗共進(jìn)行7個圓棒拉伸試驗和13個焊縫沖擊試驗，隨機(jī)選取A100-90 kg/mm2和A100-110 kg/mm2各2個軌道接頭進(jìn)行試樣加工，每種材料中一個軌道接頭加工成圓棒拉伸試樣，另一個軌道接頭加工成沖擊試樣。

2.3.1 拉伸試驗

對A100-90 kg/mm2和A100-110 kg/mm2的各7個圓棒拉伸試樣進(jìn)行試驗，試驗溫度為20 ℃，記錄測量每個試樣的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率。其中A100-90 kg/mm2軌道接頭的屈服強(qiáng)度試驗結(jié)果范圍為605～698 MPa、抗拉強(qiáng)度試驗結(jié)果度范圍為838～879 MPa、延伸率試驗結(jié)果度范圍為6.60%～12.00%；A100-110 kg/mm2軌道接頭的屈服強(qiáng)度試驗結(jié)果范圍為809～887 MPa、抗拉強(qiáng)度試驗結(jié)果度范圍為981～1 011 MPa、延伸率試驗結(jié)果度范圍為7.20%～9.60%。參照TB/T 1632.2—2014《鋼軌焊接第二部分：閃光對焊》并結(jié)合DIN536-1-1991《德國起重機(jī)軌道標(biāo)準(zhǔn)》、訂貨要求及鋼材質(zhì)保書制定軌道接頭拉伸試驗合格標(biāo)準(zhǔn)，具體試驗情況如表4所示。

表4 軌道接頭拉伸試驗情況表

2.3.2 沖擊試驗

對A100-90 kg/mm2和A100-110 kg/mm2的各13個焊縫沖擊試樣進(jìn)行試驗，沖擊試樣缺口為2 mmU形缺口，沖擊試驗溫度為20℃，記錄每個試樣的沖擊功值。其中A100-90kg/mm2軌道接頭的沖擊功值試驗結(jié)果范圍為3～7 J，A100-110kg/mm2軌道接頭的沖擊功值試驗結(jié)果范圍3～10 J。由于DIN536-1-1991《德國起重機(jī)軌道標(biāo)準(zhǔn)》、訂貨要求、鋼材質(zhì)保書及實際需求都未對軌道的沖擊性能做出要求，該沖擊試驗結(jié)果僅做參考用，具體試驗情況如表5所示。

表5 軌道接頭沖擊試驗情況表

2.4 硬度試驗

軌道接頭硬度試驗分為軌頂面硬度試驗和縱斷面硬度試驗，隨機(jī)選取A100-90 kg/mm2和A100-110 kg/mm2各2個軌道接頭進(jìn)行硬度試樣加工，每種材質(zhì)其中一個軌道接頭將軌頂面加工去除1 mm加工成軌頂面硬度試樣，另一個軌道接頭沿縱向中心面對稱加工成厚度10 mm的縱斷面硬度試樣。

2.4.1 軌頂面硬度

軌頂面硬度試樣長220 mm，每個試樣共檢測29個測試點(diǎn)的布氏硬度。測試點(diǎn)共劃分為3個區(qū)域：AB、BC、CD，其中AB和CD區(qū)為母材硬度，測試點(diǎn)分布情況如圖5所示。

圖5 軌頂面硬度試驗測試點(diǎn)分布圖

其中A100-90 kg/mm2軌道接頭熱影響區(qū)寬度為30 mm，AB區(qū)共檢測10個測試點(diǎn)，布氏硬度值范圍為272～289 HBW；BC區(qū)共檢測9個測試點(diǎn)，布氏硬度值范圍為263～315 HBW；CD區(qū)共檢測10個測試點(diǎn)，布氏硬度值范圍為270～292 HBW。A100-110 kg/mm2軌道接頭熱影響區(qū)寬度為33 mm，AB區(qū)共檢測10個測試點(diǎn)，布氏硬度值范圍為326～370 HBW；BC區(qū)共檢測9個測試點(diǎn)，布氏硬度值范圍為329～359 HBW；CD區(qū)共檢測10個測試點(diǎn)，布氏硬度值范圍為321～395 HBW。根據(jù)訂貨要求、鋼材質(zhì)保書及港口機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議確定軌道接頭軌頂面硬度試驗合格標(biāo)準(zhǔn)，具體試驗情況如表6所示。

表6 軌道接頭軌頂面硬度試驗情況表 HBW

2.4.2 縱斷面硬度

縱斷面硬度試樣長220 mm，測試軌頂面以下5 mm處（測試線1）的維氏硬度值，測試點(diǎn)以焊縫中心向兩側(cè)布置，測試間距為5 mm，共45個檢測點(diǎn)。測試點(diǎn)共劃分為3個區(qū)域：AB、BC、CD，其中AB和CD區(qū)為母材硬度，測試點(diǎn)分布情況如圖6所示。

圖6 縱斷面硬度試驗測試點(diǎn)分布圖

其中A100-90 kg/mm2軌道接頭熱影響區(qū)寬度為31 mm，AB、BC、CD各區(qū)均檢測15個測試點(diǎn)，維氏硬度值范圍分別為263～405 HV10、309～401 HV10、317～ 380 HV10；A100-110kg/mm2軌道接頭熱影響區(qū)寬度為33 mm，AB、BC、CD各區(qū)均檢測15個測試點(diǎn)，維氏硬度值范圍分別為327～411HV10、260 ～ 433HV10、351 ～ 421HV10。由 于 DIN536-1-1991《德國起重機(jī)軌道標(biāo)準(zhǔn)》、訂貨要求、鋼材質(zhì)保書及實際需求都未對軌道縱斷面維氏硬度做出相應(yīng)要求，該縱斷面硬度試驗僅做參考用，具體試驗情況如表7所示。

表7 軌道接頭縱斷面硬度試驗情況表 HBW

3 硬度趨勢及金相組織研究

在A100-90 kg/mm2軌道接頭閃光對焊工藝參數(shù)1的基礎(chǔ)上提高焊接電流、脈動時間，縮短穩(wěn)定燒化時間形成閃光對焊工藝參數(shù)3。各選取兩種工藝的2個軌道接頭進(jìn)行硬度試樣和金相組織試樣的加工。

3.1 硬度變化趨勢

硬度試樣對軌底面加工去除1 mm并進(jìn)行酸洗，每個硬度試樣共測試101個點(diǎn)的布氏硬度，測試點(diǎn)沿測試線從焊縫中心線至兩側(cè)距焊縫中心線100 mm范圍內(nèi)均勻布置，測試間距為2 mm，測試點(diǎn)分布情況如圖7所示，各工藝參數(shù)下軌道接頭硬度試樣如圖8、圖9所示。

圖7 硬度趨勢試驗測試點(diǎn)分布圖

圖8 工藝參數(shù)1下軌道接頭硬度試樣

圖9 工藝參數(shù)3下軌道接頭硬度試樣

其中在工藝參數(shù)1下軌道接頭熱影響區(qū)寬度為30 mm，熱影響區(qū)共檢測15個測試點(diǎn)，布氏硬度值范圍為265～315 HBW；母材區(qū)1和母材區(qū)各檢測43個測試點(diǎn)，布氏硬度值范圍分別為262～294 HBW、261～291 HBW。在工藝參數(shù)3下軌道接頭熱影響區(qū)寬度為35 mm，熱影響區(qū)共檢測17個測試點(diǎn)，布氏硬度值范圍為260～312 HBW；母材區(qū)1和母材區(qū)各檢測42個測試點(diǎn)，布氏硬度值范圍分別為266～293 HBW、262～289 HBW。具體試驗情況如表8所示，硬度距焊縫中心線變化趨勢如圖10所示。

圖10 硬度變化趨勢圖

表8 硬度趨勢試驗情況表

從表8可知，軌道接頭熱影響區(qū)硬度平均值在工藝參數(shù)3下相對于在工藝參數(shù)1下略有下降，母材區(qū)硬度平均值大體保持一致。由圖10可知，硬度距焊縫中心線變化趨勢均是焊縫中心硬度低，向兩側(cè)熱影響區(qū)突然升高保持相對穩(wěn)定，并在熱影響區(qū)邊緣突然降低，然后向兩側(cè)母材區(qū)逐步升高并趨于穩(wěn)定。

3.2 焊縫金相組織

對焊縫金相組織放大500倍進(jìn)行觀察，其中工藝參數(shù)1下焊縫金相組織如圖11所示，工藝參數(shù)3下焊縫金相組織如圖12所示。

圖11 工藝參數(shù)1下焊縫金相組織

圖12 工藝參數(shù)3下焊縫金相組織

圖11顯示在工藝參數(shù)1下焊縫金相組織為鐵素體和珠光體，圖12顯示在工藝參數(shù)3下焊縫金相組織為鐵素體、鐵素體魏氏組織和珠光體。在工藝參數(shù)3下焊縫存在著魏氏組織主要是由于該工藝焊接電流大、脈動時間長導(dǎo)致焊縫組織過熱造成，且魏氏組織會影響了軌道焊接接頭性能[7]。

4 結(jié)論

本文主要研究港口機(jī)械起重裝備小車軌道閃光對焊的可行性，并通過落錘試驗、靜彎試驗、拉伸試驗、沖擊試驗、硬度試驗等來驗證閃光對焊的可行性，并研究了不同工藝參數(shù)下軌道硬度距焊縫中心的變化趨勢和焊縫金相組織的區(qū)別，得出下列結(jié)論：

1）港口機(jī)械起重裝備小車軌道閃光對焊焊接接頭性能良好，落錘試驗軌道接頭均未在焊縫處發(fā)生斷裂，靜彎試驗軌道接頭未發(fā)生斷裂，拉伸試驗屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率均符合要求，軌頂面布氏硬度滿足使用要求。

2）改變港口機(jī)械起重裝備小車軌道閃光對焊焊接工藝參數(shù)，會影響軌道接頭熱影響區(qū)的寬窄和焊縫組織性能，并會對熱影響區(qū)的硬度值產(chǎn)生一定的影響。

3）港口機(jī)械起重裝備小車軌道閃光對焊焊接接頭硬度是從焊縫中心向兩側(cè)熱影響區(qū)突然升高保持相對穩(wěn)定并在熱影響區(qū)邊緣突然降低，然后向兩側(cè)母材區(qū)逐步升高趨于穩(wěn)定的趨勢。