（机械工程专业论文）高强韧性贝氏体钢轨接触焊工艺优化试验研究.pdf

高强韧性贝氏体钢轨接触焊i ：艺优化试验研究 摘要 我国铁路经过2 0 世纪8 0 、9 0 年代的重载和近几年的高速发展后，目前己基本形成 高速与重载并举的局面。为满足我国铁路运输大运量、高密度、重载的需要，对于线路 上的钢轨要求也越来越高。在此背景下鞍钢率先启动了“高强韧性贝氏体钢轨研究”项 目，并且成功生产出我国的第一批贝氏体钢轨，它将目前使用的钢轨抗压强度由9 0 0 m p a 级提高到了1 i o o m p a 级，使钢轨具有更为良好的机械性能。将贝氏体钢轨铺设到线路上， 首先要具有良好的焊接性能。对于其焊接性能的研究，目前国内还处于摸索阶段。 贝氏体钢轨焊接性能的好坏，直接关系到此种钢轨的推广价值。因此利用目前所使 用的接触焊( 即闪光对焊) 机研究贝氏体钢轨的焊接性能具有十分重要的意义。按照铁 标t b l 6 3 2 9 1 要求，每焊接一种新材质钢轨都要设计一套新的焊接参数，通过型式检验， 检验钢轨的焊接性能和所确定焊接参数的优劣。最好的办法是在实验室进行了小试件焊 接试验，摸索出新钢种的焊接性能，评价贝氏体钢轨的可焊性。在小试件试验中，摸索 出一套焊接参数，并在此基础上，在g a a s s o 7 0 0 接触焊接机上设定参数，对6 0 k g m 贝 氏体钢轨行进焊接工艺试验。 g a a s 8 0 7 0 0 型接触焊机共有2 7 个参数，其中1 3 个参数对钢轨焊接质量影响较大。 在针对新钢种的试验中，设定工艺参数十分困难，每次型验都在试验上千个接头以上才 能摸索出一套完整的焊接参数，其原因在于1 3 个参数之问的相互影响和制约。因此要 深刻解析焊机施焊过程的本质及接头的内在构成，需要了解各参数的变化对接头质量的 影响规律，并且省时、省力、省材料，从而快速完成型式检验。正交试验方法就是根据 接触焊参数的特点，从数学角度逐渐逼近优佳参数的试验方法。本方法省时省力，仅用 两百多个接头就找出了一套合适的焊接参数。采用这套参数施焊的接头，通过了 t b 1 6 3 2 9 1 所要求的各项检验，并此基础上研究开发出一套正火工艺参数，圆满完成了 型验任务。 采用萨交试验法，十分迅速地制定出一套合适的接触焊接参数，它标志着贝氏体钢 轨的应用进入了实质性阶段，使贝氏体钢轨成为最有前途，能够满足我国铁路高速、重 载和强韧性的要求，成为2 1 世纪的新一代钢轨。 关键词：贝氏体钢轨；焊接性能；正交试验 人选交通人学l ：群硕十学何论文 a b s t r a c t c h i n ar a i l w a ya f t e rt h e2 0 t hc e n t u r y8 0 9 0e r ah e a v ya n dt h er a p i dd e v e l o p m e n ti n r e c e n ty e a r s ，h a sb a s i c a l l yt a k e ns h a p eb o t hh i g h - s p e e da n dh e a v y d u t ys i t u a t i o n i no r d e rt o m e e tc h i n a sl a r g e s tr a i l w a yt r a n s p o r tc a p a c i t y ，h i g h - d e n s i t y ，h e a v y - d u t yn e e d so ft h er a i ll i n e f o rh i g h e ra n dh i g h e rd e m a n d s i nt h i sc o n t e x ta n g a n gf i r s ts t a r t e dt h e ”h i g h - s t r e n g t h d u c t i l e b a i n i t er a i ls t u d y ”p r o j e c t ，a n ds u c c e s s f u l l yp r o d u c e dc h i n a sf i r s tb a t c ho fb a i n i t er a i l ， i tw i l ln o wu s et h er a i lf r o m9 0 0m p ac o m p r e s s i v es t r e n g t hi n c r e a s e dt o1 10 0m p a , t h er a i li s m o r eg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s b a i n i t er a i lw i l lb el a i dt ot h el i n e ，w em u s tf i r s th a v eg o o d w e l d i n gp e r f o r m a n c e f o r i t s w e l d i n gp e r f o r m a n c e ，t h e d o m e s t i cc u r r e n ts t i l li nt h e e x p l o r a t o r ys t a g e b a i n i t er a i lw e l d i n gp e r f o r m a n c ei sg o o do rb a di sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ep r o m o t i o no f v a l u e ss u c hr a i l s ot a k ea d v a n t a g eo ft h ec u r r e n tu s e db yt h ec o n t a c tw e l d i n g ( i e f l a s h w e l d i n g ) m a c h i n et os t u d yb a i n i t er a i lw e l d i n gp e r f o r m a n c ei s o fg r e a ts i g n i f i c a n c e a c c o r d i n gt ot b 16 3 2 91r e q u i r e m e n t s ，e a c hw e l d e dr a i lo fn e wm a t e r i a ls h o u l dd e s i g nan e w s e to fw e l d i n gp a r a m e t e r s t h r o u g ht y p et e s t t ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo fr a i lw e l d i n ga n d w e l d i n gp a r a m e t e r ss e tb yt h ep r o s s oi nt h ew e l d i n gt e s t ，t h eb e s ta p p r o a c hi sc o n d u c t e di n t h el a b o r a t o r y w e l d i n gs m a l ls p e c i m e nt e s t i n g ，t oe x p l o r en e wt y p e so fs t e e lw e l d i n g p e r f o r m a n c e ，b a s em e t a lr a i l t h a tb a i n i t ew e i d a b i l i t yg o o d i nas m a l ls p e c i m e nt e s t s ，w e f o u n das e to fw e l d i n gp a r a m e t e r s ，a n db a s e do nt h i s ，s e tp a r a m e t e r sa tg a a s 8 0 7 0 0 c o n t a c tw e l d i n gm a c h i n et h e nt e s tt h e6 0k g mb a i n i t ew e l d e dr a i lr o a d g a a s 8 0 7 0 0s o l d e r i n gm a c h i n eh a sat o t a lo f2 7p a r a m e t e r s ，i n c l u d i n g13p a r a m e t e r s o nag r e a t e ri m p a c to nt h eq u a l i t yo fw e l d i n g i nl i g h to ft h en e ws t e e lp i l o t ，s e to fp a r a m e t e r s v e r yd i f f i c u l t ，a f t e rt e s t i n gt h o u s a n d so fj o i n t s ，e a c hp o s t m o n e mc a nb ee x p l o r e do v e ra c o m p l e t es e to fw e l d i n gp a r a m e t e r s ，t h er e a s o n i st h e13p a r a m e t e r sa n dt h ei n t e r a c t i o n b e t w e e ne a c ho t h e rc o n s t r a i n t s s os h o u l dd e e p l ya n a l y t i cw e l d i n gp r o c e s sa sw e l la st h e n a t u r eo ft h ei n t e r n a li o i n tc o n s t i t u t i o n ，a n db a s e do nt h i su n d e r s t a n d i n go ft h ec o n t e n ta n d p a r a m e t e r so ft h ej o i n tp r o p e r t i e so ft h en e e dt o b u i l dam a t h e m a t i c a lm o d e lt oi n t u i t i v e u n d e r s t a n d i n go ft h ec h a n g e si nt h ep a r a m e t e r so ft h ej o i n tq u a l i t yo fl a w s ，a n ds a v i n gt i m e ， e f f o r t ，t h ep r o v i n c i a lm a t e r i a l s ，t h u sr a p i dc o m p l e t e dt e s tp a t t e r n s o r t h o g o n a lt e s tm e t h o d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o l d e r i n gm a c h i n e ，f r o mt h em a t h e m a t i c a lp o i n to fv i e w g r a d u a l l ya p p r o a c h i n g ，t h et e s tp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o nm e t h o d t h em e t h o di st i m e s a v i n g ， j u s to v e r2 0 0j o i n t st oi d e n t i f ya s e to fh i g hq u a l i t yp a r a m e t e r s ，w e l d i n gp a r a m e t e r ss e tb yt h e j o i n t ，t h r o u g ht b 16 3 2 9 1r e q u i r e db yt h et e s t ，t ot h ed e p a r t m e n to ff r e q u e n c ys t a n d a r d s ，a n d b a s e do nt h i s ，c o m eu pw i t han o r m a l i z i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s ，t h e r e b ys u c c e s s f u l l ye n da p o s t m o r t e mt y p et a s k s 高强韧性贝氏体钢轨接触焊i ：艺优化试验研究 u s i n go r t h o g o n a lt e s t ，v e r yq u i c k l yt od r a wu pas e to fw e l d i n gp a r a m e t e r s ，i tm a r k s b a i n i t er a i lh a se n t e r e das u b s t a n t i v es t a g eo ft h ep r a c t i c e ，b a i n i t er a i lb e c o m et h em o s t p r o m i s i n g ，t os a t i s f yt h ec o u n t r y sh i g h s p e e dr a i l w a y ，a n dt h es t r e n g t ha n dt o u g h n e s so f h e a v yd e m a n d ，a n db e c o m et h e21s tc e n t u r y sn e wg e n e r a t i o no fr a i l k e yw o r d s ：b a i n i t er a i l ；w e l d i n gp e r f o r m a n c e ；o r t h o g o n a lt e s t 绪论 绪论 1 选题的背景和意义 随着我国铁路事业的飞速发展，列车运行的速度和载重不断提高，按铁路“十五” 计划和“半长期铁路网规划 ，未来1 5 年内，我国将建设客运专线1 2 万公里，完善 路网布局及两部开发建设新线1 6 万公里。预计每年铁路建设需钢轨约4 0 万吨，加上 既有线路，每年大修和维修钢轨8 0 万吨，我国铁路用钢轨的年需求量将达1 2 0 万吨左 右。为适应我国铁路发展对钢轨使用的要求，铁道部2 0 0 4 年制定的“铁路主要技术政 策”明确规定：客运专线和干线采用6 0 k g m 钢轨轨道结构，主要干线采用热处理钢轨 或微合金钢轨，运煤专线可采用7 5 k g m 热处理钢轨轨道结构。 我国铁路在经过2 0 世纪8 0 、9 0 年代的重载和近几年的提速发展后，目l j 己基本形 成了提速与重载并举的局面。经过五次大提速，我国铁路提速线路已达1 8 6 5 0 公里，占 j 下线延展长度的2 6 。线路平均运输总重己接近4 0 m 吨，铁路成为我国主要运输方式， 决定了我国铁路客货混运和大运量、高密度的特点。此外，我国已开行了牵引数定数5 0 0 0 吨的重载引车，大秦线运煤单元列车全列重量达1 0 0 0 0 吨1 2 1 ，因此，高速重载列车对于 线路质量的要求也不断提高，新设计生产的重载货车轴重达2 5 吨，加大了轮轨之间的 接触应力和疲劳负荷。与国外相比，我国铁路所用钢轨条件较为苛刻，对钢轨的要求也 更为严格。 为满足我国铁路运输大运量，高密度、客货混运及客运快速、货运重载的需要，钢 轨应具有如下优良的质量和综合使用性能：高纯净度以保证钢轨的内在质量；高精 度以保证钢轨的外观质量；高强度和良好的抗磨耗性能，以提高钢轨的承载能力和延 长钢轨的使用寿命；高韧性和良好的抗疲劳损伤和抗表面损伤性，以提高钢轨的安全 可靠性i2 1 。 因此，我国铁路根据不同线路的设计等级，速度目标值及轴重定量、密度等运输条 件不同，各线路不同路段的线路条件不同，钢轨的科学合理的分级尤为重要。但是，铁 路高速重载的迅速发展，使铁路钢轨失效同益严重，特别是曲线及大坡道地段钢轨的磨 耗、剥离掉块、压溃、核伤、擦伤等逐年增多，超出了换轨能力，已危及行车安全。铁 路繁忙及重载干线，如京广线、京沪线、石太线、大秦线等地段钢轨磨耗、剥离掉块非 常严重。山区半径区间，钢轨侧磨办非常快，许多钢轨超役使用。因此，提高钢轨性能、 延长使用寿命已迫在眉睫。如何确保铁路运输的安全和降低运营成本，减缓钢轨伤损， 避免严重伤损，延长其使用寿命，成为一个亟待解决的技术难题。目前铁路上使用的珠 光体组织的普通焊接轨和高速铁路上使用的合金轨，从各种机械性能上来看己发展到了 人选交通人学i i 科硕十学何论史 极限，耐磨性很难有质的提高。但是铁路运输事业的发展和人们对生活质量要求的提高， 又要求向更高的领域发展，早同生产出高质量的新一代钢轨。贝氏体钢轨就是在这种背 景下研制出的新钢种，它是根据显微组织状态命名的。贝氏体钢具有良好的强韧性、耐 磨性和使用寿命长等优点。经试验检验，贝氏体钢轨比珠光体钢轨的使用寿命延长几倍， 各项机械性能指标更优秀。为此，世界各国近几年来一直致力于强韧性、耐磨性好的贝 氏体钢轨研究探索，力求实现钢轨的更新换代，以率先取得全球范围的市场。英国、德 国、印度等国家在实验室相继取得了一些突破。由于是尖端科研项目，各国对此项目的 技术资料高度保密。鞍钢与铁道部铁科院合作，在我国率先启动了“高强韧性贝氏体钢 轨”研究项目，开发出这一新产品并实现批量生产。它将我国以往铁路路轨抗压强度， 由9 0 0 m p a 提高到了1 l o o m p a 。该钢轨批量生产后，需要上线试验，因此其焊接性能和焊 后热处理效果的好坏，直接影响到此特种钢轨的使用和推广。当前国内焊轨厂主要采用 闪光焊( 接触焊) 方法，线上主要采用气压焊和铝热焊。由于铝热焊焊剂研制周期长， 采用厂内接触焊和线上气压焊较为合适，因此研究开发此钢轨的接触焊接工艺成为其能 否上线试验的关键i 。 2 提高钢轨性能的有效途径 根据世界各国的经验，提高钢轨性能，增强其强韧性有两个过程： ( 1 ) 合金化。如英国钢铁公司加入合金元素c r ( 1 ) 的钢轨，澳大利亚铁路含c r n b v ， c r - m o 钢轨等，通过在标准碳素钢的钢轨中添加合金元素，提高钢轨强度，增加抗磨性 能，延长使用寿命1 2 j 。尽管钢轨合金化可以大幅度提高钢轨的强度，但韧性难以提高， 焊接性能降低，且成本高，现在世界各国合金钢轨的应用范围越来越少1 7 j 。 ( 2 ) 钢轨全长热处理是近年来各国公认的提高钢轨耐磨耗、抗压溃、抗剥离、抗疲 劳、耐冲击等提高线路质量最有效、最经济的方法i i o l , 我国铁路要求弯道半径1 0 0 0 m 和重载运输线路6 0 k g m 及以上的钢轨尽可能实现全长热处理，而直线段则由于成本较 高而采用素轨1 8 1 。 铁路高速重载的迅速发展，需要超高强度钢轨，即抗拉强度1 3 0 0 l p a 的钢轨，我 国进行全长热处理的u 7 4 、u 7 1 m n 、u 7 5 v 、u 7 6 n b r e 钢轨中，钢轨热处理后，u 7 4 、u 7 l m n 的抗拉强度1 0 7 8 l p a ，u 7 5 v 、p d 2 、u 7 6 n b r e 的抗拉强度l1 7 6 m p a ，满足不了特殊地段 线路的需要。发展超高强度的钢轨有两个途径，一是合金化，二是微合金化加热处理1 2 引。 根据我国铁路目前状况和资源状况，借鉴外国铁路高速重载的先进经验，发展微合会化 加热处理钢轨是首选。对于超高强度钢轨，利用目前使用的钢轨获得细片状珠光体贝氏 体组织，来获得超高强度钢轨，如前苏联研制的高碳热处理钢轨，含碳量为0 8 6 - - - 0 8 8 ，抗拉强度达到1 4 0 0 m p a 以上。含硼一钒的贝氏体钢轨硬度可达到4 5 0 h b ，抗拉强 绪论 度达到1 6 1 9 m p a ，美国研究的含硅、钼贝氏体组织钢轨，硬度可达到3 9 0 - - - 4 6 0h b ，抗拉 强度达1 3 0 0 - - - 1 5 0 0 m p a ，英国也开始研究含锰、钼元素的钢轨，其中还加入铌和铬。可见， 贝氏体钢轨钢具体超高的强度和韧性，是高强度高韧性钢轨发展的方向【1 1 】f 1 4 j 。 3 无缝线路的钢轨焊接技术 我国铁路无缝线路发展速度较快，既有线路换轨大修基本上都采用无缝线路。秦沈 客运专线，率先在新线建设时就采用无缝线路，今后将有更多的新线采用无缝线路。我 国无缝线路的钢轨焊接方式主要有闪光焊( 又称接触焊) ，铝热焊主要采用法国、德国 的铝热焊设备和焊剂，少量为国产铝热焊设备。气压焊设备主要为国产设备，目前已研 制出数控技术，基本消除了人为因素的影响，可使焊接质量显著提高，这三种焊接方法， 由于其自身的特点，被应用于不同的场合。 ( 1 ) 预热闪光焊 以s h l l a t e r 公司的g a a s 8 0 焊机为主流机型，焊接过程中采用大功率的次级整流电 源技术，恒值烧化、恒压项锻等多种闭环反馈控制方法，使钢轨以长时间短路、断路、 间断式电阻预热方式来提高钢轨焊接端面的加热效率，节约能源并使钢轨焊接端面受热 均匀。近年来，随着计算机控制技术和传感测试技术的发展，参数检测与质量判断技术 不断完善。其过程控制主要有：恒烧化、恒顶锻、恒压力、恒速送进、恒电压、恒电流 等多种组合控制与质量判断技术。美国、法国拉萨公司最新开发由计算机控制的钢轨焊 接检测系统，能够检测和记录钢轨焊接工作质量1 4 j 。 ( 2 ) 脉冲闪光焊 以乌克兰巴顿电焊所研制的k 型焊机为主流机型，该焊机是9 0 年代在连续闪光焊 基础上由巴顿电焊所开发出来的，没有明显短路一断路预热过程的新工艺焊机。主要采 用特殊结构设计，降低三次网路阻抗，高精度、高灵敏度的液压伺服阀等新技术，按输 出功率最大化控制要求，由计算机控制、柔性调节闪光全过程，适用6 0 - - 7 5 k g m 大截 面的重型钢轨焊接。闪光过程采用1 7 0 2 1 0 k v a 功率电源，在较低次级电压下，加热钢 轨。其焊接工艺特点是采用大电流预热，闪光连续过程稳定，声音柔和，加热所需时问 短，热影响区窄i l 引。 人连交通人学j ：榭硕十学位论文 表1同定式钢轨焊机技术性能 t a b l e1t e c h n o l o g i c a lp e r f o r m a n c eo ff i x e dr a i lw e l d i n gm a c h i n e 功率焊接面积 生产率 顶锻力 质量 焊机类型 ( k v a )( m m 2 ) ( 头d , 时) ( k n )( t ) g a a $ 8 0 7 0 06 9 0 1 2 0 0 02 5 6 0 0 4 0 g a a $ 8 0 5 8 05 4 01 0 0 0 02 05 0 03 5 k 1 9 0 k1 5 0 1 0 0 0 01 2 4 5 0 8 k 1 0 0 02 1 02 0 0 0 02 0 3 09 0 08 5 由于固定式钢轨闪光焊机的特点，此类型焊机均安装在焊轨基地进行焊轨作业，基 本上不受现场环境等自然因素的影响。因此，焊接接头质量稳定性较好，线路上绝大部 分焊接接头都是这种接触焊接头。 ( 3 ) 数控气压焊新技术 传统的钢轨气压焊工艺采用定压或两极加压顶锻焊接方式焊接。y j 一6 6 0 4 4 0 数控气 压焊机采用“三段加热”新工艺，配备先进的控制系统，新型保压推凸机构，可消除人 工操作造成的质量波动影响，降低了断轨率。它是由主控箱，油压转换机构及摆火机构， 参数监控与模块，能自动完成焊接过程与参数收集存储，此焊接技术应用于线路上钢轨 焊接。 ( 4 ) 铝热焊新技术 法国和德国不断推出铝热焊焊接新技术。法国铝热焊在我国铁路己普遍使用，效果 良好。德国t h e r m i t 公司s k v 钢轨铝热焊技术，采用双侧项浇浇铸。由于短时，快速预 热、大剂量焊剂及熔塞和焊瘤推除等先进工艺，提高了钢轨焊接质量，减少了铸造缩孔 等缺陷。铝热焊接还能用来原位修复无缝线路断路( 断缝) ，使无缝线路锁定轨温保持 不变。 ( 5 ) 电弧焊质量控制技术 英国w a 公司采用药：芯焊丝，明弧自保护半自动焊接方法进行钢轨焊接及道岔焊接， 不需要焊剂和保护气体，焊前只需要简单预热，焊后不需热处理，工艺简单。 4 铁道部行业标准( t b t 1 6 3 2 - 2 0 0 5 ) 对新材质钢轨型验检测标准 铁道部行业标准( t b t 1 6 3 2 - 2 0 0 5 ) 规定钢轨型号或牌号改变，首次焊接时必须进行钢 轨型验，其技术要求见表2 ： 4 表2 钢轨型验检验项目及试样数目 t a b l e2 p r o j e c t so f r a i l - b a s e di n s p e c t i o na n dn u m b e r so f t h es p e c i m e n 超声 静弯 显微 外观落锤 轨头轨头 疲劳拉伸冲击硬度断口 探伤 组织 受压受拉 全部全部2 51 233l12l1 5 外观：要求在焊缝中心线两侧各5 0 0 r a m 范围内轨项和轨头侧面直线度要小于0 3 m m ， 在焊缝中心线两侧各1 0 0 m m 范围内表面不平度不大于0 2 m m ，轨顶面及轨头侧面工作边 材料打磨深度不应超过0 5 m m 。 试件：要求焊接试件总长为1 3 m ，焊接接头居中。 超声波探伤：闪光焊焊接接头探伤采用超声波探伤，探伤频率大于4 m h z ，探伤范围 要对焊接接头，全断面进行探伤【1 5 l 。 落锤：锤头的质量为1 0 0 0 k g m 4 - 5 k g ，在3 1 m 高处静止自由落下，轧在试件焊口处， 两锤不断为合格i 引。 静弯：是用静弯试验机压头对试件进行压弯的加载速度不大于1 o m m s 。 表3 检验项目和试验合格数据 t a b l e3t e s ti t e m sa n dt e s tq u a li f i e dd a t a 序号 检验项目钢轨轨型6 0 k g m l 外观 h l m 直尺进行测鼙，标准按2 0 0 k m h 线路要求执行。 2 落锤h - - - - 3 1 m 、2 锤不断合格。 轨头受压f 三1 4 5 0 k n 不断。 3 静弯 轨头受拉眨1 3 0 0 k n 不断。 f 。= 9 5 k n f 。= 4 7 0 k n 4 疲劳 支距i 0 m ，载荷循环次数2 1 0 6 不断。 5冲击 a k 2 6 5 j 6 硬度h j 0 9 h p ，h j1 0 8 兰h p ，w _ 2 0 m m 。 7 显微组织焊缝，热影响区不应有马氏体，魏氏体组织。 无朱焊合，过烧，夹杂缺陷。允许存在少链灰斑单个面积不人 8 断口 丁1 0 m m 2 ，灰斑总面积不人丁2 0m m 2 。 人连交通人学i 。f l f ! 硕十。学位论文 第一章接触焊原理 “我国无缝线路的钢轨焊接方式主要有接触焊，铝热焊和气压焊三种。预热接触焊 以瑞士s h l l a t e r 公司的g a a s 8 0 焊机为主流机型，它固定在特有场地，具有自动化程度 高，先进的伺服系统和传感器，能分别独立记录焊接过程中的压力，电流，位移随时间 而变化的过程。从焊接质量上看，在十几年的使用过程中，钢轨焊接质量稳定，焊接参 数调整灵活，适用于各种钢轨的焊接。 1 1g a a s 8 0 系列焊机及其焊接原理 1 、接触焊机钢轨对焊的专用设备，目前铁路厂焊使用的焊机大多是固定式直流预 热接触焊机，主要型号是瑞士施拉特公司制造的g a a s 8 0 型系列焊机。本试验采用的焊 机型号为g 从s 8 0 7 0 0 型焊机，该焊机生产于1 9 8 9 年，1 9 9 0 年安装在沟帮子基地，采用 此焊机焊接过6 0 k g mu 7 4 、u 7 1 m n 、p d 3 、b n b r e 钢轨和1 0 4 7 4 6 平方毫米超大截面u 7 1 m n 、 p d 36 0 a t 轨。 g a a s 8 0 7 0 0 焊机焊接过程分为四个步骤：( 1 ) 闪平阶段( 2 ) 预热阶段( 3 ) 烧化阶段 ( 4 ) 有电流，无电流顶锻，共四个阶段。在焊接过程中每个阶段相互衔接共同完成一个焊 接循环。每个阶段的作用分别为： ( 1 ) 闪平阶段 闪平阶段在钢轨焊接过程中最重要的特征是闪光。闪光的实质是这样的：当钢轨端 部接触电流后，强大的电流全部由少数的接触点通过，由于接触点具有很大接触电阻， 便立即被加热到熔化状态。液态金属在其表面张力的作用下，这部分熔化了的金属，在 两钢轨端面形成了一系列的液体会属小桥即会属过桥。当强大的电流继续流过这些 很细的液体会属“小桥”时，在极短的时i j j 内，就把其加热到会属的气化温度，也就是 液体“小桥”。在一瞬徊j 开始强烈沸腾并产生爆炸，把“小桥”及共附近的金属液体以 火花形式喷射出来。“小桥”爆炸后，在钢轨端面留下一个凹坑，深度可达几毫米，其 过程产生的高温热量传导到钢轨的内部，使端面及邻近区域金属温度很快升高，这是闪 光的加热作用。一部分“小桥”爆炸后喷射出来，端面又形成新的接触，继续产生新的 小桥，这样使闪光不问断进行。不断的稳定闪光，能将钢轨端面的杂质，氧化物清除掉， 而且在金属气化爆炸形成的压力下，使空气不易侵入端口间隙，并且使断面电阻增大， 为快速升温做好准备。 要完成良好的闪光，一般应满足四个条件：有适当的闪平量，闪平量要大于对 轨时轨缝距离。端面以较低的速度移动，以激发闪光。g a a s s 0 焊机的闪平速度要 6 第一章接触焊原理 求0 3 0 5 m r n s 。有较高的闪平电流，6 0 k g r n 钢轨闪平时的电极直流电压在7 5 v 左右，电流达上万安培。有适当的接触压力，保证端面不能闭合，6 0 k g m 钢轨接触 压力约为0 5 n cm 2 【4 1 。 ( 2 ) 预热阶段 预热阶段采用脉冲直流电加热端面。电流脉冲是以焊机动架周期性进退形成的，此 阶段端面升温速度为9 1 2 s ，预热阶段加热有两个作用： 使钢轨焊接区有一定的温度梯度，在顶断时有足够的变化量。 可降低焊后的冷却速度。 预热阶段应该满足三个条件：a ) 、有适当的脉冲周期和次数。b ) 、有适当的加热电 流，6 0 k g m 钢轨预热电流在5 万a 左右，由于加热后期电阻随温升而提高，故后期预热 电流有所下降，预热时直流电压在2 v 左右。c ) 、有适当的接触压力，6 0 k g m 钢轨预热 时端面接触压力1 - 2 k g f cm 2 。 ( 3 ) 烧化阶段 烧化阶段也是强烈闪光加热的阶段，这一阶段对焊头质量有很重要的影响。这一阶 段有两个作用： 迅速提高端面温度，此时端面温升为8 1 0 s ，烧化后期端面温度已达到金属 熔点( 1 4 0 0 ) 以上1 1 2 j 。 良好的烧化要满足四个条件： a ) 、钢轨端面接近速度应相当于触点破坏造成的缩短速度，也就是说烧化电流与烧 化时动架进给速度要配合。焊机的烧化程度利用两次加速的工艺，初期采用低速以激发 闪光，后期采用高速以加强保护气氛，形成速度s 与时间t 的关系曲线。曲线一般可用 关系式：s = k t 6 来表达。其中k 为与金属性能有关系数，( k - - 0 5 左右) ，b 是金属性 能相关的指数( b = 2 左右) 。 b ) 、有较高的闪光电压，使闪光能激烈进行。6 0 k g m 钢轨烧化时电极电压为7 5 左右。 c ) 、有较高的接触压力，接触压力对形成闪光数目及加热的均匀性均有影响，6 0 k g m 钢轨的烧化压力4 k g cm 2 ，烧化后期由于端面金属烧化，使接触压力降了下来。 d ) 、烧化时闪光不能间断，尤其是在顶断前不可以中断。若闪光中断易造成液态金 属冷却和氧化，顶断后在焊缝内留下夹杂物。 ( 4 ) 有电顶断阶段 有电顶断是焊接过程中一个重要阶段，主要作用是： 封闭闪光端面间隙。 7 人连交通人学l ：科硕十：学位论文 继续短时加热焊缝，以保持顶断温度，此时接头的温升为8 0 一9 0 s 。 挤出焊缝液态金属，使焊接区产生塑性变形，它要求有较大的顶断速度和较大 的顶断压力1 6 1 。 ( 5 ) 无电顶断阶段 无电顶断是有电顶断的继续，其仍以较高的项断压力挤压焊缝，直至把全部熔化的 金属从焊缝内挤出，有电顶断和无电顶断要求有一定的顶断量。 综上所述，在接触焊接过程中，控制焊机每个阶段动作的主要焊接参数有： ( 1 ) 闪平压力( d r 3 2 ) ，( 2 ) 闪平电流a 值，( 3 ) 闪平量( b 1 3 e ) ，( 4 ) 预热压力( d r 3 2 ) ， ( 5 ) 预热电流时问( d 2 6 0 t ) ，( 6 ) 预热电流( b 值) ，( 7 ) 预热次数( h l z ) ， ( 8 ) 烧化压力( d r 3 5 ) ，( 9 ) 烧化电流( a 值) ，( 1 0 ) 烧化初速( i ) ，( 1 1 ) 烧化末速 ( i i ) ，( 1 2 ) 烧化量( b 1 4 e ) ，( 1 3 ) 有电顶断压力( d r 3 6 ) ，( 1 4 ) 有电顶锻时间 ( d 3 8 4 t ) ，( 1 5 ) 无电顶断时间( d 2 9 2 t ) ，( 1 6 ) 项锻限位( b 1 2 e ) 。其中，括号内 表示6 a a s 8 0 焊机有关参数的调节元件。 1 2 钢轨焊接参数选择基本原则 钢轨焊接接头的性能在很大程度上取决于焊接热循环作用下的相变与组织变化的 结果。因此，钢轨焊接参数选择的基本原则应该是在焊接热循环作用下，使接头内金属 组织能够获得接近母材的组织，从而得到较好的力学性能，避免产生马氏体组织等过热 组织，以防止接头性能，特别是塑性、韧性严重下降，这对于贝氏体组织的钢轨显得格 外重要。 焊接参数选择要注意的几个问题： ( 1 ) 钢轨端面上加热温度的分布 焊接时在钢轨端面上加热温度是否均匀，是否在端面上形成个均匀的塑性区，对 于焊接具有大截面面积的钢轨较为困难，能否通过调整预热电流、预热压力等参数值而 达到要求，具有较大的难度。 ( 2 ) 网络电压波动时焊接参数的包容性 预热次数及其加热程度对加热过程起着重要作用。为了获得稳定的加热量，保持参 数状态不偏离所选参数的原有状态，在网络电压波动时，预热电流要有包容性。由于沟 帮子地区网络电压波动较大，电压波动在3 8 0 _ 2 0 v 范围内，这就要求所选的参数，对 网络电压的波动可忽略，从而保证焊接质量的稳定性。另外对钢轨与电极接触表面是否 洁净对焊接质影响也很大1 2 4 。 ( 3 ) 最大限度减少焊缝上灰斑、半结晶等焊接缺陷 8 第一章接触焊原理 灰斑是闪光焊常见的主要缺陷，它是一种硅酸盐和其它氧化物的残存物，在接逢中 以准裂纹形态存在，对接头的动载性能有严重的有害影响。灰斑的形成与钢轨母材的化 学成分有关，也与焊接参数有紧密联系，形成的因素较为复杂而多变。在g a a s 8 0 焊机 上完全消除灰斑是很难的，但是在焊接参数选择时要力图摆脱母材纯净的不利因素，其 中一个主要因素是控制闪光末期的烧化进度，尤其是在端面合缝瞬间的烧化末速。这个 速度过大，意味着钢轨端面上烧化过度，烧化过程使端面上火口加深，从而使硅酸盐和 其它氧化物，如锰、硅、铝等的氧化物残存于火口底部的几率加大，顶锻后在断口上形 成灰斑。灰斑当中绝大多数不能依靠加大项锻量来消除，最有效的方法就是严格控制烧 化末速。但是烧化末速不宜过低，过低的烧化末速意味着烧化强度的减弱，削弱了钢轨 端面间隙区域内的保护作用，易于引起钢轨端面金属氧化，也同样易导致灰斑的形成【2 5 】。 ( 4 ) 两种顶锻方式的选择 顶锻量反映了接头区挤压程度的大小。顶锻量过小可能使两端面结合时的塑性变形 区结晶不充分，导致接头强度低，即形成疏松组织。过大顶锻量使结合区金属品格严重 扭曲，并使接头塑性区被过多挤压损耗，造成接头塑性、韧性严重下降，接头强度变差， 即形成半结晶缺陷。 因此，在一定加热条件下，要选择适当的顶锻量。当不能有效控制加热条件而造成 接头区加热程度过大时，可采用不控制顶锻量的顶锻方式进行焊接，即随着接头在高温 下抗力不同而随机挤压到不能再变形为止，这种方式要严格选择顶锻压力的大小，否则 将会产生不良结果。对于加热条件基本稳定的情况下还是采用控制顶锻量的顶锻方式为 佳。经长时间摸索验证，目前焊接钢轨时均采用自由顶锻，即顶锻压力一定，不采取限 位措施，可以最大限度地忽略其它因素对焊接加热过程的影响1 3 1 。 本章小结 我国无缝线路的钢轨焊接主要有接触焊，铝热焊和气压焊三种，其中以接触焊为主， 线路上的接头绝大数为接触焊接头。接触焊设备以s t t a l l t e r 公司的g a a s 8 0 焊机为主流 机型。接触焊过程采用大功率的次级整流电流技术、恒值烧化、恒压顶煅等多种闭环反 馈控制措施，使钢轨以长时间短路、断路、问断式电阻预热来提高钢轨焊接端面的加热 效率，节约能源和改善焊接端面温度均匀性，达到优质焊接效果。在焊接过程中有2 7 个参数可调，其中1 3 个参数对焊接质量有明显影响，通过参数调整可适应端面面积 1 2 0 0 0 平方毫米以下任何钢轨和轨种的焊接。因此，根据目前采用的几种焊接方法特点， 用接触焊焊接贝氏体钢轨应为首选的焊接方法。 9 人连交通人学i ：样硕卜学何论文 第二章钢轨接触焊接头组成及其热处理原理 钢轨的焊接就是采用适当的物理、化学过程，使两个分离的钢轨表面通过金属原子 之间的结合和扩散形成永久性连接的工艺过程。焊接接头形成后，不仅使被焊钢轨之间 在宏观上建立了永久性联系，而且在微观上建立了组织之间的内在联系。无论采用哪种 焊接方法焊接钢轨，都必然存在着加热、热量传播和冷却的过程。由于热量分布不均匀， 会在焊后接头中出现不同的组织区域和性能变化。 2 1 钢轨接触焊的焊接热循环 焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，在焊接件上某点的温度是随时间的延长由低 到高，达到最大值后，又由高到低变化。图2 1 为焊件上某一点的温度一时间变化示意 图。图中横坐标代表时间t ，单位s ；纵坐标代表温度t ，单位。在焊接热源作用下， 焊件上某一点的温度随时问变化的过程称为焊接热循环，钢轨焊接过程中端面上的任一 点都经历了热循环过程1 2 引。 t m “ 图2 1焊件上某一点的温度，时间变化示意图 f i g u r e2 1w e l d i n gp i e c e so fap o i n to nt h et e m p e r a t u r ea n dt i m ec h a n g e ss k e t c h 影响热循环特性的主要参数有加热速度，峰值温度( t h 。) ，高温停留时i 日j ( t 。) ，冷却 速度( 或冷却时间) 。 l o 第二章钢轨接触焊接头纲成及其热处理原理 钢轨焊接的加热速度与焊接方法，环境温度和待焊钢轨的温度有关，高温停留时间 由加热过程中停留时间t 。和冷却过程停留时间t ：组成。在金属组织发生转变( 相变) 温 度以上停留时间t 对奥氏体均匀化过程以及晶粒粗化影响很大，并且温度越高影响越强 烈，钢轨焊接温度超过l 1 0 0 c 会产生晶粒严重长大，停留时间越长加热区域即越宽，晶 粒粗化也就越严重。无论采用哪一种方法焊接钢轨最高温度都会超过l1 0 0 * c ，因此最终 会存在晶粒粗大的区域，焊接接头粗大晶粒区的宽窄是可以通过焊接工艺调整的，四种 焊接方法中，闪光焊的钢轨焊头粗晶区域最窄。 冷却速度( 或者冷却时间) 是最重要的参数之一，是影响焊接接头金属组织性能的 决定因素。冷却速度对于钢轨焊接而言是指从8 0 0 c 冷却到5 0 0 c 的平均速度，常用t 引。 时间来表示。在发生相变的温度范围，冷却速度直接影响到焊头的最高硬度，随着冷却 速度的增大，最高硬度也会增加。钢轨焊接过程某一瞬时，钢轨上温度分布( 称为温度 场) 常用等温面来表示，而等温面之间用等温梯度来表征。闪光焊接的电流热能集中在 钢轨端面，温度梯度陡，金属组织变化区域窄。钢轨焊接后的冷却过程是连续过程，不 同区域会产生不同的组织转变。焊接c c t 图可以反映接头从高温连续冷却时不同区域的 微观组织和硬度，不同的冷却速度可获得不同的组织结构，如冷却速度大时可获得贝氏 体( b ) 或马氏体组织( m ) 组织，冷却速度小时可获得珠光体组织( p ) 。不同钢号钢 轨的c c t 图通常由钢厂提供，明确标明铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体组织转变区域 并标出不同的冷却曲线，作为确定焊接参数时的参考依据i l6 1 。 2 2 钢轨接触焊焊缝及热影响区特征 接触焊接头由焊接区以及比邻的钢轨母材构成，焊接区又分为焊缝区和热影响区 ( h a z ) ，此区的力学性能通常差于钢轨母材。钢轨接头的质量不仅取决于焊缝，还取 决于热影响区，热影响区存在的问题有时比焊缝更为复杂。 ( 1 ) 焊缝 焊缝是指焊接钢轨形成的结合部分。焊接方法不同时，形成的焊缝宽度也不同，闪 光焊和移动气压焊的焊缝很薄，最大的宽度不到l m m ，呈现出一条白色的亮带特征，本 质上是一层贫碳层，这是钢轨焊接端面的碳被高温烧损而形成的贫碳结构。 ( 2 ) 热影响区 在焊接热循环的作用下，焊缝两侧固态母材，发生明显组织和性能变化的区域为焊 接热影响区，其组织分布和性能与焊接热循环的次数以及冷却条件有着密切的关系。由 于焊接本身具有加