钢轨与高锰钢的实物对接焊试验研究

钢轨与高锰钢的实物对接焊试验研究

0试件、测试方法和仪器目前，二次闪存焊可以成功焊接钢和舰之间的焊接，但由于生产能力高，在推广应用方面受到一定的阻力。文献采用手工电弧焊的办法,对高碳钢和高锰钢的焊接进行了系统的分析研究,文中在此基础上对钢轨和辙叉标准试件进行了焊接,通过大量的试验研究工作,确定出一套实用可行的焊接工艺,标准试件通过铁道部产品质量监督检验中心检验,其结果均达到和超过了相关标准的技术要求,技术成果已通过省级鉴定。该技术由于生产成本较低等特点,通过线路试铺考核后便可推广应用。文中试验条件中的试件、焊接材料、试验依据、焊接规范见文献,测试及分析仪器选用:OLMYPUSPMG-3(奥林巴斯)光学显微镜;S570型扫描电镜;JCXA-T33型电子探针仪;MODELHB-3000B硬度测定仪;JB-30A冲击试验机;WE-300A液压万能试验机;WAW-Y500静弯试验机;YY-200液压脉动疲劳试验机。1通过对高碳钢钢丝绳和高锰钢轮廓的焊接工艺进行了大量的研究，最终确定了全覆盖双介质过渡层的方法、双u型梯度连接的对称焊接方法和一些特殊的焊接工艺措施。该焊接工艺稳定地保证了焊接的质量，是一种实用可行的焊接方法。焊接工艺步骤如下：1焊接工艺的精度；2过渡层焊接；3焊接工作台的焊接；4焊接层的焊接；5焊接结构的焊接；5焊接形式的焊接；6焊接头的焊接检验1.1钢模叉和过渡层焊接对于钢轨与辙叉的焊接,由于工件被焊截面有一定厚度的过渡层金属。所以实际上最终是在过渡层之间进行焊接。从而大大地化简了钢轨与辙叉的焊接难度。采用双介质过渡层金属的目的主要是解决高锰钢与高碳钢不利于直接焊接的问题。为了适应这两种材料各自的焊接特点,在钢轨和辙叉被焊部位先分别堆焊一层介质金属材料,既过渡层,然后再将带有过渡层的钢轨和辙叉进行焊接。从而简化了焊接工艺,只要能确保过渡层的焊接质量,对于过渡层与过渡层之间的焊接就容易的多。采用不同金属的双介质过渡层的另一个目的,是通过过渡层来实现钢轨和辙叉的综合性能,如保证强度、韧性、硬度等力学性能;减小热胀系数、应力变形等物理性能;防止碳、铬等金属迁移扩散造成组织缺陷、稳定金相组织结构等;提高耐磨损、抗冲击、冷作硬化、抗疲劳、抗裂纹敏感性等使用性能。由于采用两种不同介质材料的过渡层,所以能很好地实现钢轨和辙叉的综合性能,又具有良好的焊接性能,从而大大地降低了钢轨和辙叉的焊接难度,巧妙地简化了焊接工艺。过渡层采用手工电弧焊的方法进行堆焊,过渡层厚度不小于5mm,高碳钢钢轨侧过渡层材料选用自制的Cr-Ni-Mo合金系Φ4.0mm的电焊条,焊接电流160A,堆焊三层焊缝。高锰钢辙叉侧过渡层材料选用自制的Mn-Cr-Ni合金系Φ3.2mm的电焊条,焊接电流90～100A,堆焊五层焊缝。焊后的过渡层需加工成如图1a的坡口形式。1.2全包覆过渡层的优点在钢轨和辙叉对接焊的过程中,当接头焊缝焊满后,需要进行盖面焊接,在盖面焊接过程中,必然会涉及到母材表面熔化的问题。所以采用全包覆过渡层方式,可以有效地避免对母材表面的再次熔化,从而保证了母材不再发生组织和性能的变化,进一步稳定了焊接接头的质量。采用全包覆过渡层工艺是在堆焊成形的过渡层周围,再堆焊厚度大于5mm、宽度大于15mm的包覆焊层,如图1b所示。所用的焊接材料型号、规格尺寸、焊接工艺及规范与过渡层堆焊相同。1.3次水韧固溶法高锰钢辙叉侧过渡层堆焊后接头的热影响区中,不可避免地会有少量的碳化物析出,进行二次水韧固溶处理工艺能够彻底消除热影响区析出的碳化物,确保热影响区无析出碳化物,从而进一步提高焊接接头的质量。其工艺是将带有全包覆过渡层的辙叉进行1050℃的二次水韧处理,可有效地消除堆焊过渡层时析出的碳化物。1.4确定加工工艺由于钢轨和辙叉被焊断面形状不规则,在焊接时会产生较大的变形。所以希望能够实现对称焊接,且在保证正常运条操作的场合下,焊接坡口越小越好。经过大量试验后最终确定加工成如图2所示的U型坡口形式。这样就可以实现对称焊接的工艺,避免了由于焊接不对称引起的变形问题。而且还大大地缩小了焊缝的宽度,不仅节省了焊接材料,提高了焊接效率,而且,焊缝的变窄,对减少焊接缺陷非常有利。这种开放式的对称双U形坡口的焊接接头形式,便于熔敷金属热胀冷缩的自由伸缩,从而减少了焊接应力,减轻了焊接变形的程度。这种坡口形式,使常规焊接时焊缝深度减小了一半,而且便于焊接操作及运条,容易监视焊接过程及控制每道焊缝的质量。1.5正反面交替焊接将钢轨和辙叉按图3所示,用专用夹具装配平直,并进行焊接点固。选用Cr-Ni-Mo合金系Φ3.0mm的电焊条,焊接电流110A,进行单面焊反面成形打底焊接,焊后进行机械清根。然后选用Mn-Cr-Ni合金系Φ4.0mm的电焊条,焊接电流130A,对对称双U形坡口的焊接接头进行正反面交替焊接,既正面焊一道,反面焊一道的工艺,焊接速度与正常平焊速度一样。为了减轻高锰钢辙叉侧热输入量的积累,每层焊缝先在钢轨侧焊第一道,最后一道在辙叉侧焊,这种工序恰好符合这两种材料受热的特点。在层间温度不高于200℃的条件下,可连续进行焊接,直到焊完为止。这种工艺能巧妙地解决热输入量叠加积累的问题,能使热量均匀分散,且便于散热,从而减轻高锰钢辙叉侧的热输入量。而且更重要的一点是能很好地解决焊接变形的问题,实践证明,不采用任何夹具进行对称焊接,焊后的叉轨也不会产生变形。这种工艺可大大地提高焊接速度。焊后的钢轨与辙叉,依据有关标准,将焊接接头机械加工或打磨成形。然后对整个焊接接头进行超声波检验和外观质量检验,没有发现任何影响接头质量的缺陷。2试验结果主要表现为采用上述焊接工艺,对高锰钢短轨(长600mm)和高碳钢钢轨(长600mm)标准件进行了批量焊接。通过铁道部产品质量监督检验中心进行了静弯及疲劳检验,对焊接接头的拉伸、冲击、硬度等力学性能进行了检验,结果见表1,对焊接接头进行了金相组织分析,见图4～图7。检验结果均达到和超过了国内外相关标准的技术指标要求。在静弯试验中共做了五根试件的检验,静弯值的测试结果非常接近和稳定,而且断裂部位均远离焊缝,全部断裂在高锰钢辙叉母材上,说明静弯值远高于高锰钢辙叉母材的静弯强度,弯曲挠度也远远超过了国外二次闪光焊的技术指标。在弯曲疲劳试验过程中,按标准要求一组做三根,实际一次做了五根,每根均达到了200万次无断裂的效果。另外对叉轨的焊接接头试样,进行了力学性能试验及金相组织分析,从表1中可以看出,拉伸强度及冲击韧性均高于参照标准中的指标。焊接接头的硬度趋于钢轨与辙叉母材的硬度值之间,说明焊接材料硬度的选择是比较合理的。另外对焊接接头组织进行了金相组织分析,图4是焊接接头的宏观组织,从图中可以看出,通过过渡层焊后处理后,没有明显的热影响区组织变化区间。图5是放大的高碳钢钢轨侧接头的金相组织,从图中可以看出,热影响区、熔合区及过渡层均无淬硬组织等缺陷。图6是高锰钢辙叉侧接头的放大金相组织,从图中可以看出,热影响区、熔合区及过渡层均无碳化物析出等缺陷。图7是焊缝与过渡层的金相组织,组织均为奥氏体。从如上试验结果及分析可知,采用这种焊接工艺对钢轨和辙叉进行焊接,能够保证焊接接头的质量要求,是一种可行的焊接工艺。该项技术成果已通过了省级鉴定,其焊接工艺方法具有创新性,具有重大的社会效益和经济效益,经科技查新,该技术填补了国内外空白,并申请了国家发明专利。3高锰钢侧过渡层焊接接头加工(1)采用全包覆双介质金属过渡层的方式,可以大大地化解了这两种材料的焊接难度。同时也简化了焊接工艺。(2)采用双U形对称坡口接头形式,不仅可以控制焊接过程中的变形,而且还能提高焊接效率,减少工作量,节省焊接材料。(3)采用高锰钢侧过渡层二次水韧处理工艺,可获得无碳化物析出的焊接接头。(4)采用对称双U形坡口的焊接接头进行交替焊接的工艺,恰好符合高碳钢和高锰钢这两种材料焊接受热的特点。在层间温度不高于200℃的条件下,可连续进行焊接,直到焊完为止。这种工艺能巧妙地解决