50㎏/m武钢U71Mn钢轨闪光焊接性能探讨

陈海田（济南工务机械段，济南 250022）



50㎏/m武钢U71Mn钢轨闪光焊接性能探讨

陈海田
（济南工务机械段，济南 250022）

摘 要：本文对铺设于山东磁东线的50kg/m武钢U71Mn钢轨进行闪光焊接性能探讨，研究焊接性能。一次性通过25个焊接接头的落锤检验项目，具有较好的焊接性能。依据热处理曲线调整热处理参数，使得接头与母材硬度相当，焊接接头在线路使用中与母材同步磨耗，减少了接头低塌、延长了钢轨使用寿命。

关键词：GAAS80/580焊机；闪光焊；50㎏/m；U71Mn钢轨

0　引言

山东磁东线需要铺设50kg/m武钢U71Mn钢轨，济南焊轨基地投产以来首次焊接50㎏/m的钢轨。50㎏/m钢轨的型式尺寸特点，对焊轨基地工序提出特殊要求，涉及设备工装改造、生产组织、焊接试验等。根据TB/T1632-2014的要求，50㎏/m武钢U71Mn钢轨首次焊接前必须进行焊接工艺试验。本文主要探讨50kg/m武钢U71Mn钢轨闪光焊接性能。

1　U71Mn的化学成分

试验用轨为武钢U71Mn（50㎏/m）热轧钢轨，设计时速≤160Km/h，依据TB/T2344-2012标准轧制。从化学成分分析，在本批次钢轨中，Si和Mn元素接近标准上限，两种元素可以改变珠光体和铁素体的相对含量以及珠光体的片间距，提高钢轨的强度和硬度，但是二者影响钢轨的可焊性，尤其是Mn元素，在焊接过程中容易形成高熔点化合物（灰斑），降低焊接接头的抗冲击性能。两种钢轨的型式尺寸差异，是进行GAAS80焊机和ZH600热处理设备工装改造、调试的依据。

2　设备工装改造及调试

50kg/m钢轨与60kg/m钢轨比较，主要是钢轨高度小24mm、横截面积小11.65 cm2，据此，GAAS80焊机更换专用推凸刀，ZH600热处理机更换专用线圈。焊机调整起拱量：起拱量定位在“-10”位置，并相应调整对中结构。通过调整，焊接自动对中系统与50kg/m钢轨匹配。

3　闪光焊接试验

3.1焊接工艺参数试验

焊接试验在GAAS80/580焊机上进行，针对50kg/mg钢轨与60kg/m钢轨横截面积比例以及两者处同一化学成分标准的特点，结合以往焊接U71Mn钢轨的经验，采用预热闪光焊工艺，落锤检验采取2.5m高度，2锤不断、灰斑不超标为合格。

工艺特点为软规范，即焊接时间长，顶锻量大，焊接热影响区宽，端面温度高，结晶充分，对应到工艺参数各个阶段为低速度高电流闪平、大热量投入的预热、稳定的匀加速烧化，大压力的有电顶锻和合适压力的保压。其缺点是加热区过宽引起热影响区晶粒粗大、灰斑缺陷较多。通过两种轨型的截面面积比，原参数的预热电压按照比例缩小。先焊接接头3个，出现超标灰斑，分析对比大截面钢轨焊接曲线，认为焊接过程投入热量过大，加速烧化阶段不稳定，应再次降低预热电压，创造有利烧化的温度场；进一步降低两个加速烧化阶段的电压，同时提高烧化末速来增大焊接端面的温度梯度，加强顶锻前的防氧化气氛；降低顶锻压力和保压压力，辅助顶锻阶段排渣和金属结晶。经过调整，所焊5个接头3锤不断，灰斑面积最大4mm²，断口呈明显撕裂状形态，再次焊接20个焊接接头，结果一次性通过25个焊接接头落锤的检验。

试验总结：试验前对钢轨性能、化学成分等做好调查分析，有助于找准参数调整方向，获得可靠焊接工艺，同时也表明本钢轨有较好的可焊性。

3.2焊后热处理工艺参数试验

热处理设备为ZH600机床，采用双频热处理工艺，确定参数：加热温度860～880℃，风压0.12MPa，喷风时间≥90s。采用两种输入功率进行试验，原参数为低频110KW/高频70KW，新参数为低频功率65KW/高频功率40KW。使用原参数进行热处理的焊接接头砸断后轨顶芯部存在明显粗晶和细晶的分界线，说明轨顶芯部温度不足，热处理效果不良，而使用新参数的接头则全为细晶。原因是调整前的图像在低频阶段热平衡的时间比调整后少一半。本次试验采用65KW/ 40KW的热处理参数。

3.3焊接接头性能

3.3.1 硬度试验

对武钢U71Mn（50kg/m）焊接接头轨顶面硬度和纵断面测试线1硬度进行测定，结果为焊接接头轨顶面平均值与母材硬度比值为1.02，工作边比值为1，在线路应用中焊接接头磨耗与母材同步。软化带宽度小于20mm。宏观检查为热处理热影响区完全覆盖焊接热影响区。

3.3.2拉伸性能

对焊接接头进行拉伸性能检测，结果为经过热处理后焊接接头抗拉强度均大于810MPa，伸长率7.3%，达到标准要求。

3.3.3冲击性能和显微组织

试验结果为轨头、轨腰和轨底各部位冲击功均值分别为16.4J、7.8J、16.2J，其中轨腰冲击值偏低，分析认为使用双中频正火工艺低频段加热时轨腰温度过高且持续时间长，奥氏体晶粒长大造成冲击性能降低。检验结果符合标准要求。

3.3.4金相组织

晶粒度检验中轨头 为8.5级、轨底三角区为7.5级、两侧轨底脚为8级，符合标准要求。

3.3.5疲劳检验

经过载荷循环次数2×106，3支试样全部通过检验。

4　 分析

50kg/m武钢U71Mn钢轨一次性通过连续25个试头落锤检验，焊接性能较好，其中断口灰斑较少，分析认为降低预热热量输入、匹配加速烧化是主要原因。

焊接过程中，焊缝熔合线附近温度处于固液相之间，在过热区，奥氏体晶粒冷却后过于粗大导致“粗晶脆化”现象，该区奥氏体晶粒度仅为2级。焊缝正火后奥氏体晶粒度细化到8级，其冲击韧性得到极大提高。

5　结论

通过对50kg/m武钢U71Mn钢轨的闪光焊接性能研究，得出以下结论：（1）试验前对钢轨性能、化学成分充分分析，有助于提高试验效率，选用合适的工艺规范和参数匹配，能够获得可靠的焊接工艺。（2）通过两种轨型的截面面积比例来初步确定工艺参数，对将来调试75kg/m钢轨试验具有参考价值。（3）热处理试验时低频阶段保温时间长有利于晶粒度、拉伸、落锤、疲劳、硬度等性能地提高，同时导致轨腰温度高且保温时间过长使得组织晶粒偏大，轨腰部位冲击功值偏低。热处理参数调试时应兼顾各项力学性能指标。

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

作者简介：陈海田（1982-），工程师。