某核電站行車(chē)軌道用U71Mn鋼的 焊接及熱處理工藝研究

郭文龍

(福建省鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院漳州分院， 福建 漳州 363000)

0 前言

U71Mn鋼以其高強(qiáng)度、耐疲勞、耐磨損等出色性能，廣泛應(yīng)用于高速鐵路用鋼軌、起重軌等領(lǐng)域。某核電站行車(chē)軌道材料為U71Mn，共有18個(gè)接頭，采用焊接連接的方式形成無(wú)縫鋼軌，有效避免了沖擊、振動(dòng)等傳統(tǒng)連接方式造成的問(wèn)題，提高行車(chē)使用壽命及保障了運(yùn)行過(guò)程的安全問(wèn)題。U71Mn 鋼為高碳中錳鋼，可焊性較差，易出現(xiàn)裂紋。在行車(chē)軌道焊接第一次工藝評(píng)定中，焊縫出現(xiàn)裂紋，在后續(xù)的磁粉檢驗(yàn)中被檢測(cè)出。針對(duì)工藝評(píng)定結(jié)果進(jìn)行分析，找出原因且對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，確保了第二次焊接工藝評(píng)定取得成功，避免焊接裂紋再次出現(xiàn)。

1 U71 Mn 鋼的特性

根據(jù)廠家提供的質(zhì)量證明書(shū)， U71Mn鋼的化學(xué)成分、力學(xué)性能如表 1 。

表1 U71Mn鋼的化學(xué)成分

主要力學(xué)性能: σb≥949MPa , σs≥450MPa

依據(jù)日本JIS標(biāo)準(zhǔn)碳當(dāng)量計(jì)算公式CE = C+ Mn/6 + Si/24 + Cr/5 + Mo/4 + V/14 +Ni/40，計(jì)算出U71Mn鋼的CE=0.92。

一般認(rèn)為碳當(dāng)量 CE = 0.4% ～0.6% 時(shí)，尤其是CE＞0.5%時(shí)，鋼材易淬硬，表明焊接性已變差，焊接時(shí)需預(yù)熱才能防止裂紋，隨板厚增大預(yù)熱溫度要相應(yīng)提高。而該U71Mn鋼的碳當(dāng)量CE計(jì)算值為0.92，遠(yuǎn)高于0.5。另外在焊接過(guò)程中, 母材熔化進(jìn)入熔敷金屬，使焊縫中的含碳量增高，產(chǎn)生高碳馬氏體，易產(chǎn)生冷裂紋；焊接材料中的磷、硫等雜質(zhì)元素控制不當(dāng)時(shí)，也易產(chǎn)生弧坑熱裂紋。

針對(duì)U71Mn 鋼焊接性特點(diǎn)，在工藝評(píng)定、現(xiàn)場(chǎng)操作中需采用合理的焊接、熱處理工藝來(lái)改善焊接性能，以獲得合格的焊接接頭。

2 第一次焊接工藝評(píng)定

2.1 焊接材料

焊材為J70C-1軌道專(zhuān)用焊條，直徑Φ=4.0，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表2。

焊材焊前需經(jīng)過(guò)烘焙（溫度為250℃以上，1-2小時(shí)）。

2.2 焊接組對(duì)

接頭形式為I型接頭，組對(duì)間隙15～23mm。焊接前采取反變形措施，把軌道墊起一定的高度以保證在焊接完畢后，軌道能保證平直。根據(jù)以往核電建設(shè)施工經(jīng)驗(yàn)，軌道接口處焊接前用銅板作為接頭的墊板墊高約20mm。

表2 J70C-1焊材化學(xué)成分

焊前對(duì)軌道鋼焊接坡口組對(duì)區(qū)域約20～30mm內(nèi)的鐵銹、氧化物清除并打磨至金屬本色，并對(duì)坡口進(jìn)行PT液體滲透檢驗(yàn)，確認(rèn)表面無(wú)缺陷后進(jìn)行組對(duì)。

2.3 預(yù)熱

焊前對(duì)軌道焊接接頭進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱采用遠(yuǎn)紅外電加熱的方法。加熱器圍繞軌頭，軌腰和軌底，并盡可能貼緊鋼軌。鋼軌上包裹保溫棉，保障預(yù)熱均勻；

預(yù)熱溫度為 350～400℃，升溫速度≤150℃/h。預(yù)熱長(zhǎng)度為焊縫中心線兩側(cè)各約150～200 mm。采用紅外線測(cè)溫儀測(cè)量預(yù)熱溫度，以靠近軌道焊接接頭區(qū)域附近的溫度為準(zhǔn)。達(dá)到預(yù)熱溫度后，開(kāi)始焊接。

2.4 焊接

焊接中采用直流焊機(jī)且反接，焊接參數(shù)為：電流160～260A、電弧電壓20～26V、焊接速度60～120mm/min。焊接軌底、軌腰兩側(cè)時(shí)可用銅板作為側(cè)墊。

軌道對(duì)接焊縫分三層，如圖 1。

圖1 焊接接頭分層示意圖

第一層焊縫焊接：軌道接頭處底部墊厚 5～8mm的銅板，以保證底部成型良好。兩軌道底部之間的組對(duì)間隙為15～20mm，焊接電流170～190A。

第二層焊縫焊接：清除底部填充焊接的焊渣，焊接前在軌道兩側(cè)面采用銅板端頭作為側(cè)墊，銅板與軌道的間隙為3～5mm，側(cè)墊銅板隨著軌道腰部焊接焊縫高度提升而上升。其間隙可在焊接中用直徑φ4.0焊條進(jìn)行控制，一般情況下，軌道截面小時(shí)，間隙取小值；軌道截面大時(shí)，間隙取大值，以便焊接中的熔渣流出。焊接時(shí)焊條在焊縫中間引弧，并采用回焊法收弧，焊接電流200～260A。

第三層焊縫焊接：采用70C-1焊條進(jìn)行堆焊，堆焊高度應(yīng)高于母材約2～3mm，焊接電流200～260A。堆焊層在接頭消應(yīng)力熱處理冷卻至室溫后，打磨至與軌道光滑過(guò)渡。

焊接過(guò)程中應(yīng)隨時(shí)檢查接頭的變形情況。焊縫焊接完成后都必須把焊渣清除干凈后才能繼續(xù)施焊。接頭應(yīng)盡可能一次性焊接完，如被迫中斷或是需要更換焊條，此時(shí)要采取適當(dāng)?shù)拇胧?duì)焊縫進(jìn)行緩冷；再次啟動(dòng)焊接，焊縫層間溫度應(yīng)不低于最低預(yù)熱溫度，避免產(chǎn)生裂紋。

接頭焊縫完成后必須清除所有焊渣，并立即修補(bǔ)所有焊接缺陷和其他不平整處。軌道焊接及修補(bǔ)完工以后，反變形的墊板才能全部抽出。

2.5 焊后熱處理

采用遠(yuǎn)紅外電加熱的方法進(jìn)行加熱，恒溫溫度為600～650℃，時(shí)間為1小時(shí)。熱處理恒溫結(jié)束后，采用保溫材料進(jìn)行保溫，使其緩慢冷卻，降溫速度≤150℃/h。

2.6 驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

2.6.1 表面外觀

焊縫表面力求成形美觀，焊縫邊緣應(yīng)光滑過(guò)渡到母材；軌道表面焊縫應(yīng)與母材平齊且不得低于母材。

2.6.2 無(wú)損檢驗(yàn)

熱處理完畢24小時(shí)之后進(jìn)行100%磁粉檢驗(yàn)，焊縫表面不允許有任何裂紋。

2.6.3 控制變形

軌道接頭處高低差應(yīng)小于1mm，軌道側(cè)向不平度小于1mm，且平滑過(guò)渡。

2.7 評(píng)定結(jié)果

磁粉檢驗(yàn)的結(jié)果顯示，在軌道焊縫底部發(fā)現(xiàn)了多處裂紋，焊縫打磨至低于母材時(shí)仍未能消除，判斷為穿透性裂紋。

3 原因分析

3.1 結(jié)構(gòu)因素的影響

軌道焊縫接頭形式為I字型對(duì)接接頭，接頭應(yīng)力較大，焊接中焊縫不均勻受熱、接頭組織相變引起的應(yīng)力相互疊加，極易產(chǎn)生裂紋。

3.2 內(nèi)部組織的影響

相關(guān)文獻(xiàn)表明，室溫下軌道U71Mn鋼焊縫組織為高碳馬氏體，具有強(qiáng)度、硬度高，易淬硬的特點(diǎn)，且焊縫中存在顯微裂紋。第一次焊接工藝評(píng)定的預(yù)熱溫度過(guò)低，加之單根軌道長(zhǎng)度較長(zhǎng)、散熱較快也產(chǎn)生一定程度不利影響；焊后熱處理的時(shí)間較短，亦不利于應(yīng)力釋放、氫的擴(kuò)散，因而微觀缺陷易擴(kuò)展形成冷裂紋。后續(xù)改進(jìn)中，應(yīng)當(dāng)從這兩個(gè)方向著手進(jìn)行改善。

4 第二次焊接工藝評(píng)定

4.1 評(píng)定方案改進(jìn)

針對(duì)以上原因分析，在第一次焊接工藝評(píng)定方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，具體如下：

（1）提高預(yù)熱溫度及恒溫時(shí)間，從原來(lái)的350～400℃、無(wú)恒溫時(shí)間，改進(jìn)為預(yù)熱至490℃、恒溫0.5～1小時(shí)后開(kāi)始焊接。

（2）增加焊后熱處理的時(shí)間，從原來(lái)的恒溫1小時(shí)，改進(jìn)為恒溫2小時(shí)，然后采用保溫材料進(jìn)行保溫，使其緩慢冷卻，以利于焊縫中氫的擴(kuò)散逸出，同時(shí)也改善了接頭的應(yīng)力狀況。

4.2 評(píng)定結(jié)果

為了檢驗(yàn)焊接方案改進(jìn)后的效果，磁粉檢驗(yàn)選在熱處理完畢120h后進(jìn)行。結(jié)果表明，未發(fā)現(xiàn)裂紋，且軌道U71Mn鋼接頭其余力學(xué)性能、宏觀金相檢驗(yàn)亦符合質(zhì)量技術(shù)要求，第二次工藝評(píng)定取得成功。

5 結(jié)束語(yǔ)

（1） U71Mn為高碳錳鋼，焊接時(shí)必須保證溫度的均勻性，不能驟冷驟熱。

（2）軌道用 U71Mn鋼可焊接性較差，需要特別注意對(duì)焊接、熱處理工藝參數(shù)進(jìn)行控制。選擇較高的預(yù)熱溫度，增加預(yù)熱、熱處理時(shí)間等措施有利于焊縫中應(yīng)力釋放、擴(kuò)散氫的逸出，改善了接頭狀況，防止U71Mn鋼裂紋的產(chǎn)生。

（3）經(jīng)過(guò)改進(jìn)，優(yōu)化焊接熱工藝參數(shù)，U71Mn鋼焊接質(zhì)量穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)符合核電站相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)后續(xù)同類(lèi)軌道鋼材焊接有借鑒作用。

[1]崔忠圻.金屬學(xué)與熱處理[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2001

[2]焊接手冊(cè)(第2版)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992.

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