不同鋼種鋼軌廠焊工藝研究

黎 偉 方延安 苗建民

（武漢鐵路局武漢工務大修段武漢焊軌基地 武漢 430050）

無縫線路是軌道結構的基礎，焊接接頭是無縫線路最為薄弱的環(huán)節(jié)。我國鋼軌焊接方式主要包括固定式閃光焊（又叫廠焊）、移動式閃光焊、鋁熱焊等[1]。鐵路既有線曲線地段為了增強鋼軌的耐磨性一般采用熱處理鋼軌，直線段采用普通的熱軋鋼軌，曲線與直線地段由于軌種不同，進行鋼軌鋪設時曲線與直線地段交接的鋼軌焊接均為現(xiàn)場鋁熱焊焊接[2][3]。統(tǒng)計表明，移動式閃光焊由于受現(xiàn)場條件的限制，質量沒有廠焊接頭穩(wěn)定。鋁熱焊頭傷損率較高，統(tǒng)計顯示不同軌種鋁熱焊接頭傷損率達38.06 %[4]，不利于鐵路行車安全。為了提高無縫線路質量水平，軌道線路直線段與曲線段的鋼軌焊接采用廠焊的方式來代替鋁熱焊是十分必要的。文獻[3]和文獻[4]進行了通用焊接工藝參數(shù)焊接不同鋼種鋼軌的試驗研究，及焊接接頭的力學性能分析。研究結果表明不同鋼種鋼軌的焊接工藝是可行的，文獻中研究所使用的鋼軌均為同一廠家（包鋼）生產的。

本焊軌基地采用的熱軋鋼軌和熱處理鋼軌分別為武鋼和攀鋼生產，不同鋼廠采用的鐵礦石等原料及鋼軌生產設備有差別，導致不同廠家生產的同種牌號的熱軋鋼軌和熱處理鋼軌化學成分范圍有所差別，焊接性能不同，廠焊工藝參數(shù)也不一樣。

1 試驗材料

根據(jù)焊軌基地的實際情況，焊接試驗采用的熱軋鋼軌和熱處理鋼軌如下表1。

表1 試驗使用鋼軌

1.1 試驗方案

在焊軌基地流水線上進行焊接試驗，嚴格按照廠焊質量標準要求進行焊前選配、焊前除銹、焊接、焊后熱處理、焊頭外觀質檢與探傷等作業(yè)工序[5]。焊機為GAAS80/580型固定式閃光焊機，熱處理設備為ZH600型雙頻正火機床。

試驗焊接工藝采用預熱閃光焊。預熱閃光焊包括閃平、預熱、燒化、頂鍛、保壓等階段[6]，涉及的參數(shù)有幾十個，研究表明影響焊接工藝的關鍵參數(shù)有預熱時間、預熱二次電壓、快速頂鍛位移、頂鍛壓力等[7][8]。預熱時間：預熱階段鋼軌每次預熱接觸的時間，單位為秒；預熱二次電壓：預熱階段鋼軌接觸時施加到電極的電壓，單位為焊機最大二次電壓的千分比；快速頂鍛位移：焊接過程快速頂鍛時的位移極限，單位為毫米；頂鍛壓力：頂鍛時施加在兩待焊鋼軌上的縱向力，單位為焊機標定力值的千分比[6][8]。

表2 3套工藝方案關鍵工藝參數(shù)

在焊機的SWEP06系統(tǒng)中采用3套工藝方案進行焊接試驗，預熱次數(shù)都為11次，每套工藝方案各焊5個接頭。3套工藝方案的主要參數(shù)見下表2，其中1#、2#方案分別為60kg/m武鋼U75V熱軋鋼軌和攀鋼U75VH熱處理鋼軌通過了型式檢驗的參數(shù)，3#方案在1#、2#方案的基礎上進行適當調整后生成的參數(shù)。

根據(jù)TB/T1632.2-2014閃光焊接中型式檢驗硬度項目的檢驗規(guī)則，熱軋鋼軌與熱處理鋼軌之間的焊接，采用熱軋鋼軌的平均硬度來確定軟化區(qū)寬度[9]。焊后熱處理工藝采用現(xiàn)有武鋼U75V熱軋鋼軌雙頻正火-噴風工藝[10]，具體參數(shù)見下表3。

表3 焊后熱處理工藝參數(shù)表

圖1 1-3號焊頭斷口

表4 焊頭落錘與斷口結果

3 試驗結果與分析

3.1 落錘檢驗及斷口分析

對3套工藝方案下的共計15個焊頭進行落錘檢驗，落錘高度為5.2m，并切開查看斷口。落錘結果如表4所示。

從上表4中看出，1#、2#工藝方案焊接的接頭落錘結果均有砸斷的情況。1-3、1-5號焊頭斷口照片如圖1、圖2所示。

圖2 1-5號焊頭斷口

圖1 中1-3號焊頭斷口軌腳處灰斑呈貫穿狀。圖2中1-5號焊頭斷口軌腳處有相鄰兩個大面積灰斑，灰斑長度最大達9mm，占軌腳邊緣厚度的75%，且灰斑附近斷口有明顯的臺階，說明斷裂源為灰斑處。軌腳處大面積的灰斑導致接頭強度降低，且圖1、圖2中的灰斑形狀均沿鋼軌截面縱向呈長條狀分布。分析顯示灰斑的主要成分是低熔點硅的氧化物。結合焊接曲線和工藝參數(shù)來看，表2中1#工藝方案的預熱二次電壓是三套方案中最大的，焊接電流曲線中首次預熱電流數(shù)值中，1#工藝方案的5個接頭也較大，最大的為1-3號焊頭67.8KA。焊接參數(shù)中預熱二次電壓設置大，預熱電流就大，焊件端面熱量就高，端面形成的溫度梯度分布過寬，導致焊接熱影響區(qū)的鋼軌材質偏軟，頂鍛時由于鋼軌軟而不容易將熔合面的缺陷和液態(tài)層排擠干凈，容易形成大灰斑，且由于受到頂鍛時擠壓力的作用，此情況下形成的灰斑一般沿鋼軌截面縱向呈長條狀分布[11]。

圖3是2-3號接頭斷口照片，可以看出軌底斷口較平整，沒有明顯的撕裂狀。說明焊頭結合強度不夠，在落錘沖擊功的作用下脆性斷裂。表2中2#工藝方案的預熱二次電壓是三套方案最低的，快速頂鍛量和頂鍛壓力是三種方案中最大的。預熱二次電壓小，導致預熱時電流小，熱量輸入低，容易導致焊件端面溫度梯度分布過窄，而頂鍛階段由于快速頂鍛量、頂鍛力設置大，頂鍛行程大且頂鍛過程迅速完成，使得焊縫熔合面的金屬來不及擠出，焊縫金屬出現(xiàn)鐓粗現(xiàn)象，導致焊頭力學強度降低[11]。

圖3 2-3號焊頭斷口

3#工藝方案的5個接頭落錘和斷口均合格，灰斑面積較小，說明該方案的工藝參數(shù)設置是較為合理的，可選用3#工藝方案進行焊接型式檢驗

3.2 硬度檢驗及分析

使用3#工藝方案焊接兩個接頭，并用表3的熱處理工藝參數(shù)進行焊后熱處理，按照TB/T1632.2-2014的要求取樣進行硬度檢驗。接頭縱斷面測試線1洛氏硬度和軌頂面布氏硬度結果見表5，表5的硬度檢驗結果滿足TB/T1632.2-2014的要求。接頭縱斷面測試線1的硬度分布曲線見圖4所示，圖4中橫軸一格為間距5mm。采用熱軋鋼軌的平均硬度確定軟化區(qū)寬度，圖中可以看出接頭焊縫左右兩側的軟化區(qū)寬度分別為0和5mm均小于20mm，滿足標準要求。通過圖4硬度曲線軟化區(qū)寬度的內邊界來確定熱影響區(qū)寬度，計算得到熱影響區(qū)寬度為72mm，在60～80mm之間，滿足要求。

表5 硬度檢驗結果

4 結論

采用3套工藝方案進行武鋼U75V熱軋鋼軌和攀鋼U75VH熱處理鋼軌焊接試驗，焊頭經落錘及斷口分析，3#工藝方案下的焊頭落錘和斷口均合格，采用3#工藝方案進行鋼軌焊接試驗是合理可行的。對焊頭進行焊后熱處理，按照要求取樣進行硬度檢驗，檢驗結果表明焊后熱處理工藝滿足要求。最終確定的焊接和熱處理工藝為武鋼U75V熱軋鋼軌和攀鋼U75VH熱處理鋼軌焊接型式檢驗創(chuàng)造了有利條件，下一步將按照TB/T1632-2014的要求組織進行型式檢驗，爭取早日進行焊接生產并到現(xiàn)場鋪設使用。