75N U95Cr重載用過(guò)共析鋼軌氣壓焊質(zhì)量研究

廖馬宏，戴虹，楊翰，鄭霄

摘要：在大秦、朔黃等重載鐵路線路上，為了更好地滿足鋼軌高耐磨性的使用需求，攀鋼集團(tuán)研發(fā)出了1 330 MPa高耐磨U95Cr過(guò)共析鋼軌，現(xiàn)場(chǎng)焊軌施工亟需可靠穩(wěn)定高效的焊接工藝。采用 GPW-1200數(shù)控式氣壓焊軌機(jī)對(duì)75N U95Cr鋼軌開(kāi)展了焊接和正火工藝試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，采用該套工藝參數(shù)焊接（第一階段，乙炔/氧氣：111/107 SLM，焊接加熱270 s;第二階段，乙炔/氧氣：92/87 SLM，焊接加熱90 s）U95Cr接頭，硬度滿足《試鋪試驗(yàn)用高耐磨、高強(qiáng)韌過(guò)共析鋼軌氣壓焊接技術(shù)條件》要求，落錘、靜彎、疲勞、拉伸、沖擊、金相及晶粒度滿足TB/T 1632.4 《氣壓焊接》要求，氣壓焊接頭性能穩(wěn)定性、可靠性好，與閃光焊接頭性能相當(dāng)。

關(guān)鍵詞：U95Cr過(guò)共析鋼軌;氣壓焊;正火工藝試驗(yàn);力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：U213.9+2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）09-0091-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.09.17

0? ? 前言

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)母咚侔l(fā)展，高速、重載鐵路對(duì)運(yùn)營(yíng)安全，線路運(yùn)行的運(yùn)能及線路使用壽命提出了更高的要求。我國(guó)重載鐵路鋼軌與國(guó)外相比存在一定的差距，尤其是小半徑曲線鋼軌剝落、馬鞍形磨耗等病害問(wèn)題還沒(méi)有完全解決[1-6]。攀鋼新研制成功的U95Cr，其碳含量提升至0.95%，鉻含量提升至0.7% 以上，耐磨性能提升了20%[7-8]。U95Cr的成分與以往的珠光體類重載鋼軌有區(qū)別， 碳含量的增加和合金元素的加入均會(huì)對(duì)鋼軌的可焊產(chǎn)生明顯影響，焊接接頭容易出現(xiàn)二次滲碳體和軟化問(wèn)題，成為制約U95Cr 上線推廣應(yīng)用的技術(shù)難題。

文中對(duì)U95Cr鋼軌進(jìn)行氣壓焊接工藝和接頭質(zhì)量研究，為其在重載線路上的推廣使用提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用為攀鋼75N U95Cr熱處理鋼軌材料，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示。

采用集裝箱式GPW-1200型氣壓焊軌機(jī)進(jìn)行焊接和焊后熱處理一機(jī)化施焊。焊接及正火工藝參數(shù)如表2所示[9]。

焊接及正火過(guò)程的鋼軌接頭溫度監(jiān)測(cè)采用OPtris便攜式紅外測(cè)溫儀IR P20，檢測(cè)位置為鋼軌的軌頂面焊縫中心。

按照 TB/T 1632.4《氣壓焊接》及《試鋪試驗(yàn)用高耐磨、高強(qiáng)韌過(guò)共析鋼軌氣壓焊接技術(shù)條件》要求進(jìn)行型式檢驗(yàn)，包括探傷、平直度、硬度、金相顯微組織、晶粒度、拉伸、沖擊、落錘、靜彎和疲勞試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 焊接熱循環(huán)過(guò)程

U95Cr鋼軌氣壓焊接頭焊接和正火過(guò)程的溫度與冷卻速度典型測(cè)溫曲線如圖1所示，結(jié)果主要有：

（1）焊接過(guò)程中，軌頭焊縫處焊接加熱峰值溫度為1 080～1 178 ℃，焊后噴風(fēng)冷卻過(guò)程中焊縫溫度由800 ℃冷卻至500 ℃的時(shí)間為92～105 s，此溫度區(qū)間冷卻速度為2.90～3.12 ℃/s，焊后噴風(fēng)冷卻結(jié)束焊縫溫度為334～380 ℃。

（2）正火過(guò)程中，軌頭焊縫處正火加熱峰值溫度為892～957 ℃，正火強(qiáng)制風(fēng)冷過(guò)程中焊縫溫度由800 ℃冷卻至500 ℃的時(shí)間為95～98 s，此溫度區(qū)間冷卻速度為3.06～3.20 ℃/s，正火強(qiáng)制風(fēng)冷結(jié)束焊縫溫度為457～500 ℃。根據(jù)U95Cr鋼軌CCT圖，在此工藝下不會(huì)產(chǎn)生馬氏體脆硬組織。

2.2 落錘試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù) TB/T 1632《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求[10]，落錘高度為3.8 m，兩次不斷即為合格。本次試驗(yàn)選擇比標(biāo)準(zhǔn)要求更高的落錘高度5.2 m，對(duì)01#～20#接頭進(jìn)行落錘試驗(yàn)，結(jié)果如表3和圖2所示。接頭全部合格，斷口均未見(jiàn)缺陷，焊縫斷口呈撕裂狀，焊合效果好。

2.3 顯微組織及晶粒度

選取23#接頭進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果如圖3所示，焊縫組織為珠光體和少量鐵素體，熱影響區(qū)組織為珠光體組織，無(wú)馬氏體組織。選取24#及25#接頭進(jìn)行晶粒度評(píng)定，結(jié)果如表4所示，接頭焊縫區(qū)域的晶粒度均在6級(jí)以上，滿足TB/T1 632.4《氣壓焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 硬度試驗(yàn)

21#接頭軌頂面及22#接頭縱斷面的硬度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，滿足《試鋪試驗(yàn)用高耐磨、高強(qiáng)韌過(guò)共析鋼軌氣壓焊接技術(shù)條件》規(guī)定的軌頂面接頭硬度大于340 HB要求。

2.5 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

U95Cr鋼軌母材和26#接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，母材抗拉強(qiáng)度平均值為1 339 MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均值為9.0%，26#接頭的抗拉強(qiáng)度平均值為1 042 MPa，斷后伸長(zhǎng)率平均值為8.3%，滿足標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.4 《氣壓焊接》中抗拉強(qiáng)度Rm≥980 MPa、伸長(zhǎng)率A≥6.0%的要求。

2.6 沖擊性能試驗(yàn)

U95Cr鋼軌27#、28#氣壓焊接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。27#接頭沖擊試樣的沖擊功平均值為6.7 J，28#的沖擊功均值為6.9 J，滿足標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.4 《氣壓焊接》規(guī)定平均值A(chǔ)KU≥6.5 J的要求。

2.7 靜彎試驗(yàn)

對(duì)U95Cr鋼軌29#～43#接頭進(jìn)行靜彎試驗(yàn)，結(jié)果表明：在軌頭受壓承受1 960 kN載荷、fmax為12 mm條件下未發(fā)生斷裂，在軌頭受拉1 717 kN載荷、fmax為10 mm條件下也未發(fā)生斷裂，滿足 TB/T 1632.4《氣壓焊接》要求。

2.8 疲勞試驗(yàn)

對(duì)U95Cr鋼軌44#～46#接頭進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明：試樣在疲勞載荷Fmax為429 kN和Fmin為86 kN，試驗(yàn)頻率為5 Hz、應(yīng)力循環(huán)系數(shù)r=0.2的作用下，循環(huán)2×106次未發(fā)生斷裂，滿足 TB/T 1632.4《氣壓焊接》要求。

3 閃光焊與氣壓焊接頭的質(zhì)量對(duì)比

對(duì)比分析75N U95Cr鋼軌閃光焊與氣壓焊接頭型檢報(bào)告數(shù)據(jù)，結(jié)果如表8、表9所示?？梢钥闯觯瑲鈮汉负烷W光焊焊接方法焊接U95Cr鋼軌的接頭強(qiáng)度、硬度、軟化區(qū)寬度水平相當(dāng)，組織類型均為珠光體，晶粒度均大于9級(jí)，整體接頭性能水平相當(dāng)。

4 結(jié)論

（1）采用GPW-1200（75）氣壓焊軌機(jī)及成套焊軌工藝焊接攀鋼75 N U95Cr（PG5）過(guò)共析鋼鋼軌，接頭各項(xiàng)指標(biāo)（含落錘、金相、晶粒度、拉伸、沖擊、靜彎和疲勞等）滿足TB/T 1632《鋼軌焊接》要求，硬度滿足《試鋪試驗(yàn)用高耐磨、高強(qiáng)韌過(guò)共析鋼軌氣壓焊接技術(shù)條件》要求，無(wú)馬氏體組織，接頭質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

（2） 采用文中工藝參數(shù)，75N U95Cr鋼軌氣壓焊接頭與閃光焊接頭的各項(xiàng)性能水平相當(dāng)。

（3） 75N U95Cr高強(qiáng)耐磨鋼軌氣壓焊接頭熱影響區(qū)存在軟化問(wèn)題，采用正火快速冷卻工藝，接頭會(huì)出現(xiàn)馬氏體脆硬組織，減緩冷卻速度又會(huì)出現(xiàn)軟化，這個(gè)問(wèn)題有待于今后進(jìn)一步研究。

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