U71Mn與U75V鋼軌焊接可行性及可靠性研究.docx

此文檔收集于網(wǎng)絡(luò)，如有侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除U71Mn與U75V鋼軌焊接可行性及可靠性研究目 錄1不同材質(zhì)鋼軌焊接相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)31.1地方標(biāo)準(zhǔn)31.2行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)31.3應(yīng)用及研究情況32不同材質(zhì)鋼軌性能分析42.1化學(xué)成分42.2物理性質(zhì)52.3機(jī)械性能52.4結(jié)論53鋼軌氣壓焊63.1焊接原理63.2焊接工藝63.3材質(zhì)對(duì)焊接工藝的影響73.4材質(zhì)對(duì)焊接質(zhì)量的影響73.5可行性及可靠性分析74鋼軌鋁熱焊84.1焊接原理84.2焊接工藝84.3材質(zhì)對(duì)焊接工藝的影響84.4材質(zhì)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響104.5可行性及可靠性分析105鋼軌閃光焊105.1焊接原理105.2焊接工藝115.2.1預(yù)熱閃光焊115.2.2連續(xù)閃光焊125.2.3脈動(dòng)閃光焊135.3材質(zhì)對(duì)焊接工藝的影響145.4材質(zhì)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響155.5可行性及可靠性分析166結(jié)論及建議177參考文獻(xiàn)171 不同材質(zhì)鋼軌焊接相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)1.1 地方標(biāo)準(zhǔn)DB 11 995-2013 城市軌道交通工程設(shè)計(jì)規(guī)范中有如下規(guī)定：“軌道結(jié)構(gòu)部件及工程材料應(yīng)符合國(guó)家或行業(yè)的相關(guān)要求，全線軌道產(chǎn)品宜統(tǒng)一”。此條標(biāo)準(zhǔn)屬于建議性標(biāo)準(zhǔn)，表明無(wú)特殊情況盡量采用同種鋼軌焊接。1.2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1632.2-2005 鋼軌焊接是鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，主要分為四個(gè)部分：通用技術(shù)條件、閃光焊接、鋁熱焊接、氣壓焊接。其中閃光焊接、鋁熱焊接、氣壓焊接中關(guān)于不同牌號(hào)鋼軌焊接接頭質(zhì)量要求有如下規(guī)定：“不同牌號(hào)鋼軌之間的焊接，焊接接頭的質(zhì)量要求按照強(qiáng)度級(jí)別較低的鋼軌執(zhí)行”；鋁熱焊接中關(guān)于不同牌號(hào)鋼軌焊接焊劑選擇有如下規(guī)定：“供應(yīng)商應(yīng)在手冊(cè)中詳細(xì)列明所需設(shè)備及消耗性材料，以及詳細(xì)的操作方法，還應(yīng)包括下列內(nèi)容：不同牌號(hào)、型號(hào)的鋼軌所對(duì)應(yīng)的焊劑.”；由上述標(biāo)準(zhǔn)描述可知，鐵路中對(duì)于異種鋼軌焊接主要在焊劑選擇（鋁熱焊）和接頭質(zhì)量要求兩個(gè)方面有明確的規(guī)定，對(duì)于焊接工藝無(wú)明確規(guī)定。地鐵規(guī)范中對(duì)異種鋼軌焊接無(wú)明確規(guī)定。1.3 應(yīng)用及研究情況氣壓焊：不同材質(zhì)鋼軌氣壓焊接在實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有具體的應(yīng)用。鋁熱焊：施密特鋼軌技術(shù)（昆山）有限公司的鋁熱焊說(shuō)明書(shū)中有不同材質(zhì)鋼軌鋁熱焊接焊劑選擇的相關(guān)規(guī)定。武漢鐵路局探傷管理組的鋁熱焊焊縫探傷工藝中有不同材質(zhì)鋼軌鋁熱焊接焊劑選擇的相關(guān)規(guī)定。閃光焊：1、不同材質(zhì)如鋼軌和高錳鋼轍叉焊接有相關(guān)應(yīng)用。鋼軌與高錳鋼轍叉在線膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱性能上有很大差別不能直接焊接，高錳鋼轍叉和高碳鋼鋼軌的焊接一文中提出目前采用“過(guò)渡塊”，一般是一種用鈮或鈦穩(wěn)定化處理的低碳奧氏體鋼，先將其制成鋼軌形狀的過(guò)渡層，與鋼軌進(jìn)行閃光焊，再將帶有過(guò)渡層的鋼軌與高錳鋼轍叉焊接。2、貝氏體合金鋼軌與PD3鋼軌閃光焊接工藝研究中對(duì)貝氏體合金鋼軌與PD3鋼軌焊接進(jìn)行了試驗(yàn)，采用預(yù)熱閃光焊接工藝，通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)，確定了主要焊接參數(shù)進(jìn)行了閃光焊接并正火處理。焊后對(duì)焊縫進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)，符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值。研究表明貝氏體合金鋼軌與PD3鋼軌可以進(jìn)行閃光焊接，只要選取合適的焊接參數(shù)和熱處理參數(shù)，就能得到滿足標(biāo)準(zhǔn)的焊縫。3、鐵道科學(xué)研究院金化所現(xiàn)場(chǎng)焊接人員反饋在實(shí)際生產(chǎn)中存在不同材質(zhì)鋼軌采用閃光焊接，U71Mn和U75V鋼軌可以進(jìn)行閃光焊接，經(jīng)過(guò)前期的參數(shù)調(diào)整和工藝試驗(yàn)后進(jìn)行焊接，接頭可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。總體來(lái)說(shuō)，不同材質(zhì)鋼軌焊接在鐵路中有應(yīng)用并有相關(guān)規(guī)范，在地鐵中并無(wú)應(yīng)用的相關(guān)資料。2 不同材質(zhì)鋼軌性能分析地鐵中常用的鋼軌材質(zhì)有U75V和U71Mn兩種，這兩種材質(zhì)的鋼軌在化學(xué)成分、物理性質(zhì)、機(jī)械性能上有很大的不同。2.1 化學(xué)成分U75V鋼軌和U71Mn鋼軌兩者化學(xué)成分不同，各元素含量見(jiàn)表1-1。表1-1 U75V鋼軌和U71Mn鋼軌化學(xué)成分由上表數(shù)據(jù)可知，與U71Mn鋼軌相比，U75V鋼軌的含碳量有一定程度增加，Si和V的含量明顯提高，Mn的含量有所降低。由于含碳量略有增加，U75V鋼軌的抗拉強(qiáng)度、耐磨性及硬度有所提高，其塑性和韌性有所降低。Si易與氧化合，故能去除鋼中氣泡，使鋼質(zhì)密實(shí)細(xì)致。由于Si含量的提高，U75V鋼軌的耐磨性有顯著提高。但是Si也降低了U75V鋼軌的焊接性能。焊接時(shí)易產(chǎn)生低熔點(diǎn)硅酸鹽，增加了熔渣和融合金屬的流動(dòng)性，可能引起嚴(yán)重噴濺現(xiàn)象，影響焊縫質(zhì)量。同時(shí)，Si含量的提高降低了鋼軌熱傳導(dǎo)性能，焊接時(shí)需要強(qiáng)化加熱。V的含量增加可有效提高鋼軌的抗拉和疲勞強(qiáng)度，以及耐磨和耐腐蝕的性能。V在鋼中以碳化物V4C3的形態(tài)存在，起著細(xì)化鋼的組織和晶粒，降低鋼的過(guò)熱敏感性等作用。2.2 物理性質(zhì)鋼軌在加熱或冷卻的過(guò)程中，內(nèi)部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變的溫度稱為臨界溫度（臨界點(diǎn)）。臨界點(diǎn)Ac1表示鋼在焊接加熱時(shí)珠光體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度，臨界點(diǎn)Ac3表示鋼在焊接加熱時(shí)鐵素體轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度。臨界點(diǎn)Ar3表示鋼在焊接后冷卻過(guò)程中由奧氏體開(kāi)始析出鐵素體的溫度。臨界點(diǎn)Ar1表示焊接后冷卻過(guò)程中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的溫度。不同材質(zhì)的鋼軌，其臨界溫度是不同的，U71Mn的Ac1和Ac3分別為723和740；U75V的Ac1和Ac3分別為742和774。在焊后熱處理中，不同的冷卻速度下，鋼軌的臨界點(diǎn)Ar3和Ar1也有所不同。冷卻速度越快，臨界轉(zhuǎn)變溫度越低。2.3 機(jī)械性能U71Mn鋼軌與U75V鋼軌由于化學(xué)成分上的差異和生產(chǎn)工藝的不同，其機(jī)械性能也有所差異，見(jiàn)表1-2。表1-2 不同材質(zhì)鋼軌機(jī)械性能鋼軌型號(hào)生產(chǎn)工藝（Mpa）（Mpa）()軌頭硬度（HB）U71Mn熱 軋88049010260300在線熱處理118078410332391U75V熱 軋98061010280320在線熱處理120080010341401注：抗拉強(qiáng)度；屈服強(qiáng)度；伸長(zhǎng)率；HB布氏硬度2.4 結(jié)論通過(guò)對(duì)U75V鋼軌與U71Mn鋼軌的化學(xué)成分、物理性質(zhì)和機(jī)械性能分析可知，看出U75V鋼軌與U71Mn鋼軌相比在強(qiáng)度、硬度上有所提高但是可焊性卻有所降低。當(dāng)U71Mn與U75V鋼軌進(jìn)行焊接時(shí)，無(wú)論采用何種焊接方式都應(yīng)考慮其材質(zhì)對(duì)于焊接工藝和焊縫質(zhì)量的影響，調(diào)整焊接參數(shù)及焊后處理方法，得到質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)的焊縫。3 鋼軌氣壓焊3.1 焊接原理氣壓焊利用氣體燃燒產(chǎn)生的熱能將軌端加熱至熔化狀態(tài)或塑性狀態(tài)后，這部分金屬的原子具有足夠的活化能，并穿過(guò)界面互相急劇擴(kuò)散，此時(shí)對(duì)貼合面加壓頂鍛，施以足夠的擠壓力以便使焊接表面之間的距離縮短到原子之間的相互作用半徑，以求達(dá)到分子間的金屬鍵聯(lián)接，完成重新再結(jié)晶，以獲得兩鋼軌牢固連接的焊接接頭?，F(xiàn)場(chǎng)中常用的為塑性壓力焊，焊接過(guò)程中鋼軌不發(fā)生熔化，因此焊縫沒(méi)有脫碳層。優(yōu)點(diǎn)：氣壓焊是在頂鍛壓力作用下使加熱后的鋼軌端頭產(chǎn)生塑性變形、再結(jié)晶和擴(kuò)散等作用形成接頭，焊接過(guò)程中沒(méi)有其它焊接材料加入，完全是鋼軌材質(zhì)的金屬原子間接近、結(jié)合而形成金屬鍵，使鋼軌金屬連為一體，這種塑性壓力焊接的接頭性能與母材性能接近，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)鋼軌母材標(biāo)準(zhǔn)的90%以上，斷后伸長(zhǎng)率是母材的80%以上，正火后焊縫沖擊韌性與鋼軌母材相同。而且一次性投資小，無(wú)需大功率電源，焊接時(shí)間短。氣壓焊的焊接接頭是鍛造組織且沒(méi)有脫碳層，通過(guò)鍛造能消除金屬在冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的鑄態(tài)疏松等缺陷，優(yōu)化微觀組織結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于保存了完整的金屬流線，鍛件的機(jī)械性能一般優(yōu)于同樣材料的鑄件。缺點(diǎn)：火焰加熱能效低、加熱時(shí)間長(zhǎng)。焊接時(shí)對(duì)接頭端面的處理要求十分嚴(yán)格，受環(huán)境、溫度、機(jī)具等因素的影響，焊接工藝尤其受人為因素影響大，自動(dòng)化程度低，焊頭質(zhì)量波動(dòng)較大，不易控制。同時(shí)由于氣壓焊的焊接溫度較低，一般只加熱到1250，且為固相結(jié)合，因此其焊接質(zhì)量與閃光焊相比稍低。3.2 焊接工藝將需焊接的鋼軌端面清理干凈，然后對(duì)準(zhǔn)并緊密貼合（施加一定的預(yù)頂力），用氣體火焰（例如氧+乙炔焰）加熱端面周圍到塑性狀態(tài)，待金屬原子具有了足夠的活化能，能夠穿過(guò)貼合面互相急劇擴(kuò)散時(shí)，即對(duì)貼合面加壓頂鍛，使得焊接表面之間的距離縮短到原子之間的相互作用半徑，達(dá)到分子之間的金屬鍵聯(lián)接，完成重新結(jié)晶和牢固聯(lián)結(jié)。工藝流程：準(zhǔn)備作業(yè)-拉軌-鋸軌配軌-端面處理-對(duì)軌-壓接機(jī)定位-安裝加熱器-點(diǎn)火焊接-加熱及頂鍛-推瘤-正火-矯直及打磨-質(zhì)量驗(yàn)收-施工現(xiàn)場(chǎng)清理。氣壓焊的主要焊接參數(shù)有：氧氣、乙炔壓力、流量、加熱器火焰、加熱器擺動(dòng)量、加熱時(shí)間、撤壓時(shí)間、頂鍛量等。氣壓焊的焊接示意圖如圖3-1所示：圖3-1 氣壓焊的焊接示意圖3.3 材質(zhì)對(duì)焊接工藝的影響U71Mn和U75V鋼軌采用氣壓焊焊接與同種材質(zhì)鋼軌焊接的參數(shù)相比在氧氣、乙炔流量、壓力等方面基本一致，主要的差異在于加熱時(shí)間、撤壓時(shí)間和頂鍛量。由于U75V的熱傳導(dǎo)性能較差，采用氣壓焊接需要較高的焊接溫度和較長(zhǎng)的加熱時(shí)間，因此U71Mn和U75V鋼軌參數(shù)調(diào)整時(shí)應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)焊接時(shí)間，延長(zhǎng)焊接時(shí)間的同時(shí)增大加熱器的擺動(dòng)量和擺動(dòng)次數(shù)。同時(shí)采取保溫、保壓等措施，通過(guò)工藝試驗(yàn)確定最優(yōu)參數(shù)。3.4 材質(zhì)對(duì)焊接質(zhì)量的影響氣壓焊的焊接過(guò)程是再結(jié)晶過(guò)程，U71Mn和U75V鋼軌在碳、硅、錳、釩等元素含量不同，再結(jié)晶過(guò)程形成的焊縫在化學(xué)成分和物理性能上與母材均有所差異，接頭區(qū)域的化學(xué)成分也存在較大的不均勻性，從而引起組織極大的不均勻性，給接頭的物理、力學(xué)性能帶來(lái)很大的影響，降低了接頭的穩(wěn)定性。3.5 可行性及可靠性分析可行性：U75V鋼軌和U71Mn鋼軌可以采用氣壓焊接，并有接頭質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。 可靠性：焊接接頭質(zhì)量受兩側(cè)鋼軌材質(zhì)的影響，材質(zhì)不同，導(dǎo)熱性能、線膨脹系數(shù)不同，形成的焊縫化學(xué)成分也越復(fù)雜。待焊鋼軌母材的材質(zhì)差別越大，焊接接頭的可靠性越低，同時(shí)由于氣壓焊焊接接頭質(zhì)量受各種因素影響波動(dòng)較大，鋼軌母材材質(zhì)的差別會(huì)加劇接頭質(zhì)量的不穩(wěn)定性。因此U75V鋼軌和U71Mn鋼軌采用氣壓焊接必須先進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和工藝試驗(yàn)，滿足標(biāo)準(zhǔn)方可進(jìn)行線上焊接。4 鋼軌鋁熱焊4.1 焊接原理鋁熱焊利用還原金屬（鋁）和氧化金屬（氧化鐵）、鐵合金和鐵釘屑等按比例配成的鋁熱焊劑，放在特制的坩堝中，用高溫火柴點(diǎn)燃，發(fā)生強(qiáng)烈的氧化還原反應(yīng)，置換出鐵，這些高溫鐵水可以將添加在鋁熱焊劑中并已混合均勻的合金元素，完全熔化在一起形成特定化學(xué)成分的鋼水。如果將鋼水澆鑄于固定在兩根鋼軌接縫處的砂型內(nèi)，即可將兩根鋼軌焊鑄在一起，最后形成與鋼軌的化學(xué)、冶金和機(jī)械性能等方面相匹配的焊接接頭。優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需電源，設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，生產(chǎn)成本低，沒(méi)有頂鍛過(guò)程，接頭外觀平順性好，占用封鎖時(shí)間短。缺點(diǎn)：鋼軌鋁熱焊是鑄造過(guò)程，其焊縫金屬是鑄態(tài)組織，焊接過(guò)程中熱輸入量大，導(dǎo)致焊接接頭受熱面積較大，使接頭的組織和性能降低，相對(duì)閃光焊、氣壓焊要差。同時(shí)焊縫常存在各種鑄造缺陷（疏松、氣孔、夾雜物等），這些缺陷經(jīng)列車反復(fù)作用常由局部微小裂紋發(fā)展成鋼軌宏觀斷裂。4.2 焊接工藝焊接程序有：到焊接現(xiàn)場(chǎng)前的準(zhǔn)備在焊接現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)備鋼軌端頭打磨、除銹對(duì)軌軌端干燥預(yù)熱架安裝砂型安裝預(yù)熱裝焊藥、放置坩堝點(diǎn)火、鋼水澆注拆模推瘤打磨焊縫探傷。為確保工地現(xiàn)場(chǎng)鋁熱焊接質(zhì)量，施工時(shí)必須嚴(yán)格按照工藝流程進(jìn)行操作，控制好每一個(gè)步驟。鋁熱焊焊接示意圖如圖4-1所示：圖4-1 鋁熱焊焊接示意圖4.3 材質(zhì)對(duì)焊接工藝的影響1、根據(jù)施密特鋼軌技術(shù)（昆山）有限公司的鋁熱焊說(shuō)明書(shū)可知，在鋁熱焊焊接中，U75V鋼軌和U71Mn鋼軌焊接可以進(jìn)行焊接，除了焊劑以外，其他參數(shù)均與U75V鋼軌焊接、U71Mn鋼軌焊接的參數(shù)大致相同。主要焊接參數(shù)如表4-1所示：表4-1 主要焊接參數(shù)預(yù)熱槍高度（mm）氣體壓力（bar）預(yù)熱時(shí)間（分）焊縫寬度（mm）尖點(diǎn)高度（mm）反應(yīng)時(shí)間(s)鎮(zhèn)靜時(shí)間(s)拆模時(shí)間（分）軌頭砂型 去除時(shí)間 (分)推瘤 時(shí)間 (分)氧氣乙炔404.51.25.0-6.028-1+21.5-2.08156184.58.08.52、依據(jù)TB/T 1632.3-2005 鋼軌焊接第3部分：鋁熱焊接第5.2.4條“不同牌號(hào)鋼軌之間的焊接，焊接接頭的質(zhì)量要求按照強(qiáng)度級(jí)別較低的鋼軌執(zhí)行”，不同材質(zhì)強(qiáng)度的鋼軌相互焊接時(shí)，焊縫金屬性能只需符合兩種母材中的一種，即即可認(rèn)為滿足技術(shù)使用要求。如不能自行設(shè)計(jì)焊劑，則應(yīng)按材質(zhì)強(qiáng)度低的鋼軌選用焊劑。根據(jù)2.3節(jié)中U75V鋼軌和U71Mn鋼軌的機(jī)械性能可知，U75V鋼軌的強(qiáng)度高于U71Mn，因此U75V鋼軌和U71Mn鋼軌焊接按照U71Mn選擇相應(yīng)的焊劑。施密特公司提供的焊劑選擇標(biāo)準(zhǔn)如表4-2所示：表4-2 不同材質(zhì)鋼軌鋁熱焊焊劑選擇3、若技術(shù)條件允許設(shè)計(jì)焊劑，則應(yīng)考慮母材化學(xué)成分的不同選擇焊劑添加材料。鋁熱焊焊縫化學(xué)成分主要由焊劑和鋼軌母材的成分及其熔化率，并通過(guò)添加不同微量元素及其加入量的合金物影響焊縫金屬的力學(xué)性能。為確保焊縫金屬的強(qiáng)度和硬度與鋼軌母材相匹配，焊縫金屬的含碳量應(yīng)該與鋼軌的含碳量相近。硅和錳是鋼軌中常用元素，通過(guò)固溶強(qiáng)化，可明顯提高焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度。鋁、鉻、鎳和稀土等元素在鋁熱反應(yīng)時(shí)形成高熔點(diǎn)的氧化物，作為液態(tài)金屬的形核劑，在凝固過(guò)程中細(xì)化晶粒，可提高焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度。鋼軌鋁熱焊縫金屬化學(xué)成分的設(shè)計(jì)以碳、硅、錳為主要元素，用其他微量元素調(diào)節(jié)焊縫金屬的強(qiáng)度、硬度、韌性等綜合性能。若焊接U75V和U71Mn時(shí)，應(yīng)適當(dāng)提高含碳量，并使Si、Mn、V的含量?jī)烧咧g，保證焊縫區(qū)的成分均勻過(guò)渡，從而避免因?yàn)槌煞植痪鶆蛟斐蓽囟忍荻却蠛蛻?yīng)力集中等問(wèn)題。4.4 材質(zhì)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響焊接接頭包括焊縫區(qū)、熔合區(qū)和熱影響區(qū)，其中熔合區(qū)具有明顯的化學(xué)不均勻性，從而引起組織不均勻。其組織特征為少量鑄態(tài)組織和粗大的過(guò)熱組織，因而塑性差，強(qiáng)度低，脆性大，易產(chǎn)生焊接裂紋和脆性斷裂。當(dāng)焊縫金屬與母材的化學(xué)成分、線膨脹系數(shù)和組織狀態(tài)相差較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致碳及合金元素的再分配，同時(shí)產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和嚴(yán)重的淬硬組織，所紋、發(fā)生局部脆性破壞的危險(xiǎn)區(qū)，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。U75V鋼軌和U71Mn鋼軌鋁熱焊接時(shí)采用U71Mn焊劑，焊縫區(qū)金屬的化學(xué)成分和物理性能與U71Mn鋼軌更為接近，其與U75V鋼軌在化學(xué)成分、線膨脹系數(shù)和組織狀態(tài)的差別比其與U71Mn的差別要大，因此焊接接頭焊縫區(qū)與U75V鋼軌一側(cè)熱影響區(qū)容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和淬硬組織，容易產(chǎn)生裂紋甚至發(fā)生斷裂。4.5 可行性及可靠性分析可行性：U75V鋼軌和U71Mn鋼軌可以采用鋁熱焊接，并有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在焊接時(shí)選取按照材質(zhì)強(qiáng)度低的鋼軌（U71Mn鋼軌）選用焊劑。其他焊接參數(shù)及工藝差別不大?？煽啃裕轰X熱焊焊接接頭質(zhì)量低于閃光焊和氣壓焊，U75V鋼軌和U71Mn鋼軌焊接時(shí)，焊接接頭焊縫區(qū)與U75V鋼軌一側(cè)熱影響區(qū)容易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和淬硬組織，容易產(chǎn)生裂紋甚至發(fā)生斷裂，進(jìn)一步降低接頭質(zhì)量，存在安全隱患。在焊接時(shí)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝、按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)焊接接頭進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。5 鋼軌閃光焊5.1 焊接原理閃光焊是將待焊鋼軌分別上下夾緊，鋼軌兩段相互靠近甚至接觸，電流通過(guò)待焊鋼軌端部產(chǎn)生的熱量，不斷形成金屬過(guò)梁，隨著過(guò)梁爆破產(chǎn)生閃光、飛濺使被焊端面加熱至表面熔化狀態(tài)，隨后加壓頂鍛，在壓力下兩端金屬相互結(jié)晶，使兩節(jié)鋼軌焊在一起。閃光焊接焊后熱處理一般采用正火處理，加熱溫度一般為母材臨界溫度3050以上。閃光焊的焊接示意圖如圖5-1所示：圖5-1 閃光焊的焊接示意圖閃光焊按其閃光過(guò)程分為有連續(xù)閃光焊、預(yù)熱閃光焊和脈動(dòng)閃光焊。5.2 焊接工藝5.2.1 預(yù)熱閃光焊預(yù)熱閃光焊以預(yù)熱為主要加熱形式，通過(guò)鋼軌端面多次短路接觸，產(chǎn)生大量的熱能，使鋼軌端部及附近區(qū)域金屬被強(qiáng)烈加熱。焊接階段主要可以分為四個(gè)階段：閃平階段、預(yù)熱階段、加速燒化階段、頂鍛階段。預(yù)熱階段是主要的加熱階段，采用主動(dòng)的長(zhǎng)時(shí)間短路的加熱方法，與脈動(dòng)閃光焊相比，加熱效率更高，燒化能力也更強(qiáng)。預(yù)熱閃光工藝主要應(yīng)用在直流焊機(jī)上，主要焊接參數(shù)有：閃平時(shí)間、焊接電壓、預(yù)熱次數(shù)、燒化速度、頂鍛量等。優(yōu)點(diǎn)：加熱效率高，燒化能力強(qiáng)；加熱區(qū)寬度寬，溫度梯度小，溫度場(chǎng)較緩，接頭質(zhì)量穩(wěn)定。缺點(diǎn)：回路電流非常大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，運(yùn)輸較為不便。適用性：多適用于基地固定閃光焊。預(yù)熱閃光焊的焊接工藝曲線如圖5-2所示：圖5-2 預(yù)熱閃光焊接工藝曲線5.2.2 連續(xù)閃光焊連續(xù)閃光焊是施加電壓后，一個(gè)工件不停頓的向前緩慢推進(jìn)，保持閃光過(guò)程持續(xù)不斷直至頂鍛的焊接方法。連續(xù)閃光焊焊接主要可以分為四個(gè)階段：不穩(wěn)定閃光階段、穩(wěn)定閃光階段、加速燒化階段、頂鍛階段。連續(xù)閃光焊是以連續(xù)燒化為主的焊接方法，燒化速度較快，因此，連續(xù)閃光焊的前兩個(gè)階段是按照位移量來(lái)設(shè)定的，當(dāng)焊接燒化量達(dá)到了設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入下一階段。第三階段一般人為設(shè)定為10s。第四階段按照設(shè)定頂鍛量進(jìn)行頂鍛，一般在1018mm范圍內(nèi)。連續(xù)閃光焊采用程控降壓法，在閃光初期，為了激起閃光，采用較高的次級(jí)空載電壓，閃光正常后，隨著端面溫度的提高，逐漸降低電壓，并控制送進(jìn)速度，以提高熱效率；在頂鍛之前，為了加強(qiáng)自保護(hù)作用，保證激烈閃光，需要提高閃光速度，因此提高焊接電壓。通過(guò)程控電壓，可以有效控制閃光和加熱。連續(xù)閃光焊的閃光電流密度一般為13A/mm2，小于脈動(dòng)閃光焊的閃光電流密度。優(yōu)點(diǎn)：焊接電流較小，焊接變壓器的負(fù)載較小。缺點(diǎn)：對(duì)鋼軌焊接端面加熱效率較低，加熱寬度較窄，焊接時(shí)間長(zhǎng)，使得加熱端面的熱量分布不均，頂鍛效果下降。適用性：不適合焊接高碳當(dāng)量或高強(qiáng)度鋼軌。U75V鋼軌與U71Mn鋼軌碳當(dāng)量、強(qiáng)度較高，采用連續(xù)閃光焊效率較低，獲得的接頭質(zhì)量較差。因此不建議單獨(dú)采用連續(xù)閃光焊焊接U75V鋼軌與U71Mn鋼軌。連續(xù)閃光焊的焊接工藝曲線如圖5-3所示：圖5-3 連續(xù)閃光焊焊接工藝曲線5.2.3 脈動(dòng)閃光焊脈動(dòng)閃光焊是在連續(xù)閃光焊的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，但是在加熱階段的閃光電流是不連續(xù)的。在鋼軌的送進(jìn)過(guò)程中疊加一個(gè)往復(fù)振動(dòng)，其振幅一般在0.253mm之間。焊接鋼軌時(shí)，鋼軌兩端面間的過(guò)梁在表面張力、電磁力、和機(jī)械脈動(dòng)的作用下被強(qiáng)行拉細(xì)，降低了爆破造成的大火口效應(yīng)，因此閃光火花比較細(xì)小，表面不平度降低，加熱均勻。與連續(xù)閃光焊相比其最大的特點(diǎn)是節(jié)能和節(jié)約鋼軌。脈動(dòng)閃光焊主要可以分為五個(gè)階段：不穩(wěn)定脈動(dòng)閃光階段、穩(wěn)定脈動(dòng)閃光階段、連續(xù)閃光階段、加速燒化階段、頂鍛階段。脈動(dòng)閃光焊在焊接前期位移量很小，因此前兩個(gè)是按照時(shí)間來(lái)設(shè)定的，當(dāng)?shù)谝?、第二階段焊接時(shí)間達(dá)到了設(shè)定值，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入下一階段。第三階段和第四階段與連續(xù)閃光焊的方法相同。脈動(dòng)閃光焊的主要焊接參數(shù)有：焊接時(shí)間、焊接電壓、焊接電流、燒化量、頂鍛量、頂鍛速度等。脈動(dòng)閃光焊的閃光電流密度一般為36A/mm2，大于連續(xù)閃光焊，因此加熱效率高。優(yōu)點(diǎn)：焊接電流大、焊接電壓相對(duì)穩(wěn)定，加熱效率高，焊接時(shí)間短。在減少時(shí)間的同時(shí)，加熱量卻明顯升高，熱影響區(qū)窄，焊接接頭機(jī)械強(qiáng)度比傳統(tǒng)的連續(xù)閃光焊有明顯的提高。缺點(diǎn)：焊接時(shí)由于短路總時(shí)間較長(zhǎng)、焊接電流大導(dǎo)致焊接變壓器的負(fù)載很大。另一方面，焊接電流采用單相交流，電源的偏載現(xiàn)象更加嚴(yán)重。適用性：脈動(dòng)閃光工藝目前已經(jīng)比較成熟，廣泛應(yīng)用于U75V或U76NbRE鋼軌的焊接，取得了良好的抗落錘沖擊的效果。U75V的可焊性與U71Mn相比較差，因此脈動(dòng)閃光焊可用于U75V鋼軌與U71Mn鋼軌的焊接。脈動(dòng)閃光焊的焊接工藝曲線如圖5-4所示：圖5-4 脈動(dòng)閃光焊焊接工藝曲線5.3 材質(zhì)對(duì)焊接工藝的影響預(yù)熱閃光焊：U75鋼軌中Si含量的提高使得導(dǎo)熱性能差，可焊性低。因此同種材質(zhì)焊接時(shí)，U75V和U71Mn的焊接參數(shù)有所不同，見(jiàn)表5-1。表5-1 U75V鋼軌和U71Mn鋼軌的焊接參數(shù)比較焊接參數(shù)閃平時(shí)間焊接電壓預(yù)熱次數(shù)燒化速度頂鍛速度頂鍛量U75V短大少快快大U71Mn長(zhǎng)小多慢慢小當(dāng)U75V和U71Mn進(jìn)行焊接時(shí)，焊接前的參數(shù)調(diào)整階段可根據(jù)可焊性差的U75V鋼軌適當(dāng)調(diào)整參數(shù)范圍，應(yīng)使各個(gè)參數(shù)達(dá)到合理匹配，而不僅僅是改變其中某一個(gè)參數(shù)。連續(xù)閃光焊：U75V鋼軌中Si的含量比U71Mn鋼軌高，Si含量的增加導(dǎo)致了焊縫金屬的熱傳導(dǎo)性能變差，需要強(qiáng)化加熱。且在焊接過(guò)程中容易被氧化產(chǎn)生硅酸鹽夾雜物，若頂鍛不及時(shí)或頂鍛量過(guò)小，則可能導(dǎo)致夾雜物不能有效擠出而形成灰斑等缺陷。因此需要大電流進(jìn)行短時(shí)間加熱，并需要較大的頂鍛速度和頂鍛量，不適合單獨(dú)采用連續(xù)閃光焊進(jìn)行焊接。脈動(dòng)閃光焊時(shí)：由于U75V鋼軌導(dǎo)熱性差，為了滿足U75V鋼軌的焊接要求，焊接電壓、電流、頂鍛速度、頂鍛量等參數(shù)應(yīng)適當(dāng)提高。焊后熱處理：為了使軌頭硬度與母材匹配，焊后熱處理加熱溫度不宜太低，一般為高于臨界溫度3050為宜。U75V鋼軌的碳和釩的含量高于U71Mn，釩是強(qiáng)碳化物元素，細(xì)化晶粒，因此正火溫度高于U71Mn。U71Mn的最佳正火溫度為850左右，U75V的最佳正火溫度為900920。為保證焊接質(zhì)量，焊后熱處理的應(yīng)適當(dāng)提高加熱溫度。5.4 材質(zhì)對(duì)焊縫質(zhì)量的影響共同影響：1、由于U75V鋼軌含碳量大于U71Mn鋼軌，隨著含碳量的增加，開(kāi)始熔化溫度和熔化終了的溫度范圍也增加了，半熔化區(qū)也擴(kuò)大了。半熔化區(qū)化學(xué)成分不均勻，晶體比較粗大，韌性和塑性較低，是焊接接頭中機(jī)械性能最差的部位。兩種材質(zhì)不同的鋼軌焊接，焊縫區(qū)左右兩側(cè)半熔化區(qū)在面積、化學(xué)成分、金相組織上有所不同，熱影響區(qū)性能波動(dòng)較大，穩(wěn)定性差。2、在頂鍛過(guò)程中，由于U75V鋼軌中的Si在加熱過(guò)程中易產(chǎn)生低熔點(diǎn)硅酸鹽，流動(dòng)性提高，因此U75V鋼軌的頂鍛量一般大于U71Mn鋼軌頂鍛量。在焊接過(guò)程中預(yù)設(shè)頂鍛量，過(guò)大會(huì)導(dǎo)致U71Mn鋼軌一側(cè)塑性區(qū)過(guò)大擠壓而導(dǎo)致塑性、韌性下降，降低了焊縫的質(zhì)量，過(guò)小則會(huì)導(dǎo)致U75V鋼軌一側(cè)過(guò)熱金屬不能有效排出而形成灰斑。3、由于U75V鋼軌中Si含量的增加使焊接過(guò)程中形成硅酸鹽夾雜物的機(jī)會(huì)增加，導(dǎo)致接頭性能惡化。4、焊后熱處理中，采用U75V的最佳正火加熱溫度，高于U71Mn的最佳正火溫度，U71Mn一側(cè)熱影響區(qū)中的正火區(qū)沖擊韌性降低，接頭性能有所下降。采用預(yù)熱閃光焊：1、在預(yù)熱階段，為確保U75V的焊接質(zhì)量，盡可能增大預(yù)熱電流，減少預(yù)熱次數(shù)，在同樣的預(yù)熱條件下，U71Mn鋼軌容易產(chǎn)生過(guò)熱和過(guò)燒，焊縫一側(cè)易形成灰斑等缺陷。采用連續(xù)閃光焊：1、由于U75V鋼軌和U71Mn鋼軌的含碳量在0.7%以上，強(qiáng)度較高。連續(xù)閃光焊焊接端面加熱效率低，溫度分布不均勻，頂鍛效果較差，焊縫性能不良。焊接接頭受熱面積大，溫度梯度大，內(nèi)部溫度應(yīng)力較大，容易產(chǎn)生裂紋。2、U75V鋼軌中的Si含量較高，在加熱過(guò)程中容易發(fā)生氧化，因此需要大電流、快速焊接，連續(xù)閃光焊焊接時(shí)間長(zhǎng)容易導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生非金屬夾雜物，這些非金屬夾雜物未被排擠干凈而留在焊縫中，從而形成了斷口上的灰斑夾雜，可能形成鋼軌裂紋甚至引起鋼軌斷裂。采用脈動(dòng)閃光焊：焊接的前兩個(gè)階段按照時(shí)間設(shè)定，兩種材質(zhì)不同的鋼軌，導(dǎo)熱性能不同。在同樣的時(shí)間內(nèi)，兩者的加熱程度不盡相同。從而影響了燒化程度和頂鍛量，進(jìn)一步加劇了焊縫化學(xué)成分的不均性，降低了焊縫質(zhì)量。綜上所述，由于U75V鋼軌和U71Mn鋼軌化學(xué)成分和焊接工藝不同，焊接接頭各個(gè)區(qū)域組織性能、線膨脹系數(shù)等波動(dòng)較大，會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，容易導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生，降低焊縫的性能，形成線路的薄弱環(huán)節(jié)。5.5 可行性及可靠性分析可行性分析：1、U75V鋼軌和U71Mn鋼軌可以采用閃光焊進(jìn)行焊接。在鐵標(biāo)中有相關(guān)質(zhì)量檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)；2、U75V鋼軌和U71Mn鋼軌含碳量較高，采用連續(xù)閃光焊會(huì)降低焊接效率和焊縫質(zhì)量，不建議單獨(dú)采用連續(xù)閃光焊進(jìn)行焊接；3、預(yù)熱閃光焊電壓、電流較大，焊機(jī)負(fù)載大，且不便于運(yùn)輸，因此不適合現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)焊接。3、U75V鋼軌可焊性差，脈動(dòng)閃光焊焊接功率可以提高焊接效率和焊接質(zhì)量，建議采用連續(xù)閃光焊加脈動(dòng)閃光焊進(jìn)行聯(lián)控焊接，在保證閃光平穩(wěn)的基礎(chǔ)上提高效率，節(jié)約能源。4、在焊接前，應(yīng)參考已有的焊接參數(shù)，選擇合理的U75V鋼軌和U71Mn鋼軌焊接參數(shù)范圍和焊后熱處理參數(shù)范圍并進(jìn)行工藝試驗(yàn)，將試驗(yàn)接頭按照鐵標(biāo)要求進(jìn)行檢測(cè)。接頭滿足標(biāo)準(zhǔn)方可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)焊接，不滿足則應(yīng)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化，重復(fù)上述過(guò)程，直至接頭性能達(dá)標(biāo)為止。可靠性分析：U75V鋼軌和U71Mn鋼軌化學(xué)成分、物理性能、機(jī)械性能上有一定的差異，閃光焊接時(shí)無(wú)論采用何種焊接工藝，相較于同種材質(zhì)鋼軌焊接，其接頭的化學(xué)成分