一种75kg/m、1380MPa级贝氏体钢轨的闪光焊接工艺

摘要

本发明提供一种75kg/m、1380MPa级贝氏体钢轨的闪光焊接工艺，所述闪光焊包括连续的闪平阶段、预热阶段、烧化阶段和顶煅阶段；各阶段的工艺参数设置为：闪平阶段和预热阶段控制时间参数，两个阶段时间合计70s±5s；所述烧化阶段包括连续的初期烧化阶段和加速烧化阶段，控制位移参数；其中，所述初期烧化阶段包括连续的四步，每步钢轨位移2mm‑2.2mm，所述加速烧化阶段钢轨位移4mm‑4.8mm；所述顶煅阶段控制位移参数，钢轨位移10mm±1mm。应用本发明提供的贝氏体钢轨的闪光焊接工艺参数焊接的接头，能够实现15个以上连续落锤试验合格，接头各项力学性能满足上道铺设要求。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，特别是闪光焊技术领域，具体涉及一种高抗拉强度贝氏体钢轨的闪光焊接工艺。

背景技术

贝氏体钢具有良好的耐磨性和抗剥离性能，从理论上讲，如果用于铁路轨道，可以提高重载铁路钢轨的使用寿命。但是贝氏体钢轨在国内外仅作为无需焊接的道岔部件应用。因为没有解决贝氏体钢轨焊接难题，所以迄今还没有贝氏体钢轨无缝线路投入商业运营。

我国铁路焊接钢轨主要采用闪光焊接方法，在闪光焊机中完成。焊接时，两条对接钢轨做缓慢的相向运动，同时使电流通过两条钢轨的接触表面，两个接触表面上细小的接触点的电阻及其接触表面的电弧产生热量，将对接表面加热，在适当时间后，对接头施加压力，使两个对接表面的整个区域同时牢固结合起来。

由于表面氧化物与其他杂质成为四溅的火花被清除，不致混入焊缝内，闪光焊焊缝的可靠性高。闪光焊一般分为闪平阶段、预热阶段、烧化阶段和顶煅阶段四个连续阶段，其中烧化阶段又可分为前期烧化阶段和加速烧化阶段。闪平阶段，常温钢轨端面刚接通电流而被加热，表面氧化物成为四溅的火花；预热阶段，钢轨端面继续被加热；烧化阶段，钢轨端面由于高温而被烧蚀，固态的钢在端面部分软化，具有一定流动性；顶煅阶段，对已经完全接触的两个端面施加相向的压力，使两个对接表面的整个区域同时牢固结合起来。闪光焊一般借助闪光焊机进行。焊接时，一般一根钢轨被焊机的固定端夹持固定，另一根钢轨被焊机的移动端夹持；焊接过程中，焊机的移动端夹持钢轨可以沿着钢轨长度方向运动，实现钢轨端面闪光加热和顶锻。通常，对闪平阶段、预热阶段和烧化阶段的工艺都仅控制时间。

我国的“高Si-高Mn”和“中Si-高Mn”贝氏体钢轨由于合金含量高，焊接性并不理想，主要表现为以下3方面：①焊接过热区缺陷较多。闪光焊的过热区存在沿奥氏体晶界的成分偏析，不仅显微组织改变，脆性增加，严重的区域甚至出现夹杂物或液化裂纹。②闪光焊接头内部的焊接残余应力高并且分布不均匀。③焊缝的韧性剧烈下降；一般情况下焊缝与母材相比韧性至少下降1倍以上，韧性优势损失相当严重。因此，我国两种贝氏体钢轨闪光焊接头很难达到15个接头连续落锤试验合格的要求。

国内对贝氏体钢轨焊接工艺的研究主要集中在焊后回火热处理工艺。如丁韦等认为完善回火工艺可大幅度降低焊缝水平裂纹的出现(丁韦，等.贝氏体钢轨闪光焊接技术的研究[J].铁道建筑，2019，59(12)：142-146)。当焊接设备一定时，控制焊接缺陷主要依靠优化焊接工艺。但是这方面的报道和披露都很少。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种75kg/m、1380MPa级贝氏体钢轨的闪光焊接工艺。通过本发明的闪光焊接工艺，实现了连续15个接头连续落锤试验成功，使焊接缺陷得到有效控制，焊接接头各项性能满足上道铺设的要求。

为此，本发明采用了如下的技术方案：

一种75kg/m、1380MPa级贝氏体钢轨的闪光焊接工艺，待焊接的两根贝氏体钢轨采用闪光焊机，一根固定，另一根沿着钢轨长度方向运动；所述闪光焊包括连续的闪平阶段、预热阶段、烧化阶段和顶煅阶段；各阶段的工艺参数设置为：

闪平阶段和预热阶段控制时间参数，两个阶段时间合计70s±5s；

所述烧化阶段包括连续的初期烧化阶段和加速烧化阶段，控制位移参数；其中，所述初期烧化阶段包括连续的四步，每步钢轨位移2mm-2.2mm，所述加速烧化阶段钢轨位移4mm-4.8mm；

所述顶煅阶段控制位移参数，钢轨位移10mm±1mm。

优选地，所述闪平阶段时间为15s-25s，剩余为预热阶段时间。

优选地，所述加速烧化阶段的电压为400V±5V。

作为一个优选的实施方案，本发明提供的所述闪光焊接工艺，还包括控制热输入量为10.7MJ-11.7MJ。

可选地，闪平阶段和预热阶段的电流、电压、送进或后退速度值可以根据焊机设备情况设定。

可选地，所述烧化阶段的电流、送进或后退速度值可以根据焊机设备情况设定。

可选地，所述顶锻阶段的带电顶煅时间可以根据焊机设备情况设定。

在所述烧化阶段，待焊接的两根钢轨端面因为高温而烧蚀，因此该阶段钢轨的位移是为了补偿烧蚀的钢轨。

应用本发明提供的闪光焊接工艺焊接的接头，能够实现15个以上连续落锤试验合格，使焊接缺陷得到有效控制，接头各项力学性能满足上道铺设要求。

本发明提供的闪光焊接工艺适合各种型号的闪光焊机。

附图说明

下面结合附图，对本申请作进一步的说明。

图1为实施例1的贝氏体钢轨闪光焊接工艺记录曲线。图中：

标号为1的记录的是电流连续变化；标号为2的记录的是电压的连续变化；标号为3的折线的水平段显示的是闪光焊接各阶段进行的时长，其中标号①、②、③和④的水平段分别是初期烧化阶段的连续四步的时长(标号为3的折线只看横坐标，纵坐标没有实际意义)；标号为4的记录的是压力的连续变化；标号为5的记录的是移动端钢轨位移的连续变化。

另外，标示为I的是闪平阶段，标示为II的是预热阶段，标示为III的是烧化阶段，标示为III-1的是初期烧化阶段，标示为III-2的是加速烧化阶段，标示为IV的是顶煅阶段。

图2为对比例1的贝氏体钢轨闪光焊接工艺记录曲线。图中：

标号为1的记录的是电流连续变化；标号为2的记录的是电压的连续变化；标号为3的折线的水平段显示的是闪光焊接各阶段进行的时长，其中标号①、②、③和④的水平段分别是初期烧化阶段的连续四步的时长(标号为3的折线只看横坐标，纵坐标没有实际意义)；标号为4的记录的是压力的连续变化；标号为5的记录的是移动端钢轨位移的连续变化。

另外，标示为I的是闪平阶段，标示为II的是预热阶段，标示为III的是烧化阶段，标示为III-1的是初期烧化阶段，标示为III-2的是加速烧化阶段，标示为IV的是顶煅阶段。

图3的照片显示了实施例1焊接的贝氏体钢轨焊缝断口形貌。照片显示断口良好，焊接缺陷得到有效控制。

图4的照片显示了对比例1焊接的贝氏体钢轨焊缝断口形貌。照片圆圈中是导致接头折断的灰斑缺陷。

具体实施方式

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的原料等，如无特殊说明，均为市售购买产品。

其中，闪光焊机：YHF1200K(北京中铁科新材料技术有限公司生产)

75kg/m、1380MPa级贝氏体钢轨：鞍钢集团公司。

本实施例所述的闪光焊接工艺包括连续的闪平阶段(I)、预热阶段(II)、烧化阶段(III)和顶煅阶段(IV)，各阶段的参数记录见图1所示。

将待焊接的一根75kg/m、1380MPa级贝氏体钢轨用闪光焊机的固定端夹持固定，另一根钢轨用焊机的移动端夹持；焊接过程中，焊机的移动端夹持钢轨可以沿着钢轨长度方向运动，实现钢轨端面闪光加热和顶锻。

闪平阶段(I)进行15秒后，自动转入预热阶段(II)。闪平阶段(I)的电压、电流、钢轨前进或后退速度和位移值按照焊机自动设置的参数。

预热阶段(II)进行55秒，自动转入初期烧化阶段(III-1)。预热阶段(II)的电压、电流、钢轨前进或后退速度和位移值按照焊机自动设置的参数。

初期烧化阶段(III-1)包括连续的四步，时长对应图1中①、②、③和④所标示的水平段，在每步骤使钢轨前进2mm，以补偿烧化掉的2mm。因此，初期烧化阶段(III-1)完成后，钢轨在该阶段应烧化掉8mm，这个烧化量需要精确控制。

在初期烧化阶段(III-1)将钢轨烧化掉8mm后，立即开启加速烧化阶段(III-2)。在加速烧化阶段(III-2)，电压设定为400V，使烧化速度不断递增，在加速烧化阶段(III-3)将钢轨烧化掉约4mm时立即开启顶锻阶段(IV)。

烧化阶段(III)的电流、钢轨前进或后退速度按照焊机自动设置的参数。

在顶锻阶段(IV)，设计顶锻量为8mm，实际实现的顶锻量比设计值多约2.5mm，因此钢轨的实际位移值为10.5mm左右。发明人惊喜地发现这个差值的存在，自适应地实现了加热效果与顶锻量的最佳匹配。

烧化阶段(III)的电压、电流、钢轨前进速度按照焊机自动设置的参数。

顶煅阶段(IV)结束后，按照常规操作进行推瘤、推瘤后保压的操作。

整个闪光焊接过程中的热输入量为11.2MJ。

本对比例采用的闪光焊机与实施例1相同，焊接过程也包括连续的闪平阶段(I)、预热阶段(II)、烧化阶段(III)和顶煅阶段(IV)，各阶段的参数记录见图2所示。本对比例焊接工艺参数与实施例1不同之处在于：

闪平阶段(I)时间设置为30秒，预热阶段(II)的时间设置为58秒，烧化阶段(III)的时间设置为12秒，顶煅阶段(IV)设计顶端量为10.5mm，实际位移值为12.7mm。整个闪光焊接过程中热输入是12.1MJ。

1.落锤试验

实施例1和对比例1焊接得到的接头各取15支，按TB/T1632中方法进行落锤试验。实施例1实现了连续15个接头落锤试验合格，对比例1在对第3个接头进行落锤试验时就折断了，再继续按照对比例的焊接参数进行焊接试验已经没有意义了，因此对比例的试焊失败，终止后续的性能测试。实施例1焊接的钢轨接头断口照片见图3所示，照片显示断口良好，焊接缺陷得到有效控制。对比例1焊接的钢轨接头断口照片见图4所示，照片显示存在导致接头折断的灰斑缺陷(图中圆圈所示区域中较暗的区域)。

2.疲劳试验

实施例1焊接得到的接头取3支，按TB/T1632中方法进行疲劳试验，结果满足TB/T1632中关于75kg/m钢轨接头要求。

3.焊接接头拉伸试验

实施例1焊接得到的接头取1支，按TB/T1632中方法进行拉伸试验，拉伸试验结果见表1。

表1 焊接接头拉伸试验结果

4.焊接接头冲击试验

实施例1焊接得到的接头取1支，按TB/T1632中方法进行冲击试验，结果见表2。

表2 焊接接头冲击试验结果

上述测试证明，通过本发明所述焊接工艺实现的75kg/m、1380MPa级贝氏体钢轨的闪光焊接，能使焊接缺陷得到有效控制，焊接质量稳定可靠。

最后应说明的是，以上实施例仅用以描述本发明的技术方案而不是对本技术方法进行限制，本发明在应用上可以根据不同的焊接设备延伸为其他的修改、变化、应用和实施例，并且因此认为所有这样的修改、变化、应用、实施例都在本发明的精神和教导范围内。