CN109986189B - 一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及钢轨闪光焊领域，具体是一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，其包括如下步骤：一、选用移动式闪光焊机和钢轨；二、利用移动式闪光焊机的夹钳将待焊钢轨固定；三、利用移动式闪光焊机进行闪光和顶锻过程，其中闪光阶段的电流为400‑700A，电压为350‑420V，顶锻阶段的顶锻力为60‑70t，顶锻过程的顶锻量为10‑14mm；四、顶锻结束以后沿钢轨轴线方向持续施加保压力，保压力的大小为50‑65t。本申请采用了钢轨闪光焊工艺，配合了相应的焊接电流、焊接电压、顶锻力和保压时间，相比传统工艺，本申请能有效减小焊缝的晶粒尺寸，并且焊缝附近的硬度值分布更加均匀，从而有效的提高了钢轨闪光焊接头的质量。

Description

一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺
技术领域
本申请涉及钢轨闪光焊领域，具体的说，是一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺。
背景技术
钢轨闪光焊结束以后焊缝的晶粒尺寸通常比较大，粗大的晶粒会降低接头的强度、硬度、耐磨性和冲击韧性，降低接头的使用寿命甚至危及列车行车安全。为了提高钢轨闪光焊焊接接头的质量需要减小焊缝的晶粒尺寸，国外通常严格控制焊接接头高温区域的宽度并匹配合适的顶锻量达到细化晶粒的目的，而中国TB/T1632-2014钢轨闪光焊标准规定焊接接头焊后必须通过正火细化晶粒才能改善接头的性能，但是在无缝线路的铺设过程中对焊后的钢轨焊接接头采用正火处理后通常会出现以下的问题：
（1）在焊接结束以后需要增加正火处理工序，因此，需要配备专门的正火设备和人员，增大了施工现场人员管理和设备的维护保养等管理工作的难度；
（2）增加了正火工序，导致焊接工序和正火工序之间的协调难度增大，降低了生产效率；
（3）钢轨焊接接头不管采用火焰加热正火还是电感应加热正火，正火后焊接接头都存在一定宽度的软化区，钢轨焊接接头服役时易出现波浪磨耗，影响钢轨服役寿命和列车运行平顺性；
（4）目前无缝线路建设中的钢轨现场焊接施工正火主要采用的是火焰正火方法，正火要求的加热温度、加热宽度及钢轨断面的温度均匀性等受到气体质量、自然环境和人为因素的影响比较大，焊接接头正火质量不稳定；
（5）除中国外，大多数国家高铁、重载线路钢轨现场焊接均不采用现场正火方式，国内标准与国际对标困难；
（6）同国外相比，增加一道焊后正火工序，会增加大量的无缝线路建设费用。
现有技术中也存在相关的技术改进，如申请人为贵州安大航空锻造有限责任公司申请的公开号为CN104607781A等一系列发明专利，这些文件中仅仅是更换了材料，如α相钛合金大截面环件、β相钛合金大截面环件、α-β两相钛合金大截面环件、不锈钢大截面环件、钴基高温合金大截面环件、结构钢大截面环件、铝合金大截面环件、镍基高温合金大截面环件、铁基高温合金大截面环件和轴承钢大截面环件。上述对比文件只是针对特定的材料给出了闪光焊闪光阶段过程中某种具体焊接参数下形成的高温糊状区和高温组织粗化区的长度范围，并配合一定的顶锻力、顶锻量和保压时间得到焊接接头，并未具体分析某个焊接工艺参数对焊缝晶粒尺寸的影响进行研究。上述对比文件中还需要采用热处理才能使接头的抗拉强度和延伸率满足设计使用要求，其重点在大断面件的成形方法，并没有提通过保压方法去细化晶粒，提的是通过大顶锻量发生塑性变形有利于再结晶晶粒细化，保压的目的是防止大截面环件焊后被拉开而影响质量。
综上所述，现有技术中的焊接工艺存在必须采用正火工艺才能达到细化焊缝晶粒的情况。
发明内容
为解决上述问题，本申请的目的是提供一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺。
为实现上述技术效果，本申请技术方案如下：
一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，其特征在于：
包括如下步骤：
一、选用移动式闪光焊机和钢轨；
二、利用移动式闪光焊机的夹钳将待焊钢轨固定；
三、利用移动式闪光焊机进行闪光和顶锻过程，其中闪光阶段的电流为400-700A，电压为350-420V，顶锻阶段的顶锻力为60-70t，顶锻过程的顶锻量为10-14mm；
四、顶锻结束以后沿钢轨轴线方向持续施加保压力，保压力的大小为50-65t。
所述步骤四中：检测施加在钢轨焊接接头两端的实际保压力，顶锻结束后顶锻油缸保持设定保压力既不送进也不后退，随着钢轨焊接接头的冷却，焊接接头处钢轨长度收缩，当检测到的实际保压力低于设定保压力的预设百分比时，则顶锻油缸带动焊机动夹端送进，当压力超过设定保压力的预设百分比时，则停止送进。
所述步骤四中：检测的实际保压力大小在设定保压力的偏差正负预设百分比范围内，焊机动夹端既不送进也不后退。
所述步骤四中的预设百分比的范围值为3-7%。
所述步骤四中的预设百分比的范围值为5%。
优选地，所述顶锻量为11-13mm。
进一步优选地，所述顶锻量为12mm。
优选地，所述保压力为55-62t。
进一步优选地，所述保压力为60t。
本申请详细步骤如下：
（1）选用移动式闪光焊机和钢轨；
（2）利用移动式闪光焊机的电极将待焊的钢轨固定，其中左侧的钢轨是固定不动，右侧的钢轨可在电极的作用下沿轴线方向移动；
（3）利用移动式闪光焊机的电极向钢轨沿垂直于钢轨的轴线方向提供150t-250t的夹紧力；
（4）交流电压通过变压器在钢轨待焊端面形成350-420V的电压；
（5）待焊的钢轨在电极的作用下逐渐靠近，当钢轨表面发生接触时会钢轨在电极的夹紧作用下缓慢靠近，由于钢轨端面的不平整性，初期只有局部的凸起部位发生接触，交流电压和钢轨会通过电极和变压器形成导电回路，最初由于待焊的钢轨之间接触面积小，通过的电流密度极大，接触的凸起部位由于受到电阻热的作用发生熔化，形成液态过梁，液态过梁受热发生膨胀，在电磁力、重力等的共同作用下发生爆破形成闪光，液态过梁的不断形成与爆破，形成稳定而强烈的闪光，其中闪光阶段的电流为400-700A；
（6）闪光阶段由于钢轨的端面温度大于1000℃，待焊的钢轨的接触面会由于闪光爆破而烧损，闪光过程中钢轨的烧损速度叫做闪光速度，为了保证闪光过程的顺利进行，需要避免待焊的钢轨之间的缝隙过大导致闪光中止，因此需要控制右侧的钢轨向左移动，移动速度的大小和闪光速度相同；
（7）当闪光阶段结束，右侧钢轨依靠电极受到了向左为70-80t的顶锻力，使右侧的钢轨向左移动10-14mm完成顶锻过程；
（8）顶锻结束以后将右侧的钢轨向受到的保压压力减小为50-65t作为保压力，顶锻结束时刻顶锻油缸保持设定保压力既不前进又不后退，随着钢轨焊接接头的冷却，焊接接头处钢轨长度收缩，当控制系统检测到实际保压压力低于设定保压压力的预设百分比时，控制系统控制顶锻油缸使焊机动夹端夹紧的右侧的钢轨向左移动缓慢送进，当压力超过设定保压压力值的预设百分比时，停止送进；保压压力值在设定值偏差正负预设百分比范围内，焊机动夹端夹紧的右侧的钢轨既不送进也不后退。
本申请的优点在于：
1、本申请采用了钢轨闪光焊工艺，配合了相应的焊接电流、焊接电压、顶锻力和保压时间，相比传统的钢轨闪光焊工艺，采用的新型的钢轨闪光焊工艺能有效减小焊缝的晶粒尺寸，并且焊缝附近的硬度值分布更加均匀，从而有效的提高了钢轨闪光焊接头的质量。
2、本申请针对无缝线路中使用的钢轨，并且针对顶锻完成后的保压压力时间研究晶粒细化，本申请重点在焊接接头在焊后保持足够的压力实现晶粒细化的方法：研究在热输入一定时改变保压时间对焊缝晶粒尺寸的影响，期望达到不采用热处理也能达到细化接头晶粒的目的。
附图说明
图1是钢轨闪光焊原理图。
图2-图3是钢轨的轨顶、轨底和轨脚的微观组织取样图。
图4是轨顶试样硬度测试点位置图。
图5是轨顶试样焊缝附近的硬度分布图。
附图中：
1-钢轨，2-电极，3-变压器，4-二次导电回路，Fup-顶锻力，Fc-夹紧力，Vf-闪光速度，U-交流电压。
具体实施方式
实施例1
一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，具体包括如下步骤：
一、选用移动式闪光焊机和钢轨；
二、利用移动式闪光焊机的夹钳将待焊钢轨固定；
三、利用移动式闪光焊机进行闪光和顶锻过程，其中闪光阶段的电流为400-700A，电压为350-420V，顶锻阶段的顶锻力为60-70t，顶锻过程的顶锻量为10-14mm；
四、顶锻结束以后沿钢轨轴线方向持续施加保压力，保压力的大小为50-65t。
本申请采用了钢轨闪光焊工艺，配合了相应的焊接电流、焊接电压、顶锻力和保压时间，相比传统的钢轨闪光焊工艺，采用的新型的钢轨闪光焊工艺能有效减小焊缝的晶粒尺寸，并且焊缝附近的硬度值分布更加均匀，从而有效的提高了钢轨闪光焊接头的质量。
实施例2
一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，其包括如下步骤：
一、选用移动式闪光焊机和钢轨；
二、利用移动式闪光焊机的夹钳将待焊钢轨固定；
三、利用移动式闪光焊机进行闪光和顶锻过程，其中闪光阶段的电流为400-700A，电压为350-420V，顶锻阶段的顶锻力为60-70t，顶锻过程的顶锻量为10-14mm；
四、顶锻结束以后沿钢轨轴线方向持续施加保压力，保压力的大小为50-65t。
所述步骤四中：检测施加在钢轨焊接接头两端的实际保压力，顶锻结束后顶锻油缸保持设定保压力既不送进也不后退，随着钢轨焊接接头的冷却，焊接接头处钢轨长度收缩，当检测到的实际保压力低于设定保压力的预设百分比时，则顶锻油缸带动焊机动夹端送进，当压力超过设定保压力的预设百分比时，则停止送进。
步骤四中：检测的实际保压力大小在设定保压力的偏差正负预设百分比范围内，焊机动夹端既不送进也不后退。
步骤四中的预设百分比的范围值为3-7%。进一步优选地，所述步骤四中的预设百分比的范围值为5%。
优选地，所述顶锻量为11-13mm。进一步优选地，所述顶锻量为12mm。
优选地，所述保压力为55-62t。进一步优选地，所述保压力为60t。
本申请采用了钢轨闪光焊工艺，配合了相应的焊接电流、焊接电压、顶锻力和保压时间，相比传统的钢轨闪光焊工艺，采用的新型的钢轨闪光焊工艺能有效减小焊缝的晶粒尺寸，并且焊缝附近的硬度值分布更加均匀，从而有效的提高了钢轨闪光焊接头的质量。
本申请针对无缝线路中使用的钢轨，并且针对顶锻完成后的保压压力时间研究晶粒细化，本申请重点在焊接接头在焊后保持足够的压力实现晶粒细化的方法：研究在热输入一定时改变保压时间对焊缝晶粒尺寸的影响，期望达到不采用热处理也能达到细化接头晶粒的目的。
实施例3
在实施例1和实施例2的基础上，钢轨闪光焊是待焊钢轨在电极的作用下逐渐靠近，依靠电流在待焊端面产生强烈而稳定的闪光，沿钢轨轴线形成一定的温度场，接着在顶锻力的作用下形成牢固的焊接接头。本申请涉及一种新型的钢轨闪光焊工艺，包括如下步骤：（1）选用移动式闪光焊机和钢轨；（2）利用移动式闪光焊机的电极将待焊的钢轨固定在合适的位置，其中左侧的钢轨是固定不动的，右侧的钢轨可在电极的作用下沿轴线方向移动；（3）利用移动式闪光焊机的电极向钢轨沿垂直于钢轨的轴线方向提供约200t的夹紧力；（4）交流电压通过变压器在钢轨待焊端面形成350-450V的电压；（5）待焊的钢轨在电极的作用下逐渐靠近，当钢轨表面发生接触时会钢轨在电极的夹紧作用下缓慢靠近，由于钢轨端面的不平整性，初期只有局部的凸起部位发生接触，交流电压和钢轨会通过电极和变压器形成导电回路，最初由于待焊的钢轨之间接触面积小，通过的电流密度极大，接触的凸起部位由于受到电阻热的作用发生熔化，形成所谓的液态过梁，液态过梁受热发生膨胀，在电磁力、重力等的共同作用下发生爆破形成闪光，液态过梁的不断形成与爆破，形成稳定而强烈的闪光，其中闪光阶段的电流为400-700A；（6）闪光阶段由于钢轨的端面能够达到1300℃，待焊的钢轨的接触面会由于闪光爆破而烧损，闪光过程中钢轨的烧损速度叫做闪光速度，闪光速度的大小为0.22mm/s，为了保证闪光过程的顺利进行，需要避免待焊的钢轨之间的缝隙过大导致闪光中止，因此需要控制右侧的钢轨向左移动，移动速度的大小和闪光速度相同；（7）当闪光过程进行到114s时闪光阶段结束，右侧钢轨依靠电极受到了向左为70-80t的顶锻力，使右侧的钢轨向左移动12mm完成顶锻过程；（8）顶锻结束以后将右侧的钢轨向受到的保压压力减小为60t作为保压力，顶锻结束时刻顶锻油缸保持设定保压力既不前进又不后退，随着钢轨焊接接头的冷却，焊接接头处钢轨长度收缩，当控制系统检测到实际保压压力低于设定保压压力5%时，控制系统控制顶锻油缸使焊机动夹端夹紧的右侧的钢轨向左移动缓慢送进，当压力超过设定保压压力值5%时，停止送进。保压压力值在设定值上下偏差±5%范围内焊机动夹端夹紧的右侧的钢轨既不送进也不后退。（9）为了研究保压时间对焊缝晶粒尺寸的影响，因此进行了两组试验，其中一组试验的保压力的持续时间为2.5s，另一组试验的保压力的持续时间为8s。
通过采用保压时间为2.5s和8s的工艺参数得到了两组焊接接头，按照图2、3进行了钢轨闪光焊接头的轨顶、轨底和轨脚的微观组织取样，利用倒置式金相显微镜按照GB/T6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》对焊缝组织晶粒尺寸进行测量，按照图4所示的位置对轨顶试样进行硬度测试。
如图4所示，焊接接头轨顶面加工0.5mm后，进行硬度测试，硬度测试点之间的距离为1mm，测试结果如图5所示。
表1为保压时间分别为2.5s和8s时轨顶、轨底和轨脚的平均晶粒尺寸及晶粒度。
Figure DEST_PATH_IMAGE001
由表1可知保压时间为8s的工艺参数的轨顶、轨底三角区和轨脚的试样平均晶粒尺寸分别比保压时间为2.5s减小了7μm、15μm和1μm，产生这种现象的主要原因是：（1）当顶锻结束以后，焊缝仍然处于高温状态，因此焊缝仍然有一定的塑性变形的能力，当对焊缝施加一定的保压力以后，焊缝会发生塑性变形；（2）加的保压压力除产生塑性变形能以外，还会在再结晶过程中提供变形能，因此再结晶形核能力强，晶粒细化明显。结合图5可知由于保压时间为8s时焊缝的晶粒尺寸较小，因此焊缝中心的硬度值较高，并且增大保压时间，轨顶试样的硬度值波动较小，如保压时间为8s时距离焊缝中心为-5mm的硬度比焊缝中心的硬度增加了58.32N/mm2，而保压时间为2.5s时距离焊缝中心1mm的硬度比焊缝中心的硬度增加了90.74 N/mm2，因此采用较大的保压时间得到的接头的硬度更均匀，更进一步证明了保压细化晶粒的作用，该种细化晶粒带来的应用效果为：能够有效避免钢轨焊接接头在使用过程中出现“马鞍形”磨损。

Claims (6)

1.一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，其特征在于：
包括如下步骤：
步骤一、选用移动式闪光焊机和钢轨；
步骤二、利用移动式闪光焊机的夹钳将待焊钢轨固定；
步骤三、利用移动式闪光焊机进行闪光和顶锻过程，其中闪光阶段的电流为400-700A，电压为350-420V，顶锻阶段的顶锻力为60-70t，顶锻过程的顶锻量为10-14mm；
步骤四、顶锻结束以后沿钢轨轴线方向持续施加保压力，保压力的大小为50-65t；
所述步骤四中：检测施加在钢轨焊接接头两端的实际保压力，顶锻结束后顶锻油缸保持设定保压力既不送进也不后退；当检测的实际保压力大小在设定保压力的偏差正负预设百分比范围内，焊机动夹端既不送进也不后退；随着钢轨焊接接头的冷却，焊接接头处钢轨长度收缩，当检测到的实际保压力低于设定保压力的预设百分比时，则顶锻油缸带动焊机动夹端送进；当实际保压力超过设定保压力的预设百分比时，则停止送进；
所述步骤四中的预设百分比的范围值为3-7％。
2.根据权利要求1所述的一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，其特征在于：所述步骤四中的预设百分比的范围值为5％。
3.根据权利要求1所述的一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，其特征在于：所述顶锻量为11-13mm。
4.根据权利要求3所述的一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，其特征在于：所述顶锻量为12mm。
5.根据权利要求1所述的一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，其特征在于：所述保压力为55-62t。
6.根据权利要求5所述的一种细化钢轨闪光焊焊缝晶粒的工艺，其特征在于：所述保压力为60t。
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