CN112647024A - 高碳微合金化热处理钢轨及其焊接方法 - Google Patents

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白威
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Abstract

本发明属于铁路钢轨焊接技术领域，具体涉及一种高碳微合金化热处理钢轨及其焊接方法。针对一种新成分的钢轨，本发明提供了适用于该钢轨的焊接方法。高碳微合金化热处理钢轨，化学成分包括：按重量百分比计，C：0.90‑1.0％，Si：0.30‑0.65％，Mn：0.90‑1.09％，Cr：0.18‑0.31％，V：0.03‑0.10％。焊接方法为：采用焊接的方式将高碳微合金化热处理钢轨焊接在一起，在焊接过程中，控制焊接热输入量范围为9.9MJ～11.9MJ，焊后最大顶锻量范围为12.0～13.0mm。本发明的钢轨成分与焊接方法互相配合，共同使得焊接后钢轨的力学性能提高，抗拉强度Rm≥1350MPa，硬度≥420HB；避免因焊接区域缺陷而导致的焊接接头裂纹扩展，延长钢轨使用寿命，保证铁路运行安全。

Description

高碳微合金化热处理钢轨及其焊接方法
技术领域
本发明属于铁路钢轨焊接技术领域，具体涉及一种高碳微合金化热处理钢轨及其焊接方法。
背景技术
随着货车平均轴重的逐年增加，轨道状态的恶化与部件伤损问题日益突出，为此工务部门对轨道结构采取了相应的加强与维修措施。目前，重载线路采用了焊接无缝钢轨，能够有效提高线路的稳定性。现阶段，钢轨无缝化已成为必然趋势。作为钢轨无缝化环节中的一道重要工序，钢轨焊接质量直接关系到铁路线路服役寿命，甚至行车安全。钢轨服役过程中，受焊接质量及线路实际运营条件复杂性的影响，焊接长轨条的断裂大多发生在焊接接头上，因而焊接接头成为了无缝线路的薄弱环节。
受熔化过程及高温影响，钢轨焊接过热区奥氏体晶粒粗化，导致该区域的硬度明显低于母材。软化的钢轨焊接接头在服役过程中，易优先在踏面部位形成“鞍型”磨耗，增加了轮轨冲击，影响钢轨使用寿命，并且受钢轨焊接接头的材料微结构分布不均匀和残余应力的影响，易导致裂纹容易在缺陷或高应力处萌生，威胁列车的运行安全性。
钢轨的使用寿命受到钢轨成分与焊接方法的影响，目前的高碳微合金钢主要是C含量小于0.9％的钢，本发明拟提供一种新成分的高碳微合金化热处理钢轨及其焊接方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：针对一种新成分的钢轨，提供适用于该钢轨的焊接方法。
本发明提供了一种高碳微合金化热处理钢轨，化学成分包括：按重量百分比计，C：0.90-1.0％，Si：0.30-0.65％，Mn：0.90-1.09％，Cr：0.18-0.31％，V：0.03-0.10％。
其中，上述的高碳微合金化热处理钢轨为采用热处理后得到的钢轨。该钢轨经过热处理后，基于细晶强化原理生产制造的高碳微合金化热处理钢轨受焊接热循环作用后，焊缝区域的淬硬层消失并出现一较宽的低硬度区，导致焊缝及热影响区的硬度低于钢轨母材。
本发明还提供了一种上述高碳微合金化热处理钢轨的焊接方法，包括以下步骤：采用焊接的方式将高碳微合金化热处理钢轨焊接在一起，在焊接过程中，控制焊接热输入量范围为9.9MJ～11.9MJ，焊后最大顶锻量范围为12.0～13.0mm。
其中，上述高碳微合金化热处理钢轨的焊接方法中，所述的焊接为移动式闪光焊接或固定式闪光焊接。
其中，上述高碳微合金化热处理钢轨的焊接方法中，所述焊接方法适用于75kg/m钢种。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种新成分的高碳微合金化热处理钢轨，并针对该钢轨提供了一种焊接方法，有效缓减焊接接头微观组织中异常缺陷的产生，从而保证焊接接头的力学性能，抗拉强度Rm≥1350MPa，硬度≥420HB；避免因焊接区域缺陷而导致的焊接接头裂纹扩展，延长钢轨使用寿命，保证铁路运行安全。
附图说明
图1为实施例1的高碳微合金化热处理钢轨焊接接头金相显微照片。
图2为实施例1的高碳微合金化热处理钢轨焊接接头焊接工艺曲线。
图3为实施例2的高碳微合金化热处理钢轨焊接接头金相显微照片。
图4为实施例2的高碳微合金化热处理钢轨焊接接头焊接工艺曲线。
图5为对比例高碳微合金化热处理钢轨焊接接头金相显微照片。
图6为对比例高碳微合金化热处理钢轨焊接接头金相显微照片。
图7为对比例的高碳微合金化热处理钢轨焊接接头焊接工艺曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种高碳微合金化热处理钢轨，化学成分包括：按重量百分比计，C：0.90-1.0％，Si：0.30-0.65％，Mn：0.90-1.09％，Cr：0.18-0.31％，V：0.03-0.10％。
其中，上述的高碳微合金化热处理钢轨为采用热处理后得到的钢轨。该钢轨经过热处理后，基于细晶强化原理生产制造的高碳微合金化热处理钢轨受焊接热循环作用后，焊缝区域的淬硬层消失并出现一较宽的低硬度区，导致焊缝及热影响区的硬度低于钢轨母材。
本发明还提供了一种上述高碳微合金化热处理钢轨的焊接方法，包括以下步骤：采用焊接的方式将高碳微合金化热处理钢轨焊接在一起，在焊接过程中，控制焊接热输入量范围为9.9MJ～11.9MJ，焊后最大顶锻量范围为12.0～13.0mm。
其中，上述高碳微合金化热处理钢轨的焊接方法中，所述的焊接为移动式闪光焊接或固定式闪光焊接。
其中，上述高碳微合金化热处理钢轨的焊接方法中，所述焊接方法适用于75kg/m钢种。
有效控制焊接过程中的热输入，是决定焊接接头微观组织中缺陷产生的主要因素，如不能有效控制焊接接头中缺陷的产生，会影响线路平顺性，甚至行车安全。本发明通过焊接热入量可以有效缓减焊接接头微观组织中异常缺陷的产生，且在本发明中所述的焊接热输入范围内，可以有效缓减焊缝微观组织中缺陷的产生。
下面将通过实施例对本发明的具体实施方式做进一步的解释说明，但不表示将本发明的保护范围限制在实施例所述范围内。
实施例1采用本发明方法对高碳微合金化热处理钢轨进行焊接
焊前准备：打磨高碳微合金化热处理钢轨轨腰部位约至少400mm(焊接设备中夹持电极的长度)的距离。高碳微合金化钢轨焊接接头端面需要进行全断面打磨。
采用较低焊接热输入条件下，运用移动式闪光焊机焊接高碳微合金化热处理钢轨(下述焊接工艺均采用75kg/m高碳微合金化热处理钢轨)，焊接工艺参数如下：
将高碳微合金化热处理钢轨锯切成长度为700～900mm的钢轨条，打磨待焊接头端部和轨腰相关位置。实验采用铁科院研发的YHG1200型号闪光焊机，该设备控制闪光焊接过程，将其分为十个阶段，焊接热输入量的控制主要集中在2、3、4阶段。控制2、3、4阶段的电压分别在380～450V、300～360V和300～350V三个范围内变化，在匹配电压的情况下，控制2、3、4阶段的电流分别在280～460A、180～430A和160～410A后进行高碳微合金化热处理钢轨闪光焊实验。采用的焊接热输入量为10.0MJ，焊后最大顶锻量为12.5mm。
由于高碳微合金化热处理钢轨成分复杂，焊接过程同时严格控制外网电压等外界条件。
将实施例1得到的高碳微合金化热处理钢轨闪光焊接头经锯切、线切割、粗磨、细磨、机械抛光等相关步骤，制成金相试样，在金相显微镜下观察。
所述的金相制样的具体操作步骤为：
(1)将待测金属制成块状或圆柱状试样，大小适宜手握，以方便在砂纸上磨削及机械抛光。
(2)粗磨-细磨
将上述试样在金相砂纸上磨光，其所采用的砂纸粒度排号顺序如下：200#→400#→600#→800#→1000#。高碳微合金化热处理钢轨钢具有高强度的特点，在200#砂纸上磨光时需稍用力，研磨时间需按具体情况适时增加，以去除表面油污杂质、露出金属色光泽为准。
(3)机械抛光
将经过粗磨-细磨的试样置于抛光机上，进行抛光，机械抛光时间控制在1min-2min。抛光布及抛光膏的选择：选择精抛绒的抛光布，抛光布的绒毛长且柔软。选用0.5μm的金刚石抛光膏，以减少抛光表面的划痕。由于高碳微合金化热处理钢轨金相的硬度较大，在抛光前需用硝酸酒精对其进行腐蚀，在抛光过程中，用清水冲洗试样表面。抛光需稍用力，并以拿稳试样轻轻接触抛光布表面为宜。抛光除去了试样磨面上留下的磨痕得到光洁、平整的表面即可停止抛光。
(4)制作完成后的高碳微合金化热处理钢轨焊接接头金相试样在金相显微镜下观察微观组织形貌。
结果如图1所示，可见焊缝附近组织均匀。图2所示为实施例1的高碳微合金化热处理钢轨焊接工艺曲线，可见焊接热输入量10.0MJ。焊接完成后的钢轨消耗量为32.3mm。焊接加热时间136s。
实施例2采用本发明方法对高碳微合金化热处理钢轨进行焊接
采用较高焊接热输入条件下，运用移动式闪光焊机焊接高碳微合金化热处理钢轨(下述焊接工艺均采用75kg/m高碳微合金化热处理钢轨)，焊接工艺参数如下：
焊接热输入量的控制主要集中在该过程的2、3、4阶段。控制2、3、4阶段的电压分别在380～450V、300～360V和300～350V三个范围内变化，2、3、4阶段的电流分别在280～460A、180～430A和160～410A三个范围内变化，后进行高碳微合金化热处理钢轨闪光焊实验。采用的焊接热输入量为11.2MJ，焊后最大顶锻量为13.0mm。
将实施例2得到的高碳微合金化热处理钢轨闪光焊接头经锯切、线切割、粗磨、细磨、机械抛光等相关步骤，制成金相试样，在金相显微镜下观察。结果如图3所示，可见焊缝附近组织均匀。图4所示为较高热输入高碳微合金化热处理钢轨焊接工艺曲线，焊接热输入量11.2MJ，焊接完成后的钢轨消耗量为35.6mm，焊接加热时间152s。
对比例1采用现有的焊接方法对高碳微合金化热处理钢轨进行焊接
调节2、3、4阶段的焊接时间等焊接工艺参数与实施例1相同，降低焊接时间在15～30s范围内变化，目的在于降低焊接热输入量。
观察对比例得到的焊接接头金相试样，如图5和图6所示。
图7所示为对比例高碳微合金化热处理钢轨焊接工艺曲线，焊接热输入量9.4MJ，焊接完成后的钢轨消耗量为30.4mm，焊接加热时间127s。
通过实施例与对比例可知，通过焊接热入量可以有效缓减高碳微合金化热处理钢轨焊接接头微观组织中缺陷的产生。

Claims (5)

1.高碳微合金化热处理钢轨，其特征在于，化学成分包括：按重量百分比计，C：0.90-1.0％，Si：0.30-0.65％，Mn：0.90-1.09％，Cr：0.18-0.31％，V：0.03-0.10％。
2.根据权利要求1所述的高碳微合金化热处理钢轨，其特征在于：所述钢轨为采用热处理后得到的钢轨。
3.权利要求1或2所述的高碳微合金化热处理钢轨的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：采用焊接的方式将高碳微合金化热处理钢轨焊接在一起，在焊接过程中，控制焊接热输入量范围为9.9MJ～11.9MJ，焊后最大顶锻量范围为12.0～13.0mm。
4.根据权利要求3所述的高碳微合金化热处理钢轨的焊接方法，其特征在于：所述的焊接为移动式闪光焊接或固定式闪光焊接。
5.根据权利要求3所述的高碳微合金化热处理钢轨的焊接方法，其特征在于：所述焊接方法适用于75kg/m钢种。
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