CN1298487C - 熔敷金属焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种熔敷金属的焊接方法，为消除焊接残余应力、防止母材疲劳强度的降低，本发明所提供的将熔敷金属向降低了残余应力的母材焊接的方法包含有将熔敷金属焊接于母材的工序、和在母材表面将熔敷金属周缘部近旁塑性变形成凹状的工序。本发明还研究了导线与母材的熔敷接合，其特征在于，具有收容导线端部并与母材相熔敷的熔敷金属，在母材表面于熔敷金属周缘部形成凹状组合变形区域。

Description

熔敷金属焊接方法
技术领域
本发明涉及母材与熔敷金属(溶着金属)的焊接方法，特别是关于降低将熔敷金属焊接于母材后的残余应力、并提高母材与焊接连接部的疲劳强度的焊接方法。
背景技术
下边以铁道用轨道的熔合线的焊接为例来说明现有技术概要。
图1是模式表示铁道用轨道的接缝部分的图。由道钉110固定于枕木120上的轨道100，在与相邻轨道间留有允许热膨胀的规定空隙130。而由熔合线140实施其相互间的电气连接。这是因为轨道100还要作电车驱动电流与控制信号用电路使用。
图2是将熔合线140的安装部近旁放大表示的立体图。在图示的例中，熔合线端部150由熔敷金属160焊接于轨道100的腹板上。将熔敷金属160焊接于轨道100的腹板上的工序，于敷设轨道后在现场进行。用于进行这种焊接的施工方法，有低温钎焊、氩弧焊等各种方法，提出了诸多程序(步骤)，但铜铝热焊焊接，由于焊接部接合强度高、不需要较高的操作技能，近年来被广泛采用。
所谓铝热焊焊接，即是在母材表面近旁点燃铝与氧化铜(或氧化铁)的混合粉，由其化学反应所产生的热使铜(或铁)与母材一部分熔化进行熔敷。
如上所述，铝热焊焊接是可实现简便而高强度的焊接方法，但焊接部近旁残留了残余应力，因此会降低疲劳强度。例如，由三木他所写的“由改善焊接止端部提高疲劳强度方法”的焊接学会论文集第17卷第一号中所记述的那样，为提高焊接连接部的疲劳强度在降低焊接止端部的应力集中、和降低由焊接产生的拉伸残余应力是有效的。另外，作为这些降低应力的方法，在该同一论文中还介绍了进行TIG(钨极惰性气体保护焊)处理、并以砂轮机处理，锤击处理也有相当效果。
所谓锤击处理，即是以锤打击焊接部使母材塑性变形，由随着该变形产生的推压侧的残余应力来降低焊接时的拉伸残余应力，从而可减小由焊接引起的疲劳强度的降低。在该同一论文还揭示了：锤击处理要打在认为残留拉伸应力最高的焊接外缘部。由锤击处理，可将疲劳强度提高一定程度；反过来，由锤击处理在母材上产生的缺陷为基点会产生疲劳龟裂伸展。
发明内容
本发明的多个发明人，基于众多焊接试验与残余应力测定、疲劳试验，如图3以模式所示那样，在包围焊接的熔化部310的热影响区320外缘近旁残留着拉伸应力ST，并发现该拉伸应力ST与疲劳强度降低和产生龟裂330有着密切的关系。另外还发现，最高残余拉伸应力不在热影响区外缘部；由推压(或喷丸强化)使其产生凹状塑性变形可有效降低残余拉伸应力，可防止由焊接引起的疲劳强度的降低。
因此，本发明的多个发明人提出了降低残余应力的将熔敷金属焊接于母材上的焊接方法，该焊接方法包括了将熔敷金属焊接于母材的焊接工序、和在母材表面使熔敷金属周缘部近旁成凹状塑性变形的工序。如依照该方法，由熔敷金属周缘部近旁形成了凹状塑性变形，可使熔敷金属周围缘部近旁产生的特别是放射方向的拉伸应力变换为压缩应力，可延迟疲劳破坏。
特别是在以铝热焊焊接进行上述焊接的情况下，如图3以模式所示，由于母材的熔化部与热影响区都覆盖在熔敷金属下，不可能直接推压或喷丸强化热影响区的周缘部。本发明，可以打击母材表面上熔敷金属周缘部近旁，比如，围绕着熔敷金属的外侧母材表面，故其乃是即使在这种状态下也可无任何障碍使用的方法。
另外，在形成凹状塑性变形中，由于以前端成圆顶状前端工具打击母材，不会构成成为疲劳龟裂基端的锐利的沟，故可更进一步提高其疲劳强度。
附图说明
图1是轨道接缝部分立体图。
图2是熔合线安装部近旁放大立体图。
图3是模式表示焊接部近旁的剖面图。
图4是铝热焊焊接装置概念图。
图5是表示用于测定残余应力的应变仪位置的图。
具体实施方式
下边参照附图来更详细说明本发明实施例。
图4是表示铝热焊焊接装置之一例的概念图。在兼有坩埚功能的本体400的凹部410中，加入了下述的铝热焊剂420和覆盖它的点火剂430。在初始状态，凹部410的底以钢盘440塞住，在其下方向下延伸着横浇口450。
由点燃点火剂430，铝热焊剂420产生如下所示的燃烧反应(以铜铝热焊焊接为例)，由这时的放热，使得构成铝热焊剂420的金属成分熔化。
同时钢盘440也熔化，熔化金属通过横浇口450向下方流出。从而，在横浇口450的出口部460，为堵塞出口部460，应进行熔敷，比如要使母材与结合端子部470紧密结合的话，熔化金属使其一部分熔化，最终将含有结合端子部470的熔化金属(示例中是以铜为主体的合金)焊接于母材上。
在实际铝热焊焊接时，还必须有母材研磨、预热、焊接材料等的安装、铝热焊剂点火与燃烧，取下本体，除去溶渣，整形等作业，但这些作业对操作者均为已知，故省略其详细说明。
表1表示：以长方形(短尺)轨道为母材进行熔化金属的焊接、并在该状态测定其残余应力，和使用基于本发明的方法，为形成凹部预先用圆顶状前端工具打击母材后测定其残余应力示出结果。图5上示出了用于测定的应变片贴附位置与方法。
表1铜铝热焊焊接后、在该状态测定残余应力的情况与实施基于本发明消除应力(普通打击力)情况的比较。
                      应力测定结果
测定处所           仅焊接   焊接后消除应力处理
  变形量   残余应力   变形量   残余应力
①LC   -377-1538   19.338.1   712246   -18.1-10.6
②LC   -7-808   5.818.7   8392155   -34.3-55.5
③LC   239-1744   6.638.6   -29863   -5.3-19.7
④LC   311-1263   1.62.70   1136-453   -23.12.6
如表1所示，在仅进行铜铝热焊焊接而不进行本发明的消除应力处理的情况下，特别是在以焊接部为中心的放射方向(C向)拉伸力成分(正数值)较大，在周向也表示有拉伸力。相对于此，在基于本发明的铜铝热焊焊接后进行消除应力处理的情况下，可以看出，放射方向与周向残余应力几乎全部由压缩应力所置换。即，本试验结果表示，依本发明的方法，可有效消除焊接残余应力，相反在焊接部周边残留着压缩残余应力。
对于为由本发明的焊接方法提高其耐磨损性而进行热处理的轨道材料为母材(HH340)进行熔敷金属焊接的试验体，在表2所示条件下进行疲劳试验，观察其发生龟裂等情况。
表2  疲劳试验条件
  试料编号No.       应力幅度(N/mm2)   反复次数(次)
    主应力     剪切应力
  1     111.8     163.8   2×106
  2     119.6     169.7   2×106
  3     117.7     136.3   2×106
疲劳试验结果，确认由目视看不到发生龟裂。
以上的试验结果表示，即使是在考虑可能有引起较大的疲劳强度降低的耐磨损性热处理的轨道材料(HH轨道)与铝热焊焊接相组合的情况下，由于使用了本发明也可确保足够的疲劳强度。表2所示的疲劳试验条件，在对铁道用轨道长期使用的反复应力作用条件下，加上设计用安全系数，使用本发明的焊接部也可充分满足现实的设计条件。
以上就适用本发明的实施例参照附图作了具体说明。但附图与上述说明只是示例，本发明并不局限于这些实施例。

Claims (11)

1.一种降低残余应力的向母材熔敷金属的焊接方法，其特征在于，它包括了由熔敷金属将熔合线铝热焊焊接于母材的焊接工序、和使位于熔敷金属的外侧的母材表面塑性变形为凹状的工序，
所述位于熔敷金属外侧的母材表面中塑性变形为凹状的位置位于熔敷时形成于熔化了的熔化部的外侧的热影响区的更外侧。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，前述母材是进行了用以提高耐磨损性的热处理的轨道用材料。
3.按权利要求1所述的方法，其特征在于，前述熔敷金属实际上是由铜构成的。
4.按权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，由前述铝热焊焊接，熔敷金属被熔敷以覆盖着熔化部与热影响区；而前述塑性变形成凹状的周缘部近旁是在热影响区外侧，未被熔敷金属所覆盖部分。
5.按权利要求1所述的方法，其特征在于，前述塑性变形工序包含了以前端成圆顶状的前端工具打击母材的工序。
6.按权利要求1所述的方法，其特征在于，前述塑性变形工序在前述熔敷工序之后进行。
7.按权利要求1所述的方法，其特征在于，前述母材是铁道用轨道，前述熔敷金属收容了熔合线端部并将轨道与熔合线电气连接。
8.一种导线与母材的熔敷块接合，其特征在于，具有收容导线端部并与母材熔敷的熔敷金属，在母材表面，在熔敷金属周缘部形成凹状组合变形区域，
在熔敷区域周围形成热影响区，在热影响区周围形成前述凹状区域。
9.按权利要求8所述的熔敷块接合，其特征在于，前述母材是进行了旨在提高耐磨损性的热处理的轨道。
10.按权利要求8所述的熔敷块接合，其特征在于，前述熔敷金属是以铜为主体的金属。
11.按权利要求8所述的熔敷块接合，其特征在于，在前述熔敷区域与热影响区实际残留压缩应力。
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