CN1442265A - 高碳钢钢轨与高锰钢辙叉焊接工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高碳钢钢轨与高锰钢辙叉焊接工艺方法，主要用于铁路高碳钢钢轨与高锰钢辙叉的无缝焊接，也适用于高锰钢与高碳钢材质构件的焊接或修复。本发明主要采用手工电弧焊的方法，在钢轨侧堆焊Cr－Ni－Mo系合金过渡层，在辙叉侧堆焊Mn－Cr－Ni系合金过渡层并进行固溶处理，然后将二者双U型坡口接头进行对称焊接。具有工艺简单，焊接质量高，性能稳定，生产成本较低，一次焊接即成一体等优点。
Description
所属领域：
本发明涉及一种高锰钢与高碳钢焊接工艺方法，主要用于铁路高碳钢钢轨与高锰钢辙叉的焊接，也适用于高锰钢与高碳钢材质构件的焊接或修复。
背景技术：
经实地考察和调研，并通过国际联机科技查新，本发明的技术背景及目前的国内外情况如下：
由于高锰钢辙叉和高碳钢钢轨焊接所用的这两种材料的材质从化学成分、物理性能、力学性能上差异甚大，各自的焊接性都极差。高碳钢焊接时，容易产生淬硬组织，焊接应力大，会导致冷裂纹的产生。高锰钢焊接时在热影响区会产生碳化物析出，焊接应力大，会导致液化裂纹(热裂纹)的产生。又由于这两种材料的热膨胀系数相差很大，被焊轨头的几何形状不规整，焊接时会产生很大的应力变形，所以将二者直接焊接成一体比较困难。对于高锰钢辙叉和高碳钢钢轨焊接，主要应用于“重载”、“高速”线路，对焊接接头的安全性、可靠性和使用寿命要求较高。同时还要考虑焊接技术的可行性、实用性和生产成本等诸多因素。这样才能确保焊接接头的质量，从而最终为铁路部门提供安全可靠的产品。
国外奥地利和法国采用“加介质层的二次闪光对焊”工艺，其产品已经应用于铁路，它是首先将钢轨与不锈钢对焊到一起，然后加热到850℃正火，最后再将不锈钢与高锰钢对焊到一起。德国是首先将高锰钢与不锈钢对焊到一起，随后进行一次固溶处理，然后再将不锈钢与钢轨进行二次闪光焊接。苏联也是采用加过渡部件而后闪光焊。以上国家只有奥地利在我国申请了二次闪光焊接的专利。二次闪光对焊是将事先制造成形的过渡层介质焊接在高锰钢轨头一侧，随后将多余的过渡层介质切割掉，再将钢轨与带有一定厚度过渡层的高锰钢辙叉二次闪光对焊，将其焊接成一体。采用这种方法进行焊接的缺点是，首先得制成成型的过渡层介质，然后通过焊接，将多余的过渡层介质切割掉，再进行二次对焊，工序较多。另外，闪光对焊设备价格昂贵，耗电量大，对厂房的设施要求高。焊接操作人员要求有较高的技术水平，焊接工艺规范参数较窄，被焊截面的加工质量要求严格，建厂投资大，生产成本高。
我国铁科院曾采用强迫成形电弧焊方法和铝热焊方法进行了大量的研究工作。山海关桥梁工厂和燕山大学，天津大学，大连铁道学院对采用加介质层的二次闪光对焊方法也作了较多的研究工作，但到目前为止，还属于基础研究阶段。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处，而提供一种实现高碳钢与高锰钢的焊接，工艺简单，焊接质量高，性能稳定，生产成本较低，一次焊接即成一体的高碳钢钢轨与高锰钢辙叉焊接工艺方法。
本发明的目的是通过以下工艺步骤实现的：
1、首先对钢轨和辙叉的被焊接部位进行质量检验；
2、然后对钢轨和辙叉被焊接部位堆焊过渡层，即分别堆焊一层介质金属材料；
(1)钢轨过渡层堆焊前先将被焊部位清洗干净，再进行预热，预热温度≥300℃，过渡层采用全包覆结构，对称双U形坡口焊接接头形式，堆焊完的钢轨进行保温缓冷到室温；
(2)辙叉过渡层堆焊前先将被焊部位清洗干净，过渡层采用全包覆结构，对称双U形坡口焊接接头形式，采用短焊道焊接工艺，边焊边强迫冷却，堆焊后的辙叉进行水韧固溶处理；
3、将堆焊有过渡层的钢轨与辙叉进行焊接，首先对过渡层U形焊接坡口进行磨修，经检验合格后用专用夹具装配平直，然后对双U形坡口焊接接头进行正反面交替焊接，即单面焊接反面成形打底，连续焊接直至焊完止；
4、最后对焊接接头进行打磨成形，质检合格即可。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.从焊接方法来讲：手工电弧焊以及其它熔化焊方法，与目前焊接钢轨和辙叉唯一成熟的二次闪光焊方法比较，具有如下优点：
采用的手工电弧焊方法其特点是操作灵活方便，焊接人员培训容易，焊接设备及工装投资少，用电量少，焊接材料价格低，焊接缺陷便于发现，焊接质量容易控制，对厂房场地生产环境要求不高，焊接工艺及工序简单，容易形成批量生产能力，建厂投资少，生产成本低。
2.从焊接工艺来讲：由于采用了一系列的工艺措施，能更有力地保证焊接接头的质量，每道工序各具有如下优点：
(1)采用双介质过渡层金属材料：见表1所示，采用过渡层金属的目的主要是解决高锰钢与高碳钢不利于直接焊接的难题。高锰钢焊接时，由于高温停留时间长，会引起热影响区碳化物的析出，导致热裂纹的产生，所以要求尽量采用热输入量小的焊接方法及工艺，尽可能地降低热影响区的温度及缩短高温停留时间，所以采用焊后急冷的工艺。高碳钢焊接时，热影响区易产生淬硬组织，导致冷裂纹的产生，一般采用焊前预热，焊后缓冷的工艺。在高锰钢和高碳钢被焊部位先分别堆焊一层介质金属材料，即过渡层，然后再将带有过渡层的高锰钢与高碳钢进行焊接，就比较容易。采用不同金属的介质过渡层方法，大大地降低了高锰钢与高碳钢的焊接难度，从而也简化了焊接工艺。
采用不同金属的介质过渡层的另一个目的，是通过过渡层金属来实现高锰钢和高碳钢的综合性能，如保证强度、韧性、硬度等力学性能；减小热胀系数、应力变形等物理性能；防止碳、铬等金属迁移扩散造成组织缺陷、稳定金相组织结构等；提高耐磨损、抗冲击、冷作硬化、抗疲劳、抗裂纹敏感性等使用性能。由于采用两种不同材料介质的过渡层，所以很好地实现了高锰钢和高碳钢的综合性能，又具有良好的焊接性能，从而大大地降低了高锰钢和高碳钢的焊接难度，简化了焊接工艺方法。
(2)采用全包覆过渡层方式：采用全包覆过渡层方式，可以有效地避免对母材的再次熔化，从而保证了母材不再发生组织和性能的变化，进一步稳定了焊接接头的质量。
(3)高锰钢侧过渡层堆焊接头水韧固溶处理工艺：采用这种工艺主要目的是彻底消除高锰钢侧热影响区析出的碳化物，确保高锰钢侧热影响区无碳化物，从而进一步提高焊接接头的质量。
(4)过渡层堆焊工艺及方法：采用短焊道焊接工艺来缩短高锰钢受热时间，同时采取高锰钢侧强迫冷却的措施来加速散热，这种工艺能有效地抑制和减少碳化物析出的程度和数量，高碳钢过渡层的堆焊，采取焊前预热≥300℃，焊后缓冷的工艺措施，能有效地避免淬硬组织的产生。
附图说明：
图1为本发明的工艺流程图。
图2为本发明的过渡层的堆焊结构示意图。
具体实施方式：
以手工电弧焊焊接方法对铁路高碳钢钢轨与高锰钢辙叉的焊接为例，结合图1详述本发明工艺步骤。
(1)被焊接工件质量检验：被焊接的钢轨和辙叉按GB2585-81、TB/T447-90标准进行检验，合格产品方能允许焊接。
(2)过渡层堆焊：本发明采用介质过渡层金属的焊接工艺，在钢轨和辙叉的被焊部位，采用不同焊接材料，钢轨侧为Cr-Ni-Mo系合金，辙叉侧为Mn-Cr-Ni系合金，分别进行过渡层2的堆焊，过渡层2的堆焊结构形式见图2所示。堆焊层采用全包覆结构，对称双U形坡口1形式。堆焊层的厚度应大于5mm。
(3)高碳钢过渡层堆焊：钢轨堆焊前应将被堆焊部位清理干净，然后进行预热，预热温度应≥300℃，保温两小时。按图2所示的过渡层结构进行堆焊，堆焊完的钢轨进行保温缓冷到室温，避免淬硬组织的产生。
(4)高锰钢辙叉过渡层堆焊：辙叉堆焊前应将被堆焊部位清理干净，然后按图2的过渡层2结构进行堆焊。在堆焊过程中采用短焊道的焊接工艺，同时采取边焊边强迫冷却的措施，以减少高锰钢辙叉热影响区中碳化物的析出。堆焊后的辙叉进行水韧固溶处理，以消除析出的碳化物。
(5)过渡层焊接坡口的加工和质量检验：先对钢轨和辙叉的过渡层2按图2的焊接坡口结构尺寸进行机械加工或磨修，然后进行超声波检验和外观质量检验。合格后方能允许焊接。
(6)连接焊缝的焊接：该焊接接头的结构为对称双U形坡口1形式，先进行单面焊反面成形打底焊接，然后采用对称焊接的工艺，连续进行焊接，直到焊完为止。在焊接过程中，高锰钢辙叉侧要采取强迫冷却的措施，保证高锰钢辙叉的温度不得高于200℃。
(7)焊缝的外形加工和质量检验：焊后的钢轨与辙叉，依据TB/T1632-91标准要求，将焊接接头机械加工或打磨成形。然后对整个焊接接头进行超声波检验和外观质量检验。合格后方可作为产品使用。
实施例：
采用手工电弧焊的方法，使用表1中所示的焊接材料，采用图1中所示的焊接工艺，对高锰钢短轨(长600mm)和高碳钢钢轨(长600mm)标准件进行了批量焊接。通过铁道部产品质量监督检验中心进行了静弯检验，疲劳检验，对焊接接头的力学性能进行了检验，对焊接接头进行了金相组织分析，检验结果见表2—表5。上述检验结果均达到和超过了国内外相关标准的技术指标要求，尤其是静弯及疲劳检验数据非常接近和稳定，断裂部位均不在焊接接头。金相组织分析结果，热影响区均无碳化物析出和淬硬组织的产生。
表1焊接材料
| 合金系列 | 用途 |
| Cr-Ni-Mo | 钢轨侧过渡层 |
| Mn-Cr-Ni | 高锰钢侧过渡层及焊缝 |
表2静弯试验测试结果
注：法国和奥地利有关标准要求：静弯载荷882KN/90t，挠度18mm.(引自科技查新报告2001.11)
| 试件编号 | 弯曲形式 | 测试值(KN/T) | 挠度(mm) |
| 01 | 正弯 | 1152/117.6 | 42 |
| 02 | 正弯 | 1204/122.9 | 53 |
| 03 | 正弯 | 1084/110.6 | 47 |
| 04 | 正弯 | 1050/107.1 | 48 |
| 05 | 反弯 | 1144/116.7 | 43 |
| 参考值 | 正、反弯 | 882/90 | ≥10 |
表3弯曲疲劳测试结果
| 试件编号 | 测试值(万次) | 结果 |
| 06 | 202 | 未断 |
| 07 | 202 | 未断 |
| 08 | 215.9 | 未断 |
| 09 | 215.9 | 未断 |
| 10 | 203 | 未断 |
| 参照值 | 200 |
依据标准TB/T447-90
表4冲击测试值
| 试件编号 | 01 | 02 | 03 | 04 | 05 | 06 | 平均值 |
| 测试值αkU(J/cm2) | 151.24 | 149.41 | 136.59 | 138.46 | 204.88 | 176.60 | 159.53 |
| 参照值(J/cm2) | 依据TB/T1632-91，TB/T447-90(147J/cm2×60％) | ≥88.2 | |||||
冲击测试值(缺口中心在高锰钢侧，离熔合线2mm处)。
表5拉伸测试值
| 试件编号 | 01 | 02 | 03 | 04 | 05 | 06 | 平均值 |
| 测试值σb(MPa) | 698 | 738 | 724 | 716 | 709 | 727 | 718.7 |
| 参照值σb(MPa) | 依据TB/T1632-91，TB/T447-90(736MPa×80％) | ≥588.8 | |||||
拉伸测试值(以焊缝为中心，加工成拉伸试件)。
本发明的工艺方法主要用于铁路钢轨与高锰钢辙叉的焊接。由于采用了介质过渡层技术，所以也适用于一次性闪光对焊方法的应用，即可将带有过渡层的高锰钢辙叉和钢轨再进行闪光对焊，从而提高焊接效率。这种工艺方法也可用于其它高锰钢产品以及高锰钢和高碳钢构件的焊接和修复。本发明还可采用TIG焊、MIG焊、埋弧焊、等离子束焊等其中任何一种熔化焊的方法，将高锰钢与高碳钢焊焊接成一体。
Claims (3)
1、一种高碳钢钢轨与高锰钢辙叉焊接工艺方法，其特征在于采用以下工艺步骤：
A、首先对钢轨和辙叉的被焊接部位进行质量检验；
B、然后对钢轨和辙叉被焊接部位堆焊过渡层，即分别堆焊一层介质金属材料；
a、钢轨过渡层堆焊前先将被焊部位清洗干净，再进行预热，预热温度≥300℃，过渡层采用全包覆结构，对称双U形坡口焊接接头形式，堆焊完的钢轨进行保温缓冷到室温；
b、辙叉过渡层堆焊前先将被焊部位清洗干净，过渡层采用全包覆结构，对称双U形坡口焊接接头形式，采用短焊道焊接工艺，边焊边强迫冷却，堆焊后的辙叉进行水韧固溶处理；
C、将堆焊有过渡层的钢轨与辙叉进行焊接，首先对过渡层U形焊接坡口进行磨修，经检验合格后用专用夹具装配平直，然后对双U形坡口焊接接头进行正反面交替焊接，即单面焊接反面成形打底，连续焊接直至焊完止；
D、最后对焊接接头进行打磨成形，质检合格即可。
2、根据权利要求1所述的高碳钢钢轨与高锰钢辙叉焊接工艺方法，其特征在于所述的过渡层堆焊厚度大于5mm。
3、根据权利要求1所述的高碳钢钢轨与高锰钢辙叉焊接工艺方法，其特征在于介质金属材料为钢轨侧堆焊Cr-Ni-Mo系合金，辙叉侧堆焊Mn-Cr-Ni系合金。
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|---|---|---|---|---|
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