0 引言 无缝线路是高速重载运输轨道结构的重要组成部分,钢轨焊接是无缝线路铺设中的关键 环节。钢轨焊接在工厂采用闪光焊,在现场主要采用小型气压焊。钢轨焊接都需将钢轨待焊端面加 热到1300℃以上<1～2>,通过顶锻使金属在挤压变形条件下进行交互结晶与再结晶,实现 金属连接,获得致密细小的晶粒。钢轨对焊接头质量与顶锻阶段变形工艺密切相关<3～5>;气 压焊顶锻后,根据其焊瘤形貌特征可直接判断焊接接头质量<6>。但在钢轨对焊时,究竟如何控 制顶锻参数,获得优质接头,尚缺理论依据和试验数据。Gleeble是一种国际通用的热模拟 试验机。尤其是Gleeble-2000,采用电阻加热,具有极强的热应力应变研究和模拟功 能<7>,完全适合模拟钢轨对焊焊接热循环与顶锻变形过程。利用先进的Gleeble-20 00热力模拟实验技术,研究钢轨对焊顶锻变形加热条件、顶锻量、顶锻力、顶锻速度、带电顶锻 时间等参数匹配规律,探讨钢轨接头挤压后焊瘤毛刺形貌与接头质量的关系。为科学制定钢轨焊接 工艺,控制焊轨质量提供试验数据和理论依据。1 试样与试验方法 试验材料为攀钢U71M n(60kg/m)
钢轨。焊接模拟试样为10mm×70mm圆柱试样;等温压缩试样为10m m×12mm圆柱试样。为保证试样化学成分的一致性,试样均从钢轨轨头部分切取。试验设备为 从美国引进的Gleeble-2000热模拟机。按图1所示进行焊接模拟试验(对焊接试样端 面进行打磨清洗,焊上热电偶,安装夹紧,抽真空后,充入少量Ar气保护);按图2所示进行顶 锻等温压缩模拟试验。按表1、2所示试验方案进行钢轨顶锻变形热力模拟试验。并由计算机自动 记录试验过程中加热温度、时间、顶锻量和应力变化情况(见图3、4)。2 试验结果与分析2 .1 加热温度与形变抗力的关系图1 对焊模拟试验示意图Fig.1 Diagramofb uttweldingsimulation图2 等温压缩模拟试验示意图Fig.2 Dia gramofcompressingisothermallysimulation 采用 等温压缩方法研究不同加热温度条件下,钢轨钢顶锻变形抗力的变化规律如图5所示。可见,形变 抗力随着加热温度的升高而降低。尤其是在1250～1300℃时,顶锻所需压力最小。当加热 温度等于或大于1300℃时,金属会熔化而出现塌陷现象。钢轨在现场进行气压焊时,往往由于 加热器火孔太大,轨底加热温度达到1300℃左右,且时间过长,就会出现压塌,影响焊轨质量 。由于实际钢轨焊接中不同的焊接方法采用的加热方式亦不相同。闪光焊用电阻加热,是内热源; 气压焊用氧乙炔火焰加热,是外热源,这必然使钢轨待焊端面温度场分布差异较大,因此,钢轨对 焊顶锻变形所需顶锻力大小,应依据图5曲线数据合理给定。2.2 顶锻速度、顶锻量与接头形 变抗力的关系采用焊接模拟试验方法,在相同加热条件下,研究钢轨钢的顶锻速度、顶锻量与接头 形变抗力的关表1 钢轨钢对焊模拟试验方案Tab.1 Thetestplanofrail buttweldingsimulation编号加热速度/℃·s-1峰值温度/℃顶锻量/ mm带电顶锻量/mm顶锻速率/mm·s-11250130010104225013001 0108325013001010124250130010101652501300441 26250130066127250130088128250130010612表2 钢轨 钢等温压缩试验方案Tab.2 Thetestplanofrailcompressing isothermallysimulation编号加热速度/℃·s-1顶锻量/mm顶锻速 率/mm·s-1带电压缩量/mm模拟试样温度/℃9250812810501025081 2811001125081281150122508128120013250812812 50图3 对焊模拟试验记录曲线Fig.3 Curveofbuttweldingsimu lation图4 等温压缩模拟试验记录曲线Fig.4 Curveofcompressi ngisothermallysimulation图5 加热温度与形变抗力的关系Fig. 5 Therelationshipbetweenheating temperatu reandresistanceforce系,其结果见图6、7。可见:当顶锻量相同(10 mm)时,接头形变抗力随着顶锻速度的增加而增大;当顶锻速度相同(12mm/s)时,
接头 形变抗力随着顶锻量的增加而增大。图6 顶锻速度与形变抗力的关系Fig.6 Therel ationshipbetweenupset speedandresistancefor ce图7 顶锻量与形变抗力的关系Fig.7 Therelationshipbetwee nupset lengthandresistanceforce 上述结果表明:在钢轨 压力焊工艺中,为保证合适的顶锻量与顶锻速率(即顶锻量与顶锻速率的最佳匹配),必须施加足 够大的顶锻力进行顶锻,其大小还应考虑钢轨端面温度场的影响。2.3 不同顶锻变形条件下焊 口金属流动状况(焊瘤特征比较)无论是闪光焊还是气压焊,钢轨对焊时都要求通过顶锻变形,将 焊缝高温过热金属以及氧化夹杂物挤出,保证焊口金属能产生充分的形变再结晶,使接头性能与母 材等塑等强。观察图8(a)试样接头,发现顶锻速度为12mm/s时,焊瘤大而有明显的翻边 分层特征,表明焊口金属流动效果良好;而将顶锻速度增大到16mm/s时,焊瘤小且仅有镦粗 特征,见图8(b)。这是由于金属的形变抗力随顶锻速度的增加而增大,形变抗力的增加必然会 导致焊接端面高温金属的流动性变差。顶锻量过小会使部分液态过热金属残留在焊口图8 焊接模 拟试样典型焊瘤外观形貌Fig.8 Thetypicaloverlapappearanc eoftestspecimen中形成缺陷;顶锻量过大会扭曲接头区纤维,降低接头冲击韧性 。因此,顶锻速度与顶锻量必须匹配合理,才能获得优良的钢轨焊接接头。从焊接模拟试样的焊瘤 形状可以看出:在试验条件下,顶锻速度为12mm/s、顶锻量为10mm时,焊口高温金属的 流动性好。3 焊接质量分析3.1 焊接模拟试样质量分析图9是焊接热力模拟试样在不同顶锻 变形条件下的纵剖面实物照片。图10是与图9对应试样的焊缝金相照片。由图9可见:顶锻速度 为12mm/s时接头的焊缝及热影响区金属的流线特征都已基本消失,而顶锻速度为16mm/ s的接头,热影响区金属有明显的流线特征,焊缝金属尤其是焊瘤根部流线弯曲分层的热裂纹较多 。表明:当顶锻速度为12mm/s时,焊缝及近缝区金属流动性好,形变再结晶充分,重新形核 长大,组织致密均匀变好,金属流线消失。而顶锻速度增大,金属形变抗力增加,导致形变再结晶 困难。另外,从图9、10可见:试样焊缝宽度随无电顶锻量的增大而变窄;焊缝金属中有较多的 “疏松”焊接缺陷。通过定量金相测试,图9(a)、9(b)、9(c)试样疏松缺陷所占比例 分别为8.4%、6.5%、2.0%。在顶锻量为10mm、顶锻速度为12mm/s的工艺条 件下,缩短带电顶锻时间,焊缝疏松区宽度由2.5mm减到1.5mm。由此可见,疏松缺陷不 但与顶锻速度、顶锻量有关,还与带电顶锻时间相关。带电时间增长,焊缝区高温过热金属增多, 在顶锻量不足情况下,高温过热金属就会残留在焊缝处,从而形成疏松。这种缺陷往往会成为钢轨 焊接接头断裂的发源地。图9 不同顶锻变形条件下试样纵剖面实物照片Fig.9 Thepr ofilepictureoftestspecimenunderdifferentdef ormingconditions图10 不同顶锻变形条件下试样纵剖面焊缝金相照片 × 40Fig.10 Theweldareaprofilephasepictureofte stspecimenunderdifferentdeformingconditions 3.2 钢轨对焊顶锻变形工艺与接头质量的关系对于U71Mn60kg/m钢轨,目前在实际 焊轨工程中采用如表3所示的顶锻变形参数进行生产。可见:闪光焊机压力大,接头金属变形集中 ,温度低,过热程度小;气压焊机顶锻力不足,焊接端面压力小,且温度不均匀,表面金属加热时 间长,温度高,过热严重。若顶锻变形控制不当,很容易出现疏松缺陷。图11是U71Mn60 kg/m钢轨气压焊接头的断口照片(箭头所示区域为疏松缺陷)。该接头经落锤性能检验为不合 格,轨底角处的疏松缺陷导致了接头过早断裂。由于现有焊接装备的控制性能以及参数检测功能受 到限制,加之钢轨钢对焊顶锻变形特性往往缺乏科学试验数据,因而焊轨生产质量还不够稳定。因 此,采用热力模拟试验技术进行钢轨对焊模拟试验研究,便于合理选择制定焊接工艺参数,严格控 制表3 60kg/m钢轨对焊顶锻变形参数Tab.3 Theupsetdeforming parametersofrail(60kg/m)buttwelding焊接方法焊接设备 液压系统压力ΜΡa钢轨焊接端面压力ΜΡa顶锻量mm顶锻速度mm·s-1焊后焊缝 最高温度/℃加热源与温度场分布特点闪光焊乌克兰К190лк1077.314±2≥25≤ 1150861.914±2≥25≤1200538.714±2≥25≤1300电阻与电弧 加热;温度场陡 气压焊YJ-440型(德州泵)5064.430±24～5≤10504558.030±24～5≤11003545.530±24～5≤11503038.730±24～5≤12002532.230±24～5≤1300氧、乙炔火焰表面加热;温度场平缓 注:钢轨焊接端面压力=液压系统压力×工作油缸面积/钢轨截面面积图11 钢轨气压
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