鋼軌對接的焊劑帶約束電弧超窄間隙焊

龔 練，朱 亮，楊韜君

（蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

鋼軌對接的焊劑帶約束電弧超窄間隙焊

龔 練，朱 亮，楊韜君

（蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進加工與再利用國家重點實驗室，甘肅蘭州730050）

采用焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法對U71Mn鋼軌對接進行試驗研究。結(jié)果表明，焊前坡口底部間隙寬度預(yù)留為4.5 mm，反變形角度設(shè)定為1.3°，焊接過程中對鋼軌進行定位，可保證每層坡口間隙寬度穩(wěn)定的保持在4～5 mm之間，通過48層焊道可完成對鋼軌的超窄間隙焊接。采用此種方法焊接時，使用H08Mn2Si焊絲，焊劑中不添加任何合金元素就能夠獲得焊縫區(qū)硬度與母材相當(dāng)、熱影響區(qū)硬度高于母材的接頭，焊縫區(qū)組織為鐵素體和珠光體，熱影響區(qū)組織為晶粒較細(xì)小的片狀珠光體。得到的接頭沖擊功遠大于要求的6 J。

鋼軌焊接；超窄間隙焊接；焊接變形；接頭硬度；顯微組織

0 前言

近年來為配合鐵路大提速，無縫線路技術(shù)在我國得到了廣泛應(yīng)用。目前國內(nèi)鋼軌焊接采用的方法主要有閃光焊、氣壓焊和鋁熱焊三種。閃光焊被公認(rèn)為最為可靠、質(zhì)量最穩(wěn)定的焊接方法，但在既有線路的維護方面使用性較差，并且其設(shè)備復(fù)雜、投資巨大[1]。氣壓焊對焊接技術(shù)要求較高，焊接質(zhì)量的穩(wěn)定和外觀平順性與焊工素質(zhì)、壓接機質(zhì)量及焊接工況緊密相關(guān)[2]。鋁熱焊工藝相對簡單，但其焊縫系鑄態(tài)組織，接頭強度僅為母材的70％，在使用中發(fā)生傷損的概率較大[3]。鋼軌電弧焊[4]近年來已有很快的發(fā)展，國內(nèi)北京京隆華聯(lián)合清華、鐵科院金化所研制了鋼軌窄間隙自動電弧焊接機，可實現(xiàn)現(xiàn)場鋼軌原位焊接，開發(fā)出自保護藥芯焊絲自動鋼軌窄間隙電弧焊工藝[5]，然而由于連續(xù)焊接中對母材的熱輸入實際很大，形成較大的過熱區(qū)，降低了焊接接頭的韌性[6]。為此，本研究提出將焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法[7]應(yīng)用于鋼軌鎖定焊接。該方法采用焊劑帶約束電弧，將特制的焊劑帶置于間隙寬度為4 mm的坡口兩側(cè)壁，對電弧加以約束，焊接熱輸入量只有0.5kJ/mm，所形成的過熱區(qū)很小，不到1 mm。前期對鋼軌超窄間隙焊接方法已進行了一定的研究，認(rèn)識了冷裂紋和熱裂紋的形成機理，并最終確定預(yù)熱溫度為400℃時可避免熱影響區(qū)產(chǎn)生冷裂紋[8]，焊接時采用能形成較大成形系數(shù)的規(guī)范就能避免熱裂紋，且坡口寬度隨焊層的增加而不斷變化[9]。所以在此基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計了專用鋼軌超窄間隙焊接裝置，對鋼軌對接進行超窄間隙焊接工藝試驗，分析焊接過程的變形規(guī)律、接頭硬度分布變化、接頭金相組織以及接頭沖擊功。

1 鋼軌對接超窄間隙焊接裝置

鋼軌對接的超窄間隙焊接裝置如圖1所示，主要由焊槍調(diào)節(jié)機構(gòu)、鋼軌定位機構(gòu)和引弧機構(gòu)組成。前期試驗中，焊槍調(diào)節(jié)機構(gòu)和鋼軌定位機構(gòu)是一個整體，固定在待焊鋼軌上[9]，然而由于焊前需預(yù)熱400℃，預(yù)留的坡口尺寸受熱后會增大，采用前期設(shè)計的裝置無法對坡口進行再調(diào)節(jié)，焊后坡口尺寸不容易到達4～5 mm。所以進行了改進，焊槍調(diào)節(jié)機構(gòu)固定在工作臺上，專門設(shè)計了用于鋼軌超窄間隙焊接的板式焊槍，焊槍由銅質(zhì)導(dǎo)電板和鋼質(zhì)支承板兩部分組成，槍體最大厚度3.0 mm，剛度較高，槍體表面通過絕緣以防止槍體與工件接觸導(dǎo)電。焊槍調(diào)節(jié)機構(gòu)由水平滑軌和豎直滑軌構(gòu)成，焊槍固定在水平滑塊上，水平滑塊沿著水平滑軌滑動，可實現(xiàn)焊槍沿焊縫方向移動；水平滑軌固定在豎直滑軌的滑塊上，可上下滑動的滑塊帶動水平滑軌和焊槍沿焊縫高度方向運動。焊接時很容易實現(xiàn)焊槍的對中。

圖1 鋼軌超窄間隙焊接裝置示意Fig.1Rail ultra-narrow gap welding device

鋼軌定位機構(gòu)由底座、支撐體、手形定位件和C形夾鉗組成，底座上的6個定位螺栓可較方便地設(shè)置焊前反變形角度，并將預(yù)熱后的坡口寬度微調(diào)至預(yù)置寬度。鋼軌的頂部側(cè)面和頂面精度較高，在C形夾鉗的緊固力作用下，定位塊和這兩個面緊緊貼合，實現(xiàn)對鋼軌的定位和對焊前預(yù)留的反變形的固定。

鋼軌引弧機構(gòu)由形狀與鋼軌截面輪廓吻合的約束電弧成型塊、和保證約束塊與鋼軌緊密貼合的固定裝置兩部分組成，主要用來增加焊道長度，有效約束電弧成型，使引弧和收弧都在被焊工件的坡口以外進行。其中引弧塊采用20 mm厚的紫銅制作而成，由于紫銅導(dǎo)熱快，焊接過程中不會被熔化，所以焊后能很方便地將其取掉，大大減少了打磨量。

焊劑帶采用粉末壓片機的方法通過10mm×12mm模具先壓制成焊劑片，然后采用高溫膠粘至寬度為6 mm的鋼帶制作而成，如圖2所示。焊劑的主要成分為大理石、螢石，使用時通過專用夾具放置于坡口底部，使焊劑帶與兩側(cè)壁緊密貼合，在焊接過程中起到約束電弧的作用，同時焊劑的熔化還能實現(xiàn)熔池保護和化學(xué)冶金的功能。

圖2 焊劑帶圖片F(xiàn)ig.2Flux band picture

2 試驗方法

試驗采用60 kg/m的U71Mn鋼軌，應(yīng)用上述設(shè)計的裝置進行超窄間隙焊接。坡口尺寸如圖3所示，底部寬4.5mm，頂部寬8.5mm，坡口反變形角度1.3°，墊板厚度5mm。填充焊絲為直徑1.6mm的H08Mn2Si，焊絲干伸長12～16 mm。焊劑帶厚度0.7 mm。焊前采用陶瓷加熱毯對鋼軌進行預(yù)熱至400℃，并采用玻璃纖維毯進行保溫。焊接試驗使用平外特性電源，工藝參數(shù)如表1所示，焊接中根據(jù)不同的層數(shù)對其進行調(diào)整。超窄間隙焊接鋼軌采用多層單道焊，每焊完一層，升高焊槍，用自制鋼軌打磨機進行清渣和打磨焊縫，保持焊縫平整，便于下一層焊接時焊劑帶的鋪設(shè)，焊接過程中持續(xù)加熱，保證層間溫度不低于400℃。每焊完一層對上下坡口尺寸進行測量。焊后將接頭沿橫截面切開，打磨拋光，并采用4％的

硝酸酒精進行腐蝕。測定其硬度的分布及沖擊性能，并觀察母材、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的組織。

圖3 坡口尺寸Fig.3Groove dimensions

表1 超窄間隙焊接工藝參數(shù)Tab.1Ultra-narrow gap welding process parameters

3 試驗結(jié)果和分析

3.1 焊接過程中的變形

根據(jù)前期試驗發(fā)現(xiàn)，焊接厚大截面的鋼軌時，很小的角變形也會造成坡口尺寸較大的變化，而超窄間隙焊接要求坡口寬度在4～5 mm之間變化，所以為了保證嚴(yán)格的坡口尺寸，焊前需預(yù)置合適的反變形角度。前期試驗設(shè)定坡口底部間隙4 mm，反變形角度2.2°，焊接過程中底部坡口寬度在3.5～5.02mm之間不斷變化[9]，超窄間隙坡口中坡口寬度的變化對焊接工藝參數(shù)的適應(yīng)性要求提高，采用相同參數(shù)很難獲得質(zhì)量較好的焊接接頭，需對不同坡口寬度所適用的焊接參數(shù)進行相關(guān)研究，且當(dāng)坡口寬度為3.5 mm時，電弧穩(wěn)定性變得極差。

試驗采用鋼軌定位裝置，將焊前坡口底部間隙設(shè)定為4.5 mm、反變形角度1.3°進行施焊。整個焊縫通過48層焊道完成，每層焊道高度3.5～4 mm，焊縫從軌底至軌頭焊道寬度為4～5 mm，熱影響區(qū)寬度1.5～2 mm，接頭剖面形貌如圖4所示。統(tǒng)計分析焊接過程中記錄的上下坡口尺寸，得到坡口上下端尺寸與焊接層數(shù)的變化關(guān)系如圖5所示。由圖5可知，上端坡口尺寸隨著焊層的增加而逐漸減小，最終在焊滿35道之后穩(wěn)定在4.65 mm，而底部的坡口寬度在焊至第4層時達到最小值4 mm，以后逐漸增大至4.65 mm。

圖4 接頭剖面Fig.4Cross-sectional of joint

圖5 坡口上下端寬度隨焊層數(shù)的變化關(guān)系Fig.5Upper and lower groove width of changing with weld layers

根據(jù)上述結(jié)果可知，焊前預(yù)留的反變形角度合適，焊接時采用鋼軌定位裝置可減小焊接過程中的變形，并且能夠較方便將坡口寬度控制在4～4.65 mm之間變化，整個焊接過程中采用同一焊接參數(shù)也能獲得焊縫成形較好的焊道。

3.2 接頭硬度分布

采用超窄間隙焊接方法焊接鋼軌得到的接頭硬度分布如圖6所示，其中焊縫與熱影響區(qū)的分區(qū)

是根據(jù)腐蝕后焊接接頭橫截面的焊縫和熱影響區(qū)實際寬度確定的。從焊縫到母材，硬度值經(jīng)歷了一個先增大后減小的過程，熱影響區(qū)硬度最高，硬度325～345HB，焊縫區(qū)硬度260～280HB，母材硬度290～300 HB。常用的鋼軌焊接方法熱影響區(qū)很容易出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，要通過正火處理才能解決，焊縫硬度需要靠專用的藥芯焊絲并增加足量的合金成分來提高。而超窄間隙焊接方法使用H08Mn2Si焊絲，在不添加合金成分的情況下，焊縫硬度與母材硬度相當(dāng)，熱影響區(qū)的硬度遠高于母材，且焊縫區(qū)和熱影響區(qū)均具有較高的韌性。

圖6 超窄間隙焊接接頭硬度分布Fig.6Distribution of ultra-narrow gap welding joint hardness

圖7 接頭金相組織Fig.7Joint microstructure

3.3 接頭金相組織

超窄間隙焊接接頭各區(qū)域的組織直接影響著接頭的硬度分布。U71Mn鋼軌超窄間隙焊接接頭的金相顯微組織如圖7所示，圖7a為25倍下接頭宏觀組織，可以看出，熱影響區(qū)寬度僅1.5 mm，并且焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒明顯小于母材。進一步放大，可觀察到3 000倍下母材由一個個直徑較大的珠光體團組成，組織為片狀珠光體，如圖7b所示。由圖7c可知，熱影響區(qū)組織也為片狀珠光體，但是其珠光體團直徑和片間距均小于母材，當(dāng)珠光體團和片間距的尺寸減小時，相界面增多，對位錯運動的阻礙增大，塑性變形抗力增大，硬度提高，所以熱影響區(qū)的硬度高于母材。由圖7d可知，焊縫區(qū)組織主要由鐵素體和珠光體組成，由于鋼軌超窄間隙焊接時采用多層單道焊，焊層較薄，這樣一方面由于每層坡口寬度窄而改善了凝固結(jié)晶的條件，更為重要的是，后一層焊縫對前一層的自回火作用有效改變了焊縫固態(tài)相變組織，使晶粒尺寸細(xì)化，提高了

焊接接頭的力學(xué)性能。所以焊縫區(qū)雖然存在大量的鐵素體，但其硬度也能達到母材的90％以上。

3.4 接頭沖擊試驗

沖擊試驗取樣分別取自焊縫軌頭、軌腰和軌底部位，采用擺錘式?jīng)_擊試驗機，在20℃常溫環(huán)境下進行試驗，試驗結(jié)果如表2所示。沖擊功遠高于要求的6.0 J。

表2 沖擊試驗參數(shù)Tab.2Impact test results

4 結(jié)論

（1）設(shè)計并制作了鋼軌對接超窄間隙焊接裝置，并利用此裝置進行焊接試驗。焊前坡口底部間隙設(shè)定為4.5 mm，預(yù)留反變形角度1.3°，可實現(xiàn)坡口間隙為4～5 mm的鋼軌對接。

（2）采用H08Mn2Si焊絲，利用焊劑帶約束電弧超窄間隙焊接方法對鋼軌進行施焊，焊劑中不添加任何合金元素，得到的接頭熱影響區(qū)硬度高于母材，焊縫區(qū)硬度與母材相當(dāng)。

（3）采用超窄間隙焊接方法焊接鋼軌得到的熱影響區(qū)寬度僅1.5 mm，熱影響區(qū)組織為晶粒較細(xì)小的片狀珠光體，焊縫區(qū)為鐵素體和珠光體。接頭沖擊功26.8 J。

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Ultra-narrow gap welding with constrained arc by flux band applied to rail welding

GONG Lian，ZHU Liang，YANG Taojun
（StateKeyLaboratoryof Advanced Processingand Recycling of NonferrousMetals，Lanzhou Universityof Technology，Lanzhou 730050，China）

Utilized ultra-narrow gap welding with constrained arc by flux band to make experimental study on U71Mn rail welding.The results showed that,before welding the bottom gap width was reserved 4.5mm，anti-deformation angle was set to 1.3°and positioned the rail when welding，which could maintain the gap width of each layer weld bead between 4mm and 5mm，through 48 layers of bead could complete the entire rail ultra-narrow gap welding.When utilized this method of welding，using H08Mn2Si wire，flux didn't add any alloying elements could obtain the joint，which the hardness of the base metal and weld zone equivalent，and heat affected zone was harder than the base metal，the weld area was acicular ferrite，heat affected zone was finer grain size of the lamellar pearlite.And the impact energy of joint was much larger than requirements 6 J.

rail welding；ultra-narrow gap welding；welding deformation；joint hardness；microstructure

TG457.1

A

1001-2303（2016）08-0043-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.08.10

2016-02-27；

2016-03-22

國家自然科學(xué)基金資助項目（51264026）

龔練（1989—），女，重慶開縣人，在讀博士，主要從事超窄間隙焊接方面的研究工作。