某核電站行車軌道用U71Mn鋼的 焊接及熱處理工藝研究

郭文龍

(福建省鍋爐壓力容器檢驗研究院漳州分院， 福建 漳州 363000)

0 前言

U71Mn鋼以其高強度、耐疲勞、耐磨損等出色性能，廣泛應用于高速鐵路用鋼軌、起重軌等領域。某核電站行車軌道材料為U71Mn，共有18個接頭，采用焊接連接的方式形成無縫鋼軌，有效避免了沖擊、振動等傳統連接方式造成的問題，提高行車使用壽命及保障了運行過程的安全問題。U71Mn 鋼為高碳中錳鋼，可焊性較差，易出現裂紋。在行車軌道焊接第一次工藝評定中，焊縫出現裂紋，在后續的磁粉檢驗中被檢測出。針對工藝評定結果進行分析，找出原因且對方案進行優化改進，確保了第二次焊接工藝評定取得成功，避免焊接裂紋再次出現。

1 U71 Mn 鋼的特性

根據廠家提供的質量證明書， U71Mn鋼的化學成分、力學性能如表 1 。

表1 U71Mn鋼的化學成分

主要力學性能: σb≥949MPa , σs≥450MPa

依據日本JIS標準碳當量計算公式CE = C+ Mn/6 + Si/24 + Cr/5 + Mo/4 + V/14 +Ni/40，計算出U71Mn鋼的CE=0.92。

一般認為碳當量 CE = 0.4% ～0.6% 時，尤其是CE＞0.5%時，鋼材易淬硬，表明焊接性已變差，焊接時需預熱才能防止裂紋，隨板厚增大預熱溫度要相應提高。而該U71Mn鋼的碳當量CE計算值為0.92，遠高于0.5。另外在焊接過程中, 母材熔化進入熔敷金屬，使焊縫中的含碳量增高，產生高碳馬氏體，易產生冷裂紋；焊接材料中的磷、硫等雜質元素控制不當時，也易產生弧坑熱裂紋。

針對U71Mn 鋼焊接性特點，在工藝評定、現場操作中需采用合理的焊接、熱處理工藝來改善焊接性能，以獲得合格的焊接接頭。

2 第一次焊接工藝評定

2.1 焊接材料

焊材為J70C-1軌道專用焊條，直徑Φ=4.0，其化學成分及力學性能如表2。

焊材焊前需經過烘焙（溫度為250℃以上，1-2小時）。

2.2 焊接組對

接頭形式為I型接頭，組對間隙15～23mm。焊接前采取反變形措施，把軌道墊起一定的高度以保證在焊接完畢后，軌道能保證平直。根據以往核電建設施工經驗，軌道接口處焊接前用銅板作為接頭的墊板墊高約20mm。

表2 J70C-1焊材化學成分

焊前對軌道鋼焊接坡口組對區域約20～30mm內的鐵銹、氧化物清除并打磨至金屬本色，并對坡口進行PT液體滲透檢驗，確認表面無缺陷后進行組對。

2.3 預熱

焊前對軌道焊接接頭進行預熱，預熱采用遠紅外電加熱的方法。加熱器圍繞軌頭，軌腰和軌底，并盡可能貼緊鋼軌。鋼軌上包裹保溫棉，保障預熱均勻；

預熱溫度為 350～400℃，升溫速度≤150℃/h。預熱長度為焊縫中心線兩側各約150～200 mm。采用紅外線測溫儀測量預熱溫度，以靠近軌道焊接接頭區域附近的溫度為準。達到預熱溫度后，開始焊接。

2.4 焊接

焊接中采用直流焊機且反接，焊接參數為：電流160～260A、電弧電壓20～26V、焊接速度60～120mm/min。焊接軌底、軌腰兩側時可用銅板作為側墊。

軌道對接焊縫分三層，如圖 1。

圖1 焊接接頭分層示意圖

第一層焊縫焊接：軌道接頭處底部墊厚 5～8mm的銅板，以保證底部成型良好。兩軌道底部之間的組對間隙為15～20mm，焊接電流170～190A。

第二層焊縫焊接：清除底部填充焊接的焊渣，焊接前在軌道兩側面采用銅板端頭作為側墊，銅板與軌道的間隙為3～5mm，側墊銅板隨著軌道腰部焊接焊縫高度提升而上升。其間隙可在焊接中用直徑φ4.0焊條進行控制，一般情況下，軌道截面小時，間隙取小值；軌道截面大時，間隙取大值，以便焊接中的熔渣流出。焊接時焊條在焊縫中間引弧，并采用回焊法收弧，焊接電流200～260A。

第三層焊縫焊接：采用70C-1焊條進行堆焊，堆焊高度應高于母材約2～3mm，焊接電流200～260A。堆焊層在接頭消應力熱處理冷卻至室溫后，打磨至與軌道光滑過渡。

焊接過程中應隨時檢查接頭的變形情況。焊縫焊接完成后都必須把焊渣清除干凈后才能繼續施焊。接頭應盡可能一次性焊接完，如被迫中斷或是需要更換焊條，此時要采取適當的措施對焊縫進行緩冷；再次啟動焊接，焊縫層間溫度應不低于最低預熱溫度，避免產生裂紋。

接頭焊縫完成后必須清除所有焊渣，并立即修補所有焊接缺陷和其他不平整處。軌道焊接及修補完工以后，反變形的墊板才能全部抽出。

2.5 焊后熱處理

采用遠紅外電加熱的方法進行加熱，恒溫溫度為600～650℃，時間為1小時。熱處理恒溫結束后，采用保溫材料進行保溫，使其緩慢冷卻，降溫速度≤150℃/h。

2.6 驗收標準

2.6.1 表面外觀

焊縫表面力求成形美觀，焊縫邊緣應光滑過渡到母材；軌道表面焊縫應與母材平齊且不得低于母材。

2.6.2 無損檢驗

熱處理完畢24小時之后進行100%磁粉檢驗，焊縫表面不允許有任何裂紋。

2.6.3 控制變形

軌道接頭處高低差應小于1mm，軌道側向不平度小于1mm，且平滑過渡。

2.7 評定結果

磁粉檢驗的結果顯示，在軌道焊縫底部發現了多處裂紋，焊縫打磨至低于母材時仍未能消除，判斷為穿透性裂紋。

3 原因分析

3.1 結構因素的影響

軌道焊縫接頭形式為I字型對接接頭，接頭應力較大，焊接中焊縫不均勻受熱、接頭組織相變引起的應力相互疊加，極易產生裂紋。

3.2 內部組織的影響

相關文獻表明，室溫下軌道U71Mn鋼焊縫組織為高碳馬氏體，具有強度、硬度高，易淬硬的特點，且焊縫中存在顯微裂紋。第一次焊接工藝評定的預熱溫度過低，加之單根軌道長度較長、散熱較快也產生一定程度不利影響；焊后熱處理的時間較短，亦不利于應力釋放、氫的擴散，因而微觀缺陷易擴展形成冷裂紋。后續改進中，應當從這兩個方向著手進行改善。

4 第二次焊接工藝評定

4.1 評定方案改進

針對以上原因分析，在第一次焊接工藝評定方案的基礎上，進行了相應的改進，具體如下：

（1）提高預熱溫度及恒溫時間，從原來的350～400℃、無恒溫時間，改進為預熱至490℃、恒溫0.5～1小時后開始焊接。

（2）增加焊后熱處理的時間，從原來的恒溫1小時，改進為恒溫2小時，然后采用保溫材料進行保溫，使其緩慢冷卻，以利于焊縫中氫的擴散逸出，同時也改善了接頭的應力狀況。

4.2 評定結果

為了檢驗焊接方案改進后的效果，磁粉檢驗選在熱處理完畢120h后進行。結果表明，未發現裂紋，且軌道U71Mn鋼接頭其余力學性能、宏觀金相檢驗亦符合質量技術要求，第二次工藝評定取得成功。

5 結束語

（1） U71Mn為高碳錳鋼，焊接時必須保證溫度的均勻性，不能驟冷驟熱。

（2）軌道用 U71Mn鋼可焊接性較差，需要特別注意對焊接、熱處理工藝參數進行控制。選擇較高的預熱溫度，增加預熱、熱處理時間等措施有利于焊縫中應力釋放、擴散氫的逸出，改善了接頭狀況，防止U71Mn鋼裂紋的產生。

（3）經過改進，優化焊接熱工藝參數，U71Mn鋼焊接質量穩定，各項指標符合核電站相關技術標準。對后續同類軌道鋼材焊接有借鑒作用。

[1]崔忠圻.金屬學與熱處理[M]. 北京:機械工業出版社，2001

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