高碳合金鋼軌道焊接技術(shù)研究

王興華

中國核工業(yè)第五建設(shè)有限公司 上海 201512

1 序言

某核電一期工程去污熱檢修車間廠房內(nèi)設(shè)計有兩種型號的行車運行軌道，軌道作為行車運行的載體，其安裝質(zhì)量對行車的運行有著重要的影響。保證行車軌道安裝的質(zhì)量是對軌道的使用壽命和行車安全運行的重要保障。行車軌道通常選用高碳合金鋼材質(zhì)，其接頭的連接一般采用鉚接等機械連接方式。某核電一期工程去污檢修車間的軌道設(shè)計方根據(jù)運行條件，接頭連接采用焊接的方式，軌道選用碳含量較高的軌道專用鋼。軌道作為行車運行的載體，需要保證焊接完成后軌道的平整度滿足要求，避免因焊接變形造成行車運行平穩(wěn)性受到影響。高碳合金鋼由于含碳量較高，其焊接性相對較差。因此，軌道焊接時如何保證軌道焊接接頭的致密性及焊接變形量是軌道焊接的難點，需要通過采取一系列的措施來確保軌道接頭的焊接質(zhì)量和焊接變形，以保證軌道的最終安裝精度質(zhì)量。

2 軌道情況

去污熱檢修車間廠房的行車類型分別為32T和100T。其中32T行車的兩條軌道設(shè)計選用的是QU70軌道鋼，軌道的總重量為3.6t，軌道總長度為34.55m，每條軌道由4段不等長的軌道連接而成（見圖1）；100T行車的兩條軌道設(shè)計選用的是A120軌道，軌道的總重量為15t，軌道總長度為76.68m，每條軌道由7段不等長的軌道連接而成。通常采用焊接連接的行車軌道，一般對焊縫表面進行磁粉檢測，確保無表面缺陷。去污熱檢修車間廠房軌道焊接完成后需對焊接接頭進行100%的磁粉和超聲波檢測，確保焊接接頭質(zhì)量。

圖1 行車軌道

3 焊接分析

（1）鋼軌材料的焊接性 碳對冷裂紋的敏感性最顯著，把鋼材中合金元素的含量按相當于若干碳含量折算并疊加起來，作為評價鋼材冷裂紋傾向的指標，碳當量的數(shù)值越大，被焊鋼材的淬硬傾向越大，焊接越容易產(chǎn)生裂紋[1]。本文采用碳當量法對軌道焊接性進行分析，兩種軌道的化學成分見表1。

表1 軌道化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

根據(jù)國際焊接學會推薦的用于評定鋼材焊接性的碳當量公式，計算這種材料的碳當量：

由計算結(jié)果可知，QU70和A120兩種軌道的碳當量遠大于0.6%，其焊接接頭極易產(chǎn)生冷裂紋，焊接性很差。同時由于軌道接頭截面極不規(guī)則，其焊接內(nèi)應(yīng)力遠大于鋼板對接接頭焊縫的應(yīng)力。因此，高碳合金鋼軌道焊接時必須采取預(yù)熱及消應(yīng)力的措施，才能保證焊接接頭的致密性，避免出現(xiàn)焊接裂紋。

（2）焊接變形 軌道焊接通常不開坡口焊接，即I形坡口焊接，如圖2所示。由于軌道接頭厚度不均勻變化的特點，焊接過程中熱傳導(dǎo)的均勻性和焊接變形特點與鋼板對接焊縫有所區(qū)別。焊接變形是由于溫度的不均勻變化導(dǎo)致不同的熱脹冷縮產(chǎn)生的變形。軌道焊接時焊接熔池處于液態(tài)，與熔池緊鄰的金屬也會加熱到很高的溫度，焊接完成后會冷卻下來，由于各點處溫度不同，冷卻速度也不同，在熱脹冷縮的影響下，會使軌道產(chǎn)生變形[2]。根據(jù)軌道的接頭形式特點，首先產(chǎn)生的主要焊接變形為角變形，其次為扭曲變形。針對軌道焊接變形的特點，采取反變形、設(shè)置變形控制工裝、制定焊接順序等針對性的變形控制措施確保軌道焊接變形得到合理控制[3]。

圖2 軌道接頭示意

（3）焊縫熔合特點 軌道不開坡口焊接，軌道截面尺寸大，焊接時熔池鐵液的流動作用及潤濕性特點，焊縫母材處易出現(xiàn)未熔合。軌道截面尺寸的變化，在焊接時易造成軌道腹部和軌道頭部焊縫兩側(cè)成形不良，出現(xiàn)塌陷和凹坑等缺陷。針對此特點，在軌道焊接時采取層道間清理、合理的層道焊接順序、焊接方向控制等措施解決了焊縫未熔合、夾渣和成形不良的問題。

4 焊接工藝

4.1 焊接方法及焊材

軌道位于車間廠房的上部，焊接操作空間較為狹小。通過對軌道焊接的特點和環(huán)境條件分析，采用焊條電弧焊進行焊接。根據(jù)軌道的接頭特點及設(shè)計方的要求，軌道焊接用材料按底部、腹部、頭部三個部位（見圖3）的不同要求選用焊材。軌道的底部、腹部及頭部的下部區(qū)域采用規(guī)格為?3.2mm的E8018-B2焊條；軌道頭部的上部區(qū)域≥10mm厚度范圍內(nèi)采用規(guī)格為?3.2mm的EDPMn4-15耐磨焊條。

圖3 軌道焊接接頭截面

4.2 組對及防變形工裝設(shè)置

在軌道下方設(shè)置一塊保溫棉，然后在軌道與保溫棉之間設(shè)置一銅襯墊，銅襯墊與軌道底部緊密貼合，軌道組對的間隙控制在18~20mm內(nèi)。為控制軌道產(chǎn)生向上的角變形，預(yù)設(shè)一定反變形，使軌道的焊縫部位設(shè)置距平面10mm的反變形量，并在焊縫兩側(cè)位置設(shè)置門形工裝對焊接變形進行約束。在龍門卡與軌道之間卡上鐵楔，同時使用軌道的壓板將軌道整體固定牢固，如圖4~圖6所示。

圖4 軌道組對

圖5 軌道組對效果

圖6 軌道壓板

4.3 焊前預(yù)熱

結(jié)合上述軌道焊接性的分析，焊前需對軌道進行預(yù)熱，確保整個焊接過程中保持最低的預(yù)熱溫度要求，避免出現(xiàn)裂紋。預(yù)熱時采用火焰加熱的方 法，對軌道底部、腹部和頭部進行預(yù)熱，以兩段軌道接頭處為中心，兩側(cè)最少150mm的范圍內(nèi)均勻預(yù)熱，預(yù)熱溫度≥350℃。在整個焊接過程中保持不低于此預(yù)熱溫度，且預(yù)熱范圍內(nèi)各處的溫度應(yīng)相對均勻。

4.4 焊接工藝

（1）軌道底部焊接 軌道底部焊接時，采用E8018-B2焊條，具體焊接參數(shù)見表2。焊接時，應(yīng)特別注意及時進行層間清理，每焊完一道后，迅速清除焊渣，避免出現(xiàn)夾渣缺陷，在焊接邊緣焊道時，焊條需側(cè)傾，確保母材的熔合。焊接過程中用紅外線測溫儀監(jiān)測層間溫度，確保層間溫度為350～400℃。

（2）軌道腹部焊接 軌道腹部采用E8018-B2焊條焊接，焊接時沿著軌道輪廓焊接。焊接過程中，焊條擺動要均勻，避免焊道垮塌。每焊完一道后，迅速清除焊渣，并用紅外線測溫儀監(jiān)測層間溫度。軌道腹部的焊接參數(shù)見表3。

（3）軌道頭部焊接 焊接軌道頭部焊縫時，先用E8018-B2焊條進行焊接，焊接要求同腹部焊接。在焊道所在位置距離軌道頭部的上表面約10mm時，改用EDPMn4-15焊條焊接。軌道頭部的焊接參數(shù)見表4。

（4）焊接順序 為控制焊接變形和避免出現(xiàn)未熔合、夾渣和裂紋等缺陷，需要合理的布置焊接層道和焊接順序。軌道焊接時，以軌道的中心部位為起點，向兩側(cè)焊接，具體焊接方向和層道焊接按①→②→③→④→⑤→⑥先后順序，如圖7所示，每層焊接完成后，及時清理焊渣。

軌道焊接時，不僅要保證單個軌道焊縫焊接完成后焊接變形得到控制，還需保證整根軌道焊接完成后，其整體變形量在合理的范圍內(nèi)。32T軌道焊接時，先焊接A1和A2軌道，再焊接B1和B2軌道，最后焊接A2和B2軌道，焊接順序為1→2→3，如圖8所示。

圖7 焊接方向及順序

表2 軌道底部焊接參數(shù)

表3 軌道腹部焊接參數(shù)

表4 軌道頭部焊接參數(shù)

（5）焊后處理 焊接完成后，為避免出現(xiàn)裂紋，立即采用火焰對焊縫加熱進行后熱處理，加熱寬度以焊縫為中心兩側(cè)各150mm的范圍內(nèi)。將焊縫加熱至600～650℃時，停止加熱，采用保溫棉將整條焊縫進行包裹，包裹區(qū)域以焊縫為中心，兩側(cè)各≥300mm予以保溫緩冷。

當軌道完全冷卻至室溫后，拆除工裝、保溫棉及銅襯墊，沿軌道截面輪廓對軌道接頭進行打磨處理使軌道接頭平整光滑。

（6）無損檢測 焊后熱處理完成后，為了檢測焊縫是否有冷裂紋等缺陷，將軌道在無拘束狀態(tài)下放置48h后對焊縫進行磁粉及超聲波檢測。某核電一期工程去污熱檢修車間廠房內(nèi)32T和100T軌道焊后進行磁粉和超聲波檢測，全部合格，完全滿足標準要求。

圖8 軌道整體焊接順序

5 結(jié)束語

高碳合金鋼軌道由于其含碳量高，接頭形狀復(fù)雜，因此其焊接難度極大。通過對高碳合金鋼軌道焊接性和焊接特點進行分析研究，針對焊接接頭易出現(xiàn)裂紋、夾渣缺陷及變形控制難度大的特點，通過合理的焊接工藝和變形控制措施，某核電一期工程去污熱檢修車間廠房內(nèi)32T和100T軌道焊接完成后進行磁粉和超聲波檢測完全合格，焊接變形控制滿足了設(shè)計要求。表明了本文所述焊接工藝及變形控制措施的可行性和可操作性，為同類軌道的焊接提供了借鑒和參考。