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75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法及焊接件
申请号	CN202110943937.2	申请日	2021-08-17	公开(公告)号	CN113618193B	公开(公告)日	2023-06-30
申请人	攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司;			发明人	王若愚; 李大东; 陆鑫; 白威;
摘要	本发明公开了一种75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，包含以下步骤：步骤一，第一阶段加热，其中，氧气流量为95～105SLM，乙炔流量为105～115SLM，加热时间为250～300s；步骤二，第二阶段加热，其中，氧气流量为85～90SLM，乙炔流量为90～95SLM，加热时间为80～100s，待钢轨的待焊部位的表面温度为1250～1320℃时关闭燃气以停止加热；步骤三，执行顶锻焊接；步骤四，执行推瘤并保压；步骤五，喷风冷却；以及步骤六，热处理。该方法解决解决现有重载铁路上共析钢轨与新上道过共析钢轨的焊接困难问题。本发明同时公开了一种使用该方法焊接的焊接件。
权利要求	1.一种75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，其特征在于，包含以下步骤：步骤一，使用氧‑乙炔火焰对所述钢轨的待焊部位进行第一阶段加热，其中，所述第一阶段加热的氧气流量为95～105SLM，乙炔流量为105～115SLM，加热时间为250～300s，气压焊接装置的加热器以5～10mm的幅度摆动；步骤二，使用氧‑乙炔火焰对所述钢轨的待焊部位进行第二阶段加热，其中，所述第二阶段加热的氧气流量为85～90SLM，乙炔流量为90～95SLM，加热时间为80～100s，待所述钢轨的所述待焊部位的表面温度为1250～1320℃时关闭燃气以停止加热，气压焊接装置的加热器以5～10mm的幅度摆动；步骤三，执行顶锻焊接；步骤四，执行推瘤并保压；步骤五，对所述钢轨的焊接接头进行喷风冷却；以及步骤六，对所述钢轨的焊接接头进行热处理。 2.根据权利要求1所述的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，其特征在于，所述步骤一中还包含，加热时对所述钢轨的所述待焊部位施加初始压力8～9T。 3.根据权利要求1所述的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，其特征在于，所述顶锻焊接的顶锻时间为1～3s，顶锻量为30mm～33mm。 4.根据权利要求1所述的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，其特征在于，所述保压包含对所述钢轨的焊接接头持续20～30s施加压力30～35T。 5.根据权利要求1所述的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，其特征在于，所述喷风冷却后，所述焊接接头的终冷温度低于450℃。 6.根据权利要求5所述的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，其特征在于，所述喷风冷却的喷风压力为0.3MPa。 7.根据权利要求1所述的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，其特征在于，所述步骤六包含将所述钢轨的焊接接头重新加热并进行正火。 8.根据权利要求1所述的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，其特征在于，所述方法还包含在焊接前执行端铣及打磨、拉轨、对轨的步骤。 9.一种75kg/m过共析钢轨与共析钢轨焊接件，其特征在于，所述75kg/m过共析钢轨与共析钢轨焊接件通过权利要求1‑8中任一项所述的焊接方法进行焊接。
说明书全文	75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法及焊接件技术领域 [0001] 本发明属于焊接技术领域，特别涉及到一种75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，以及使用该方法焊接的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨焊接件。背景技术 [0002] 响应于重载铁路大轴重、高密度运输模式的发展趋势，踏面硬度达到420HB以上的钢轨在重载线路市场前景广阔。现有全珠光体类钢轨唯有采用合金化+控轧+控冷等特殊生产工艺，踏面硬度最高仅能达到430HB左右。因此，国内外重载线路重点关注于过共析钢轨。过共析钢轨由于碳含量增加，金相组织为珠光体+少量二次渗碳体，提高了钢轨的耐磨性能。国内外的重载铁路均通过焊接技术将钢厂生产的75m或100m定尺钢轨连接形成无缝线路，提高线路平顺性，降低轮轨冲击，延长轮轨使用寿命。对于强度等级与材质均不相同的过共析钢轨与共析钢轨，母材性能及化学成分的差异给其焊接带来了巨大困难。 [0003] 因此，铁路工程领域亟需一种过共析钢轨与共析钢轨焊接方法，能以较小的代价，高效优质完成过共析钢轨与共析钢轨的焊接。发明内容 [0004] 本发明公开一种75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，解决解决现有重载铁路上共析钢轨与新上道过共析钢轨的焊接困难问题。本发明同时公开了一种使用该方法焊接的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨焊接件。 [0005] 依据本发明，提供一种75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，包含以下步骤： [0006] 步骤一，使用氧‑乙炔火焰对钢轨的待焊部位进行第一阶段加热，其中，第一阶段加热的氧气流量为95～105SLM，乙炔流量为105～115SLM，加热时间为250～300s； [0007] 步骤二，使用氧‑乙炔火焰对钢轨的待焊部位进行第二阶段加热，其中，第二阶段加热的氧气流量为85～90SLM，乙炔流量为90～95SLM，加热时间为80～100s，待钢轨的待焊部位的表面温度为1250～1320℃时关闭燃气以停止加热； [0008] 步骤三，执行顶锻焊接； [0009] 步骤四，执行推瘤并保压； [0010] 步骤五，执行喷风冷却；以及步骤六，对钢轨的焊接接头进行热处理。 [0011] 依据本发明的一个实施例，步骤一中还包含，加热时对钢轨的待焊部位施加初始压力8～9T。 [0012] 依据本发明的一个实施例，气压焊接装置的加热器以5～10mm的幅度摆动。 [0013] 依据本发明的一个实施例，顶锻焊接的顶锻时间为1～3s，顶锻量为30mm～33mm。 [0014] 依据本发明的一个实施例，保压包含对钢轨的焊接接头持续20～30s施加压力30～35T。 [0015] 依据本发明的一个实施例，喷风冷却后，所述焊接接头的终冷温度低于450℃。 [0016] 依据本发明的一个实施例，喷风冷却的喷风压力为0.3MPa。 [0017] 依据本发明的一个实施例，步骤六包含将钢轨的焊接接头重新加热并进行正火。 [0018] 依据本发明的一个实施例，方法还包含在焊接前执行端铣及打磨、拉轨、对轨的步骤。 [0019] 依据本发明，提供一种75kg/m过共析钢轨与共析钢轨焊接件通过上述焊接方法进行焊接。 [0020] 由于采用以上技术方案，本发明与现有技术相比具有如下优点： [0021] 1.采用本发明的技术方案，可以用气压焊成功完成75kg/m过共析钢轨与共析钢轨的连接，钢轨接头的内部缺陷少，焊接质量稳定，能顺利通过静弯、疲劳及落锤检验； [0022] 2.焊接分两个阶段加热，既能提高焊接生产率，又能使钢轨待焊部位表面温度及内部温度分布更均匀，有利于提高焊接质量； [0023] 3.加热时加热器采用较大摆幅，使焊缝左右温度场分布均匀，达到组织均匀转变，有利于提高焊接质量。附图说明 [0024] 图1为依据本发明的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法的流程图； [0025] 图2为GPW‑1200全自动数控大型气压焊轨机的示意图； [0026] 图3为依据本发明的射吸式对开加热器的截面图。 [0027] 图中， [0028] 1动端，2推凸装置，3加热器，31本体，32腔体，33燃气进口，34进水口，35出水口，36火孔，4静端，5顶锻油缸，6水气阀块，7钳夹，8操作盒。具体实施方式 [0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。 [0030] 图1示出了依据本发明的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法，其采用气压焊接方法。气压焊是钢轨焊接的主要方法之一，其原理是通过对钢轨待焊面进行加热加压的一种固态焊接方法。气压焊设备包括小型气压焊和大型移动式气压焊。传统小型数控气压焊曾在无缝铁路的建设中发挥了一定的作用，但是由于其自身设备的限制，需要几个工人熟练配合才能完成焊接任务，质量不容易得到控制，生产率不高，并且工人的劳动强度也很大，焊接质量容易受到人为因素的影响，如顶锻时间往往凭工人的个人经验判断钢轨温度，使其应用范围受到限制。由于小型气压焊已不再适应当今铁路快速建设的需要，因此在小型气压焊的基础上，我国自主研发的YHGQ‑1200气压焊轨车，该焊轨车配置GPW‑1200型焊机，其结构如图2所示，机头采用四导轴钳夹式设计，总体包含动端1、推瘤装置2、加热器3、静端4、顶锻油缸5、水气阀块6、钳夹7和操作盒8。该焊机为液压驱动，通过控制系统可实现待焊轨的工作边自动对齐、自动夹紧、保压等一系列功能。焊接前输入各焊接参数(加热器摆动幅度、加热时间、气体流量等)，焊接过程中不需操作人员干预，全过程通过PLC编程实现自动控制，且焊接过程曲线自动记录。本发明优选采用如上的GPW‑1200型焊机，应当领会的是，本领域技术人员也可依据实际工况使用其他类似类型的压力焊机执行本发明的方法。 [0031] 气压焊接过程中钢轨不发生熔化，因此焊缝没有脱碳层，这是气压焊优于闪光焊的地方；气压焊接头是锻造组织，这是气压焊优于铝热焊之处。从理论上讲，气压焊接头强度不低于闪光焊、优于铝热焊。过共析钢轨采用气压焊，钢轨内部成分偏析对焊接质量无明显影响，能够宽泛地调节工艺参数范围，适用性强，可以代替铝热焊在线上锁定焊发挥作用。 [0032] 气压焊的加热器外形、火孔大小和火孔分布能够显著影响钢轨接头温度场的分布情况，进一步会影响接头的质量。本发明采用射吸式对开加热器3，见附图3所示。该射吸式对开加热器3总体包含本体31，由本体31限定并用于容纳钢轨9的腔体323，连接至本体31上端两侧的燃气进口33，以及同样分别连接至本体31上端两侧的进水口34、出水口35。加热时，加热器使用燃气通过分布于本体31内壁上的多个火孔36朝向位于腔体32内的钢轨9喷射火焰。由于钢轨形状复杂，气压焊时加热温度高，因此，加热器除了需要具有良好的保持氧与可燃气体混合的性能以保证稳定的燃烧外，还要求各部位火孔分布、大小、数量要随钢轨形状和截面尺寸的变化而变化，且火孔直径大小应适度，数量足，使焊接火焰分布合理，使钢轨受热均匀，保证钢轨各部分加热迅速而均匀。 [0033] 依据本发明的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法可适用于目前使用的共析钢轨和新上道过共析钢轨焊接在一起。具体地，共析钢的金相组织为珠光体，其化学成分及各成分的重量百分比为：0.72～0.82％的C，0.5～0.80％的Si，0.7～1.05％的Mn，0.001～0.70％的Cr，0.08～0.12％的V，0.001～0.004％的Al，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中杂质元素的成分及其重量百分比包含但不限于：P≤0.025％，S≤0.025％；过共析钢轨的金相组织为珠光体+少量二次渗碳体，其化学成分及各成分的重量百分比为：0.90～1.20％的C，0.10～0.80％的Si，0.40～1.30％的Mn，0.001～0.70％的Cr，0.001～0.12％的V，0.001～0.004％的Al，其余为Fe和不可避免的杂质元素，其中杂质元素的成分及其重量百分比包含但不限于：P≤0.020％，S≤0.025％。 [0034] 为保证气压焊质量，需在钢轨气压焊之前执行打磨除锈及端铣步骤。在本发明的示例中，焊前可采用专用端铣机对钢轨进行铣削加工，并将焊口附近30mm～40mm的铁锈及氧化物打磨干净，直到露出金属光泽。处理后钢轨端面斜度偏差≤0.1mm，合缝后间隙≤0.2mm，端铣完成后对钢轨端部边缘处的毛刺用锉刀进行处理，处理后的焊接端面立即进行焊接。避免处理后受到油污等二次污染，将钢轨进行吊装夹持，焊接前对钢轨端部断面用四氯化碳进行清洗。处理后钢轨进行对中，钢轨气压焊接采用恒位移控制工艺，保证钢轨焊接后的平顺性及焊接质量，钢轨在加热过程中预先施加初始保压压力，同时通过焊机控制系统保证钢轨焊接过程中顶锻前纵向位移保持不变，顶锻前钢轨焊接接头的热应力变化随温度的变化自由变化。 [0035] 端面处理合格后，点火焊接前，要重新检查管路及设备的状态性能，操作人员行走时，注意不要踩踏各种胶带管路，以防加热器放炮回火。采用“爆鸣点火”，也就是无烟点火。点火位置要离开焊缝附近，以免污染焊缝。供气3～4s后，用点火器点燃加热器。点燃时会发出爆鸣，但无烟灰。待上述准备完成后，即可执行以下步骤： [0036] 步骤一，使用氧‑乙炔火焰对钢轨的待焊部位进行第一阶段加热，其中，第一阶段加热的氧气流量为95～105SLM，乙炔流量为105～115SLM，加热时间为250～300s。优选地，加热时初始压力可设定为8～9T(吨)。 [0037] 钢轨气压焊的加热通过燃料气体的燃烧释放热量，对钢轨焊接的端面一定范围进行加热。焊接加热分两个阶段，第一阶段火焰能率稍大，可以提高焊接生产率，第二阶段火焰能率稍小，起保温及均热作用，使钢轨待焊端面温度分布更均匀，同时避免轨腰产生过烧缺陷。进一步优选地，气压焊接装置的加热器以5～10mm的幅度摆动。采用较大摆幅，使焊缝左右温度场分布均匀，达到组织均匀转变，有利于提高焊接质量。 [0038] 步骤二，使用氧‑乙炔火焰对钢轨的待焊部位进行第二阶段加热，其中，第二阶段加热的氧气流量为85～90SLM，乙炔流量为90～95SLM，加热时间为80～100s，待钢轨的待焊部位的表面温度为1250～1320℃时关闭燃气以停止加热。 [0039] 步骤三，执行顶锻焊接。其中，顶锻量优选为30mm～33mm，顶锻时间优选为1～3s。 [0040] 步骤四，执行推瘤并保压。其中，保压过程可包含对钢轨的焊接接头持续20～30s施加压力30～35T。 [0041] 步骤五，对钢轨的焊接接头进行喷风冷却。推瘤完成后，为提高生产率，立即对接头进行喷风冷却，喷风压力0.3MPa。喷风冷却后，焊接接头的终冷温度低于450℃[0042] 步骤六，热处理，焊接接头喷风冷却到450℃以下，待钢轨焊接接头全部转变成珠光体组织后，才能对钢轨重新加热进行正火处理，以免造成正火后接头晶粒粗大。钢轨焊后正火处理的目的是对焊接接头焊缝区和热影响区的组织进行晶粒度控制，将焊缝区表面组织已经转变完成的钢轨进行重新奥氏体化，采用压缩空气风冷强制冷却处理，待钢轨表面强制冷却到一定的温度后松开钢轨焊接接头两端的夹持。 [0043] 钢轨正火后可进行打磨，打磨面为钢轨轨头踏面及钢轨侧面，打磨轮廓应尽量保持原钢轨轨头廓形，轨腰以下部位焊瘤必须全部打磨干净，其余部分焊瘤与母材圆弧过度。 [0044] 以下为依据本发明的75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接方法的具体实施例。 [0045] 实施例1 [0046] 本实施例中，为保证气压焊质量，焊前采用专用端铣机对钢轨进行铣削加工，并将焊口附近40mm的铁锈及氧化物打磨干净，直到露出金属光泽。处理后钢轨端面斜度偏差0.1mm，合缝后间隙0.15mm，端铣完成后对钢轨端部边缘处的毛刺用锉刀进行处理，处理后的焊接端面立即进行焊接。避免处理后受到油污等二次污染，将钢轨进行吊装夹持，焊接前对钢轨端部断面用四氯化碳进行清洗。端面处理合格后，采用“爆鸣点火”，点火位置离开焊缝40mm，以免污染焊缝。供气3s后，用点火器点燃压力焊接装置的加热器。 [0047] 使用氧‑乙炔火焰加热钢轨的待焊部位，并依照以下参数依次执行第一阶段加热、第二阶段加热、顶锻焊接、推瘤和保压步骤。各步骤采用以下焊接参数： [0048] [0049] [0050] 待喷风冷却完成，气压焊接头冷却到430℃，停止喷风，重新加热进行正火。钢轨正火后进行打磨，打磨表面为钢轨轨头踏面及钢轨侧面，打磨轮廓应尽量保持原钢轨轨头廓形，轨腰以下部位焊瘤必须全部打磨干净，其余部分焊瘤与母材圆弧过度。 [0051] 实施例2 [0052] 本实施例中，执行与实施例1相同的焊前端铣及打磨除锈步骤。 [0053] 采用“爆鸣点火”，点火位置离开焊缝40mm，以免污染焊缝。供气4s后，用点火器点燃压力焊接装置的加热器。 [0054] 使用氧‑乙炔火焰加热钢轨的待焊部位，并依照以下参数依次执行第一阶段加热、第二阶段加热、顶锻焊接、推瘤和保压步骤。各步骤采用以下焊接参数： [0055] [0056] [0057] 待喷风冷却完成，气压焊接头冷却到440℃，停止喷风，重新加热进行正火。钢轨正火后进行打磨，打磨表面为钢轨轨头踏面及钢轨侧面，打磨轮廓应尽量保持原钢轨轨头廓形，轨腰以下部位焊瘤必须全部打磨干净，其余部分焊瘤与母材圆弧过度。 [0058] 实施例3 [0059] 本实施例中，执行与实施例1相同的焊前端铣及打磨除锈步骤。 [0060] 采用“爆鸣点火”，点火位置离开焊缝40mm，以免污染焊缝。供气3s后，用点火器点燃压力焊接装置的加热器。 [0061] 使用氧‑乙炔火焰加热钢轨的待焊部位，并依照以下参数依次执行第一阶段加热、第二阶段加热、顶锻焊接、推瘤和保压步骤。各步骤采用以下焊接参数： [0062] [0063] 待喷风冷却完成，气压焊接头冷却到445℃，停止喷风，重新加热进行正火。钢轨正火后进行打磨，打磨表面为钢轨轨头踏面及钢轨侧面，打磨轮廓应尽量保持原钢轨轨头廓形，轨腰以下部位焊瘤必须全部打磨干净，其余部分焊瘤与母材圆弧过度。 [0064] 实施例4 [0065] 本实施例中，执行与实施例1相同的焊前端铣及打磨除锈步骤。 [0066] 采用“爆鸣点火”，点火位置离开焊缝40mm，以免污染焊缝。供气3s后，用点火器点燃气压焊装置的加热器。 [0067] 使用氧‑乙炔火焰加热钢轨的待焊部位，并依照以下参数依次执行第一阶段加热、第二阶段加热、顶锻焊接、推瘤并保压和喷风冷却步骤。各步骤采用以下焊接参数： [0068] [0069] 待喷风冷却完成，气压焊接头冷却到449℃，停止喷风，重新加热进行正火。钢轨正火后进行打磨，打磨表面为钢轨轨头踏面及钢轨侧面，打磨轮廓应尽量保持原钢轨轨头廓形，轨腰以下部位焊瘤必须全部打磨干净，其余部分焊瘤与母材圆弧过度。 [0070] 实施例1‑4得到的钢轨焊接质量稳定，能顺利通过静弯、疲劳及落锤检验，肉眼检查断口未见明显缺陷。实施例1‑3气压焊接头的静弯、疲劳试验的结果见表1、表2。实施例1‑4气压焊接头落锤试验结果见表3。 [0071] 表1过共析钢轨与共析钢轨气压焊接头静弯结果 [0072] [0073] 注：静弯试验参考TB/T1632.4‑2014标准，75kg/m轨，轨头受压试验力≥1850kN不断，合格。试验中试验力加大30％，达到2405kN不断。 [0074] 表2过共析钢轨与共析钢轨气压焊接头疲劳试验结果 [0075] [0076] 对比例1 [0077] 本对比例中，执行与实施例1相同的焊前端铣及打磨除锈步骤。 [0078] 使用氧‑乙炔火焰加热钢轨的待焊部位，并依照以下参数依次执行第一阶段加热、第二阶段加热、顶锻焊接、推瘤和保压步骤。各步骤采用以下焊接参数： [0079] [0080] [0081] 待喷风冷却完成，重新加热进行正火。钢轨正火后进行打磨，打磨表面为钢轨轨头踏面及钢轨侧面，打磨轮廓应尽量保持原钢轨轨头廓形，轨腰以下部位焊瘤必须全部打磨干净，其余部分焊瘤与母材圆弧过度。 [0082] 对比例2 [0083] 本对比例中，执行与实施例1相同的焊前端铣及打磨除锈步骤。 [0084] 使用氧‑乙炔火焰加热钢轨的待焊部位，并依照以下参数依次执行第一阶段加热、第二阶段加热、顶锻焊接、推瘤和保压步骤。各步骤采用以下焊接参数： [0085] [0086] [0087] 待喷风冷却完成，重新加热进行正火。钢轨正火后进行打磨，打磨表面为钢轨轨头踏面及钢轨侧面，打磨轮廓应尽量保持原钢轨轨头廓形，轨腰以下部位焊瘤必须全部打磨干净，其余部分焊瘤与母材圆弧过度。 [0088] 相比于实施例1‑4而言，对比例1整个加热过程中火焰能量率较小；对比例2虽然焊接时间合适，但因火焰能率较小，热输入仍然不够。分别对使用实施例1‑4与对比例1‑2的方法焊接的钢轨进行以下测试：钢轨接头温度≤40℃，对接头进行探伤，探伤合格后，对接头进行落锤和断口检验。落锤试验锤重1000kg，落锤高度3.8米，2锤不断合格，利用落锤试验后的试件，轨底开口补加锤击击断，肉眼检查断口是否存在缺陷。75kg/m过共析钢轨与共析钢轨气压焊接头落锤试验结果和断口检查情况如下表所示： [0089] 表3过共析钢轨与共析钢轨气压焊接头落锤试验结果和断口检查情况[0090] [0091] 结果显示，对比例1、2落锤不合格，对比例1第二锤断，落锤不合格，原因是焊接总时间为330s，且焊接热输入较小，加热温度不够，接头有未焊合缺陷。对比例2第二锤断，落锤不合格，原因是虽然焊接时间合适，但因火焰能率较小，热输入仍然不够，接头有未焊合缺陷。由此可见，采用本申请限定的焊接参数对75kg/m过共析钢轨执行气压焊接能够获得性能良好的焊接接头。 [0092] 以上实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。