控制贝氏体钢轨闪光焊接头内“白块”组织的工艺方法与流程

本发明属于钢轨焊接技术领域，具体涉及一种控制贝氏体钢轨闪光焊接头内“白块”组织的工艺方法。

背景技术：

贝氏体钢轨为近几十年世界各国的研究热点，因其韧性高、耐磨损及使用寿命长等特性而有望取代传统的珠光体钢轨，广泛应用于铁路道岔部件及重载线路的小半径曲线段。现阶段，钢轨无缝化已成为必然趋势。作为钢轨无缝化环节中的一道重要工序，钢轨焊接质量直接关系到铁路线路服役寿命，甚至行车安全。钢轨服役过程中，受焊接质量及线路实际运营条件复杂性的影响，焊接长轨条的断裂大多发生在焊接接头上，因而焊接接头成为了无缝线路的薄弱环节。

贝氏体钢轨闪光焊接头，其微观组织复杂，焊缝附近存在白色微区和带状组织，白色微区，即俗称的“白块”组织，是焊接半熔区晶界元素富集的结果，其表现白亮的原因是元素富集和组织差异。“白块”实质上是元素富集的晶界高合金区，其为在钢轨焊接高温条件下高合金区晶界熔化或液化，在焊接空冷条件下产生的马氏体组织，因耐金相腐蚀剂的腐蚀而呈现白色状态。带状偏析会影响接头的冲击韧性，且“白块”多在带状组织内产生。闪光焊接头伤损的主要原因是“白块”上极易产生微裂纹，裂纹沿接头带状组织方向扩展，形成轨头核伤，轨头核伤是造成钢轨断裂的主要原因。

以重量百分比计，贝氏体钢轨的化学成分含量一般为：c0.18-0.30％，si0.8-1.8％，mn1.5-2.5％，cr0.50-1.60％，mo0.20-0.50％，余量为fe和杂质。采用热处理技术，基于细晶强化原理生产制造的贝氏体钢轨受焊接热循环作用后，焊缝区域的淬硬层消失并出现一较宽的低硬度区，导致焊缝及热影响区的硬度远低于钢轨母材。而且采用现有的贝氏体钢轨焊接技术，焊接所形成的闪光焊接头的微观组织中“白块”组织的数量多，且尺寸较大，易导致焊接接头裂纹扩展，缩短钢轨的使用寿命。

技术实现要素：

本发明提供了一种控制贝氏体钢轨闪光焊接头内“白块”组织的工艺方法，旨在解决现有贝氏体钢轨焊接技术焊接所形成的闪光焊接头的微观组织中“白块”的数量较多、尺寸较大的问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：控制贝氏体钢轨闪光焊接头内“白块”组织的工艺方法，该方法在采用钢轨闪光对焊设备对贝氏体钢轨焊接过程中，依次对闪平阶段、脉动阶段、加速烧化阶段、顶锻阶段和保压阶段进行如下控制：

控制闪平阶段的焊接热输入量在1.4～2.3mj，持续时间为19～23s；

控制脉动阶段的焊接热输入量在4.0～5.1mj，钢轨消耗量为2.2～3.1mm，持续时间为52～62s；

控制加速烧化阶段的焊接热输入量在0.7mj以下，钢轨消耗量为7.5～8.8mm，持续时间为20～24.5s；

控制顶锻阶段的焊接热输入量在0.1mj以下，顶锻量为14.0～15.5mm，带电顶锻时间为0.3～0.5s，持续时间为7.4～8.1s；

控制保压阶段的保压压力在26.0～28.0t，持续时间为10～14s；

并且，控制焊接热输入总量在7.0～8.5mj，焊接总的持续时间为105～120s。

进一步的是，所述贝氏体钢轨为60kg/m的钢轨。

进一步的是，焊接所述贝氏体钢轨的焊接接头的方法包括移动式闪光焊接和/或固定式闪光焊接。

进一步的是，所述钢轨闪光对焊设备为移动闪光焊机。

本发明的有益效果是：通过该工艺方法在贝氏体钢轨焊接过程中，依次对闪平阶段、脉动阶段、加速烧化阶段、顶锻阶段和保压阶段进行控制，并且对焊接热输入总量和焊接总的持续时间进行控制，可以有效控制贝氏体钢轨闪光焊接头焊缝附近“白块”组织的数量，且在本工艺方法的控制范围内进行控制，可将焊缝附近“白块”组织的数量降到最低，并减小“白块”组织的尺寸，改善其形貌，从而使焊接质量稳定，保证焊接接头的力学性能，以提高贝氏体钢轨焊接接头的服役性能，确保铁路运行的安全性。

附图说明

图1是本发明实施例1中贝氏体钢轨闪光焊接头轨底角处的金相显微图；

图2是较大放大倍数下，本发明实施例1中的贝氏体钢轨焊接接头轨底角处的金相显微图；

图3是本发明实施例2中贝氏体钢轨闪光焊接头轨底角处的金相显微图；

图4是与图2放大相同倍数下，本发明实施例2中的贝氏体钢轨焊接接头轨底角处的金相显微图；

图5是本发明实施例3中贝氏体钢轨闪光焊接头轨底角处的金相显微图；

图6是与图2放大相同倍数下，本发明实施例3中的贝氏体钢轨焊接接头轨底角处的金相显微图；

图7是对比例1中贝氏体钢轨焊接接头轨底角处的金相显微图；

图8是与图2放大相同倍数下，对比例1中贝氏体钢轨焊接接头轨底角处的金相显图；

图9是对比例2中贝氏体钢轨焊接接头轨底角处的金相显微图；

图10是与图2放大相同倍数下，对比例2中贝氏体钢轨焊接接头轨底角处的金相显图；

图中标记为：1-焊缝、2-“白块”组织。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

贝氏体钢轨上一般具有多个焊接接头，焊接所述贝氏体钢轨的焊接接头的方法包括移动式闪光焊接和/或固定式闪光焊接，即可以是所有焊接接头都采用移动式闪光焊接或固定式闪光焊接，也可以是一部分焊接接头采用移动式闪光焊接，另一部分焊接接头采用固定式闪光焊接。本发明中，所述“焊接接头”为经焊接后得到的包含焊缝1和/或热影响区在内的长度为80～120mm范围的区域，该区域的中心为钢轨焊缝。

焊接前，通常需要做如下准备：

1、打磨贝氏体钢轨轨腰部，打磨部位的长度约等于焊接设备中夹持电极的长度，一般不少于400mm。

2、对贝氏体钢轨焊接接头端面进行全断面打磨。

发明人研究发现，“白块”组织是在钢轨焊接过程中产生的，有效控制焊接过程中的热输入总量，是决定焊接接头微观组织中“白块”数量的主要因素，如不能有效控制焊接接头中“白块”组织的数量，会影响线路平顺性，甚至行车安全。

为了弥补现有贝氏体钢轨焊接技术的不足，本发明提供了一种控制贝氏体钢轨闪光焊接头内“白块”组织的工艺方法，该方法在采用钢轨闪光对焊设备对贝氏体钢轨焊接过程中，依次对闪平阶段、脉动阶段、加速烧化阶段、顶锻阶段和保压阶段进行如下控制：

控制闪平阶段的焊接热输入量在1.4～2.3mj，持续时间为19～23s；

控制脉动阶段的焊接热输入量在4.0～5.1mj，钢轨消耗量为2.2～3.1mm，持续时间为52～62s；

控制加速烧化阶段的焊接热输入量在0.7mj以下，钢轨消耗量为7.5～8.8mm，持续时间为20～24.5s；

控制顶锻阶段的焊接热输入量在0.1mj以下，顶锻量为14.0～15.5mm，带电顶锻时间为0.3～0.5s，持续时间为7.4～8.1s；

控制保压阶段的保压压力在26.0～28.0t，持续时间为10～14s；

并且，控制焊接热输入总量在7.0～8.5mj，焊接总的持续时间为105～120s。

其中，采用移动式闪光焊接方法进行焊接过程中，一般选择移动闪光焊机作为钢轨闪光对焊设备。本发明方法优选用于对60kg/m的贝氏体钢轨的闪光焊接头内“白块”组织进行控制。所采用的闪光焊接设备，该设备的焊接过程总共分为11个阶段，其中1阶段为闪平阶段，2、3、4阶段为脉动阶段，5、6、7、8、9阶段为加速烧化阶段，10阶段为顶锻阶段，11阶段为保压阶段。

闪平阶段是通过闪光的液体过梁爆破功能，烧掉钢轨端面上的脏物和局部不平，提高两待焊端面微观相互平行的程度，为后续闪光和加热可以均匀进行创造条件。

脉动阶段，即闪光焊机进行脉动闪光焊接的阶段，脉动闪光焊的基本原理是在焊机动夹头的送进行程上再叠加一个振动，从而使闪光阶段中焊件端面接触与分离交替进行。接触时通电加热，当两端面上的接触点尚在固态时，再以高速度将它拉断，使端面分离，如此反复进行，直到闪光结束。

加速烧化阶段，该阶段的闪光烧化速度不受焊接电流的影响，按既定程序进行逐渐加速。钢轨不断地进行加速前进烧化，不停止或后退，钢轨端面间形成激烈的闪光，产生良好的保护气氛，可减少钢轨端面被控制氧化的影响，为顶锻创造有利条件。

顶锻阶段，顶锻是在闪光结束后，钳口夹持并带动钢轨以合适的速度靠近并封闭两高温端面，对钢轨接头施加合适的顶锻压力，使液态金属及可能产生的缺陷从钢轨端面间隙中挤出，保证接头处产生足够的塑性变形而形成共同晶粒，获得牢固的对接接头。

保压阶段，即为保压推瘤阶段，是用与钢轨横截面外形轮廓相同的刀具沿着钢轨表面纵向推进，切除焊接凸出量的工艺手段。

采用本发明工艺方法进行控制能够有效的减少贝氏体钢轨焊接接头附近“白块”组织2的数量，将焊缝1附近“白块”组织2的数量降到最低，从而避免因焊接区域缺陷而导致的焊接接头裂纹扩展，延长钢轨使用寿命，保证铁路运行安全。

实施例1

通过本发明方法在采用钢轨闪光对焊设备对贝氏体钢轨焊接过程中，依次对闪平阶段、脉动阶段、加速烧化阶段、顶锻阶段和保压阶段进行如下控制：

控制闪平阶段的焊接热输入量为2.2mj，持续时间为22s；

控制脉动阶段的焊接热输入量为4.9mj，钢轨消耗量为2.5mm，持续时间为53.9s；

控制加速烧化阶段的焊接热输入量为0.6mj，钢轨消耗量为8.2mm，持续时间为20.5s；

控制顶锻阶段的焊接热输入量为0.1mj，顶锻量为14.1mm，带电顶锻时间为0.3s，持续时间为8.1s；

控制保压阶段的保压压力为27.5t，持续时间为12.7s；

控制焊接热输入总量为7.8mj，焊接总的持续时间108s。

实施例2

通过本发明方法在采用钢轨闪光对焊设备对贝氏体钢轨焊接过程中，依次对闪平阶段、脉动阶段、加速烧化阶段、顶锻阶段和保压阶段进行如下控制：

控制闪平阶段的焊接热输入量为2.3mj，持续时间为23s；

控制脉动阶段的焊接热输入量为5.1mj，钢轨消耗量为3.0mm，持续时间为57.9s；

控制加速烧化阶段的焊接热输入量为0.7mj，钢轨消耗量为8.5mm，持续时间为20.5s；

控制顶锻阶段的焊接热输入量为0.1mj，顶锻量为15.3mm，带电顶锻时间为0.5s，持续时间为7.8s；

控制保压阶段的保压压力为26.7t，持续时间为11s；

控制焊接热输入总量为8.2mj，焊接总的持续时间120s。

实施例3

通过本发明方法在采用钢轨闪光对焊设备对贝氏体钢轨焊接过程中，依次对闪平阶段、脉动阶段、加速烧化阶段、顶锻阶段和保压阶段进行如下控制：

控制闪平阶段的焊接热输入量为2.3mj，持续时间为22.5s；

控制脉动阶段的焊接热输入量为5.1mj，钢轨消耗量为2.8mm，持续时间为52s；

控制加速烧化阶段的焊接热输入量为0.5mj，钢轨消耗量为7.9mm，持续时间为23.5s；

控制顶锻阶段的焊接热输入量为0.1mj，顶锻量为14.9mm，带电顶锻时间为0.4s，持续时间为8.1s；

控制保压阶段的保压压力为27.5t，持续时间为12.9s；

控制焊接热输入总量为8.0mj，焊接总的持续时间119s。

如图1、图3、图5所示，利用本发明方法控制后，焊缝1周围的“白块”组织2数量极少，且面积小。观察贝氏体钢轨闪光焊接头金相照片，焊缝1是白亮的脱碳层，组织为铁素体和贝氏体组织。在近焊缝区域，存在一些呈现不规则分布的白色微区，即为“白块”组织2。

如图2、图4、图6所示，在较大放大倍数下，该本发明实施例中的贝氏体钢轨焊接接头轨底角处的金相显微图显示，贝氏体钢轨闪光焊接头内“白块”组织2几乎不可见，在贝氏体组织中间，有直径仅约20μm的“白块”组织2出现。

对比例1

在采用钢轨闪光对焊设备对贝氏体钢轨焊接过程中，采用与本发明工艺方法异同的技术手段依次对闪平阶段、脉动阶段、加速烧化阶段、顶锻阶段和保压阶段进行如下控制：

控制闪平阶段的焊接热输入量为2.1mj，持续时间为21.9s；

控制脉动阶段的焊接热输入量为6.6mj，钢轨消耗量为8.0mm，持续时间为72.3s；

控制加速烧化阶段焊接热输入量为0.4mj，钢轨消耗量为10.9mm，持续时间为20.5s；

控制顶锻阶段的焊接热输入量为0.1mj，顶锻量为14.4mm，带电顶锻时间为0.2s，持续时间为7.3s；

控制保压阶段的保压压力为27.0t，持续时间为12.8s；

控制焊接热输入总量为9.2mj，焊接总持续时间为126s。

如图7所示，该图为焊接总热输入量为9.2mj的贝氏体钢轨闪光焊接头的金相照片，同样，中间白色亮带为焊缝1，组织为铁素体和贝氏体组织，热影响区组织多为贝氏体组织。

如图8所示，相同放大倍数下对比例1中的贝氏体钢轨焊接接头轨底角处的金相显微图显示，贝氏体钢轨闪光焊接头单位微观区域内存在较多的“白块”组织2，且“白块”组织2的尺寸较大，形貌不规则，其最大的“白块”组织2长度约有80μm。

对比例2

在采用钢轨闪光对焊设备对贝氏体钢轨焊接过程中，采用与本发明工艺方法异同的技术手段依次对闪平阶段、脉动阶段、加速烧化阶段、顶锻阶段和保压阶段进行如下控制：

控制闪平阶段的焊接热输入量为2.2mj，持续时间为21.8s；

控制脉动阶段的焊接热输入量为3.3mj，钢轨消耗量为1.9mm，持续时间为35.0s；

控制加速烧化阶段焊接热输入量为1.1mj，钢轨消耗量为11.2mm，持续时间为29.5s；

控制顶锻阶段的焊接热输入量为0.0mj，顶锻量为13.4mm，带电顶锻时间为0.2s，持续时间为6.3s；

控制保压阶段的保压压力为29.0t，持续时间为12.9s；

控制焊接热输入总量为6.6mj，焊接总持续时间为99s。

如图9所示，为焊接热输入量为6.6mj的贝氏体钢轨闪光焊接头金相照片，可见，该焊接热输入量条件下，“白块”组织2数量更多，且尺寸较大；

如图10所示，相同放大倍数下对比例2中的贝氏体钢轨焊接接头轨底角处的金相显微图显示，可见“白块”组织2跟贝氏体组织有明显的边界，且较难被腐蚀。

结论：通过对以上各个焊接热输入的金相照片对比分析可知，采用本发明设计控制的焊接热输入范围的贝氏体钢轨闪光焊接头，其组织中“白块”组织2的数量明显减少，且尺寸较小，“白块”是贝氏体钢轨焊接接头中主要的焊接缺陷，减少其数量，对保证贝氏体钢轨闪光焊焊接接头的质量有至关重要的作用。