一种钢轨的焊接方法与流程

1.本发明属于铁路钢轨焊接技术领域，尤其涉及耐内部损伤性珠光体钢轨或高强韧性珠光体钢轨的焊接方法。


背景技术：

2.从60年代开始，为了提高运输经济效益与线路运输能力，逐步将货车轴重从19t提高到25t、30t、32t，对36t轴重车辆的试验亦在进行之中。随着货车平均轴重的逐年增加，轨道状态的恶化与部件伤损问题日益突出。目前，重载线路采用了焊接无缝钢轨，能够有效提高线路的稳定性。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。
3.受熔化过程及高温影响，钢轨焊接过热区奥氏体晶粒粗化，导致该区域的硬度明显低于母材。软化的钢轨焊接接头在服役过程中，易优先在踏面部位形成“鞍型”磨耗，增加了轮轨冲击，影响钢轨使用寿命，并且受钢轨焊接接头的材料微结构分布不均匀和残余应力的影响，易导致裂纹容易在缺陷或高应力处萌生，威胁列车的运行安全性。
4.高强韧性珠光体钢轨采用热处理技术，基于细晶强化原理生产制造的高强韧性珠光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低于钢轨母材。
5.耐内部损伤性珠光体钢轨采用热处理技术，基于细晶强化原理生产制造的耐内部损伤性珠光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低于钢轨母材。
6.综上所述，铁路工程领域亟需一种耐内部损伤性珠光体钢轨或高强韧性珠光体钢轨的焊接工艺方法，以提高该类钢轨焊接接头的服役性能，并保证铁路运行安全。


技术实现要素：

7.基于此，为了弥补现有钢轨焊接技术的不足，提供一种耐内部损伤性珠光体钢轨或高强韧性珠光体钢轨的焊接方法，该方法能够有效缓减焊接接头微观组织中异常缺陷的产生，从而保证铁路运行安全。
8.为了实现上述目的，采用以下技术方案：
9.本发明提供一种钢轨的焊接方法，所述方法包括：
10.步骤一、选用闪光焊机和钢轨；
11.步骤二、利用闪光焊机的夹钳将待焊钢轨固定；
12.步骤三、利用闪光焊机进行闪光焊接工艺来焊接钢轨；
13.步骤四、焊接完成后的钢轨形成焊缝；
14.其中，所述闪光焊接工艺的参数控制范围为：预热循环次数为8～13、顶锻力为480
～540kn、预热压力设定为100～165kn、预热相位控制参数为430
‰
～530
‰
。
15.进一步地，所述钢轨选自耐内部损伤性珠光体钢轨或高强韧性珠光体钢轨。
16.进一步地，所述耐内部损伤性珠光体钢轨包括以下组分：c:0.70wt％-0.88wt％、si:0.60wt％-0.80wt％、mn:0.65wt％-1.00wt％、cr:0.20wt％-0.50wt％以及微量组分；所述微量组分包括v:0.02wt％-0.10wt％、ti：0.001wt％-0.030wt％、nb：0.005wt％-0.08wt％。。
17.进一步地，所述高强韧性珠光体钢轨包括以下组分：c:0.70wt％-0.87wt％、si:0.45wt％-0.81wt％、mn:0.60wt％-1.00wt％、cr:0.10wt％-0.40wt％以及微量组分；所述微量组分包括v:0.02wt％-0.10wt％、ti：0.001wt％-0.030wt％、nb：0.005wt％-0.08wt％。
18.进一步地，焊接耐内部损伤性珠光体钢轨时，闪光焊接工艺的参数控制范围为：预热循环次数为8～13、顶锻力为480～540kn、预热压力设定为100～150kn、预热相位控制参数为430
‰
～490
‰
。
19.进一步地，焊接高强韧性珠光体钢轨时，闪光焊接工艺的参数控制范围为：闪光焊接工艺参数控制范围为：预热循环次数为8～13、顶锻力为480～540kn、预热压力设定为120～165kn、预热相位控制参数为480
‰
～530
‰
。
20.进一步地，焊缝的显微组织为先共析铁素体(5wt％-10wt％)+珠光体(85wt％-95wt％)+马氏体(＜2wt％)，抗拉强度为980mpa-1400mpa。
21.进一步地，所述焊缝所处的焊接接头在空冷至室温后进行显微组织观察。
22.进一步地，所述焊接方法适用于68kg/m钢种。
23.进一步地，所述闪光焊接工艺选自移动式闪光焊接和固定式闪光焊接中的至少一种。
24.本发明具有以下有益技术效果：
25.本发明的焊接方法包括通过利用焊接的方式将耐内部损伤性珠光体钢轨或高强韧性珠光体钢轨焊接在一起，在焊接过程中，在本发明控制的焊接工艺参数范围内描述接头微观组织。焊接参数工艺控制范围主要围绕预热循环次数、顶锻力、预热压力、预热相位控制参数等。
26.本发明的焊接方法能够有效缓减焊接接头微观组织中异常缺陷的产生，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。
27.将耐内部损伤性珠光体钢轨或高强韧性珠光体钢轨中碳含量较高，在焊接过程中较难实现钢轨母材优良力学性能的继承，本发明旨在给出一种钢轨的焊接工艺方法，保证焊接接头对于耐内部损伤性钢轨或高强韧性珠光体钢轨母材力学性能的继承。
28.通过有效控制焊接过程中的热输入，是决定焊接接头微观组织中缺陷产生的主要因素，如不能有效控制焊接接头中缺陷的产生，会影响线路平顺性，甚至行车安全。通过焊接热入量可以有效缓减焊接接头微观组织中异常缺陷的产生，且在本发明中所述的焊接热输入范围内，可以有效缓减焊缝微观组织中缺陷的产生，从而保证焊接接头的力学性能。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
30.图1为本发明的实施例1的钢轨焊接接头的金相显微镜图；
31.图2为本发明的实施例2的钢轨焊接接头的金相显微镜图；
32.图3为本发明的对比例1的钢轨焊接接头的金相显微镜图；
33.图4为本发明的实施例3的钢轨焊接接头的金相显微镜图；
34.图5为本发明的实施例4的钢轨焊接接头的金相显微镜图；
35.图6为本发明的对比例2的钢轨焊接接头的金相显微镜图。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。
37.本发明中，所述“焊接接头”为经焊接后得到的包含焊缝和/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。本发明中，所述金相实验中的金相试样，指该“焊接接头”上的相关位置的接头金相试样。本发明中，所述“室温”为5-40℃范围的温度。
38.本发明的实施例的钢轨的焊接方法，该方法包括：
39.步骤一、选用闪光焊机和钢轨；
40.步骤二、利用闪光焊机的夹钳将待焊钢轨固定；
41.步骤三、利用闪光焊机进行闪光焊接工艺来焊接钢轨；所述闪光焊机的控制参数包括预热循环次数、顶锻力、预热压力以及预热相位控制参数；
42.步骤四、焊接完成后的钢轨形成焊缝；
43.其中，所述闪光焊接工艺的参数控制范围为：预热循环次数为8～13、顶锻力为480～540kn、预热压力设定为100～165kn、预热相位控制参数为430
‰
～530
‰
。
44.钢轨选自耐内部损伤性珠光体钢轨或高强韧性珠光体钢轨。
45.耐内部损伤性珠光体钢轨包括以下组分：c:0.70wt％-0.88wt％、si:0.60wt％-0.80wt％、mn:0.65wt％-1.00wt％、cr:0.20wt％-0.50wt％以及微量组分；所述微量组分包括v:0.02wt％-0.10wt％、ti：0.001wt％-0.030wt％、nb：0.005wt％-0.08wt％。
46.高强韧性珠光体钢轨包括以下组分：c:0.70wt％-0.87wt％、si:0.45wt％-0.81wt％、mn:0.60wt％-1.00wt％、cr:0.10wt％-0.40wt％以及微量组分；所述微量组分包括v:0.02wt％-0.10wt％、ti：0.001wt％-0.030wt％、nb：0.005wt％-0.08wt％。
47.焊接耐内部损伤性珠光体钢轨时，闪光焊接工艺的参数控制范围为：预热循环次数为8～13、顶锻力为480～540kn、预热压力设定为100～150kn、预热相位控制参数为430
‰
～490
‰
。
48.焊接高强韧性珠光体钢轨时，闪光焊接工艺的参数控制范围为：闪光焊接工艺参数控制范围为：预热循环次数为8～13、顶锻力为480～540kn、预热压力设定为120～165kn、预热相位控制参数为480
‰
～530
‰
。
49.焊缝的显微组织为先共析铁素体(5wt％-10wt％)+珠光体(85wt％-95wt％)+马氏体(＜2wt％)，抗拉强度为980mpa-1400mpa。
50.焊缝所处的焊接接头在空冷至室温后进行显微组织观察。
51.焊接方法适用于68kg/m钢种。
52.闪光焊接工艺选自移动式闪光焊接和固定式闪光焊接中的至少一种。
53.本发明的实施例提供的耐内部损伤性珠光体钢轨或高强韧性珠光体钢轨的焊接工艺方法，该方法包括通过利用焊接的方式将高强韧性珠光体钢轨焊接在一起，在焊接过程中，在本发明控制的焊接工艺参数范围内描述各接头微观组织。焊接参数工艺控制范围主要围绕预热循环次数、顶锻力、预热压力、预热相位控制参数等。
54.采用本发明所述的焊接工艺参数，能够有效缓减焊接接头微观组织中异常缺陷的产生，延长钢轨使用寿命，保证铁路运行安全。
55.本发明的实施例和对比例使用的钢轨焊接接头的金相显示方法，具体为：
56.1.制备金相试样
57.将被测金属制成块状或圆柱状试样，大小适宜手握，以方便在砂纸上磨削及机械抛光。
58.2.粗磨-细磨
59.将上述试样在金相砂纸上磨光，其所采用的砂纸粒度排号顺序如下：200#
→
400#
→
600#
→
800#
→
1000#。
60.根据高强韧性珠光体钢轨钢和耐内部损伤性珠光体钢轨具有高强度的特点，在200#砂纸上磨光时需稍用力，研磨时间需按具体情况适时增加，以去除表面油污杂质、露出金属色光泽为准。
61.3.机械抛光
62.将经过粗磨-细磨的试样置于抛光机上，进行抛光，机械抛光时间控制在1min-2min。
63.抛光布及抛光膏的选择：选择精抛绒的抛光布，抛光布的绒毛长且柔软。
64.选用0.5μm的金刚石抛光膏，以减少抛光表面的划痕。
65.由于高强韧性珠光体钢轨钢和耐内部损伤性珠光体钢轨的硬度较大，在抛光前需用硝酸酒精对其进行腐蚀，在抛光过程中，用清水冲洗试样表面。
66.抛光需稍用力，并以拿稳试样轻轻接触抛光布表面为宜。
67.抛光除去了试样磨面上留下的磨痕得到光洁、平整的表面即可停止抛光。
68.制作完成后的钢轨焊接接头金相试样在金相显微镜下观察微观组织形貌。
69.关于耐内部损伤性珠光体钢轨的焊接工艺方法：
70.焊前准备
71.打磨耐内部损伤性珠光体钢轨轨腰部位约至少400mm(焊接设备中夹持电极的长度)的距离。
72.耐内部损伤性珠光体钢轨焊接接头端面需要进行全断面打磨。
73.根据本发明中设计的焊接工艺参数，焊接耐内部损伤性珠光体钢轨的焊接方法包括以下几个方面：
74.实施例1
75.运用固定式闪光焊机焊接耐内部损伤性珠光体钢轨(下述焊接工艺均采用68kg/m耐内部损伤性珠光体钢轨)，部分焊接工艺参数如下：
76.将耐内部损伤性珠光体钢轨锯切成长度为700～900mm的钢轨条，打磨待焊接头端部和轨头踏面相关位置。根据本发明的焊接工艺参数，调节闪光焊机各阶段焊接工艺参数，主要控制预热压力设定等参数的变化范围。本实施例采用的是gaas80/580固定式闪光焊机。该发明控制预热循环次数为12，顶锻力为480kn，预热压力设定为108kn，预热相位控制参数为470
‰
，后进行耐内部损伤性珠光体钢轨闪光焊实验。
77.将本实例得到的耐内部损伤性珠光体钢轨闪光焊接头经锯切、线切割、粗磨、细磨、机械抛光等相关步骤，制成金相试样，在金相显微镜下观察。由图1可见，焊缝附近组织均匀。
78.实施例2
79.运用固定式闪光焊机焊接耐内部损伤性珠光体钢轨(下述焊接工艺均采用68kg/m耐内部损伤性珠光体钢轨)。
80.本实施例采用的是gaas80/580固定式闪光焊机。该发明控制预热循环次数为12，顶锻力为516kn，预热压力设定为140kn，预热相位控制参数为490
‰
，后进行耐内部损伤性珠光体钢轨闪光焊实验。由图2可见，焊缝附近组织均匀。
81.对比例1
82.本对比例采用的是gaas80/580固定式闪光焊机。控制预热循环次数为12，顶锻力为516kn，预热压力设定为160kn，预热相位控制参数为420
‰
，后进行耐内部损伤性珠光体钢轨闪光焊实验。
83.观察本对比例得到的焊接接头金相试样，如图3所示，焊缝附近组织不均匀。
84.关于高强韧性珠光体钢轨的焊接工艺方法：
85.焊前准备
86.打磨高强韧性珠光体钢轨轨腰部位约至少400mm(焊接设备中夹持电极的长度)的距离。
87.高强韧性珠光体钢轨焊接接头端面需要进行全断面打磨。
88.根据本发明中设计的焊接工艺参数，焊接高强韧性珠光体钢轨的焊接方法包括以下几个方面：
89.实施例3
90.运用固定式闪光焊机焊接高强韧性珠光体钢轨(下述焊接工艺均采用68kg/m高强韧性珠光体钢轨)，部分焊接工艺参数如下：
91.将高强韧性珠光体钢轨锯切成长度为700～900mm的钢轨条，打磨待焊接头端部和轨头踏面相关位置。根据本发明的焊接工艺参数，调节闪光焊机各阶段焊接工艺参数，主要控制预热压力设定等参数的变化范围。本实施例采用的是gaas80/580固定式闪光焊机。该发明控制预热循环次数为12，顶锻力为480kn，预热压力设定为125kn，预热相位控制参数为490
‰
，后进行高强韧性珠光体钢轨闪光焊实验。
92.将本实例得到的高强韧性珠光体钢轨闪光焊接头经锯切、线切割、粗磨、细磨、机械抛光等相关步骤，制成金相试样，在金相显微镜下观察。由图4可见，焊缝附近组织均匀。
93.实施例4
94.运用固定式闪光焊机焊接高强韧性珠光体钢轨(下述焊接工艺均采用68kg/m高强韧性珠光体钢轨)。
95.本实施例采用的是gaas80/580固定式闪光焊机。该发明控制预热循环次数为12，顶锻力为516kn，预热压力设定为140kn，预热相位控制参数为490
‰
，后进行高强韧性珠光体钢轨闪光焊实验。由图5可见，焊缝附近组织均匀。
96.对比例2
97.本对比例采用的是gaas80/580固定式闪光焊机。该发明控制预热循环次数为11，顶锻力为480kn，预热压力设定为170kn，预热相位控制参数为490
‰
，后进行高强韧性珠光体钢轨闪光焊实验。观察本对比例得到的焊接接头金相试样，如图6所示，焊缝附近组织不均匀。
98.以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。
99.所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。