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        高錳鋼與鋼軌的閃光焊接環(huán)狀缺陷研究

        2015-11-16 06:04:52王振偉姜志昆劉振剛
        金屬加工(熱加工) 2015年12期
        關(guān)鍵詞:焊縫

        王振偉 姜志昆 劉振剛

        1. 概述

        為滿足鐵路高速運(yùn)營(yíng)的需求,實(shí)現(xiàn)夸區(qū)間無(wú)縫線路,高錳鋼與鋼軌的焊接是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)外研究將兩者焊接在一起的方法主要有鋁熱焊、窄間隙電弧焊、焊條電弧焊、加中間介質(zhì)二次閃光焊等,其中加介質(zhì)的閃光焊接效果最好,質(zhì)量穩(wěn)定、焊接效率高,成為了國(guó)內(nèi)廠焊高錳鋼與鋼軌的首選。在理想條件下,高錳鋼閃光焊接后在錳鋼熔合區(qū)會(huì)產(chǎn)生少量的誘發(fā)馬氏體,熱影響區(qū)無(wú)熱裂紋和碳化物析出,但在工廠大規(guī)模實(shí)際生產(chǎn)中,隨著焊接產(chǎn)品數(shù)量的增多,焊縫也暴露出了一些缺陷。由于高錳鋼為鑄造產(chǎn)品,因此高錳鋼焊縫一側(cè)出現(xiàn)的問(wèn)題比鋼軌焊縫一側(cè)要多,主要有由于高錳鋼本身鑄造缺陷導(dǎo)致焊后的缺陷及受到焊接熱影響而導(dǎo)致焊后的缺陷。

        本文通過(guò)工藝試驗(yàn)、宏觀微觀分析等,就高錳鋼一側(cè)焊縫附近出現(xiàn)的環(huán)狀缺陷(此種缺陷表現(xiàn)為:著色探傷后在錳叉與介質(zhì)熔合線附近有一定寬度的紅色斑點(diǎn),出現(xiàn)位置多為軌頭,嚴(yán)重的可能出現(xiàn)在軌腰和軌底)進(jìn)行分析研究,探索缺陷出現(xiàn)的原因、缺陷對(duì)錳叉使用壽命的影響及缺陷的判定原則,減少實(shí)際生產(chǎn)中的報(bào)廢率,節(jié)約成本。

        2. 試驗(yàn)

        (1)試驗(yàn)材料 試驗(yàn)用高錳鋼采用電弧爐熔煉、酯硬化方式鑄造而成,鑄造后還需要經(jīng)過(guò)1 050℃水韌處理;中間介質(zhì)采用低碳Cr-Ni不銹鋼;鋼軌為熱軋狀態(tài),試驗(yàn)材料的成分如附表所示。

        試驗(yàn)材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)

        圖1 跟端試件(有缺陷)

        (2)焊接設(shè)備 采用進(jìn)口設(shè)備Schlatter—GAA100焊機(jī),將高錳鋼、中間介質(zhì)與鋼軌進(jìn)行預(yù)熱閃光焊接。

        (3)試驗(yàn)試樣 本試驗(yàn)將鑄造高錳鋼轍叉趾跟端分別與PD3鋼軌閃光焊接,經(jīng)焊接打磨后進(jìn)行滲透探傷,將探傷后有環(huán)狀缺陷的焊縫(跟端焊縫)和無(wú)環(huán)狀缺陷的焊縫(趾端焊縫)分別鋸切進(jìn)行對(duì)比觀察試驗(yàn),試件長(zhǎng)度200mm,介質(zhì)兩側(cè)各100mm。有環(huán)狀缺陷的跟端焊縫如圖1所示,無(wú)環(huán)狀缺陷的趾端焊縫如圖2所示。試驗(yàn)中又分別將兩個(gè)對(duì)比試件按一定規(guī)則切割為多個(gè)小試樣進(jìn)行分段觀察。

        (4)試樣切割及編號(hào)規(guī)則 試件的編號(hào):跟端試件編號(hào)為1#、趾端試件編號(hào)為2#,每個(gè)試件分別分為軌頭、軌腰、軌底三個(gè)部分。將軌頭、軌底按距離焊縫位置分為多個(gè)部分,其編號(hào)分別為1-1-1~2-3-1,第一個(gè)數(shù)字1表示1號(hào)試件,第二個(gè)數(shù)字1表示軌頭,第三個(gè)數(shù)字1表示第幾個(gè)切片。如編號(hào)1-1-1表示1#(跟端)試件軌頭的第一個(gè)試件。每個(gè)試件切割位置如圖3所示。

        試樣的制備和腐蝕:將兩試樣按切割規(guī)則鋸切后,用磨床將試件打磨,經(jīng)拋光后將試樣腐蝕,然后用OLYMPUS GX51 金相顯微鏡對(duì)接頭組織、晶粒大小、晶界上碳化物析出情況等進(jìn)行觀察分析。

        (5)試樣結(jié)果及分析 跟端試件分析結(jié)果:跟端試件的第一個(gè)切片顯微照片如圖4所示。

        從跟端第一個(gè)切片上看試件整體晶粒大,晶界上分布混晶。切片軌頭下部和軌底的中部位置組織異常,分布著未熔碳化物、過(guò)熱碳化物。表明試件軌頭軌底中心處受熱嚴(yán)重,碳化物析出嚴(yán)重,試件上下部由于風(fēng)冷作用,有較輕分布的碳化物。

        跟端試件其他切片采用相同辦法分析,其分析結(jié)果如下:

        距離熔合線15~20mm1#試件的第二個(gè)切片整體晶粒大,晶界上無(wú)混晶。切片軌頭角部和軌底的中心位置組織異常,分布著未熔碳化物、過(guò)熱碳化物,與第一個(gè)切片類似,表明試件軌頭、軌底中部受熱嚴(yán)重,試件其他位置由于強(qiáng)制風(fēng)冷作用,因此碳化物析出較中部少很多。

        圖2 趾端試件(無(wú)缺陷)

        圖3 趾跟端試件切片示意

        圖4 跟端試件第一個(gè)切片各位置顯微照片

        分析距離焊縫3 0m m處1#試件的第三個(gè)切片整體晶粒大,晶界上無(wú)混晶。切片軌頭中部存在疏松缺陷,軌底的中心位置組織異常,分布局部過(guò)熱碳化物。金相組織雖表明切片中心處受熱較重,碳化物析出較重,但與第一個(gè)、第二個(gè)切片相比,碳化物析出減輕,析出面積明顯減小。

        分析距離焊縫50 mm以外的第四、第五切片整體晶粒度大,無(wú)混晶。試件整體無(wú)明顯碳化物析出,表明高錳鋼母體在距離焊縫50mm以外的位置受焊接熱影響很小,組織不會(huì)發(fā)生明顯變化。

        趾端試件的分析結(jié)果:趾端試件第一個(gè)切片顯微照片如圖5所示。

        趾端距離焊縫5mm處的第一個(gè)切片顯示:試件整體晶粒小、均勻,局部位置存在少量混晶,碳化物析出情況較跟端試件輕的多,切片中心位置局部稍重,碳化物析出呈斷續(xù)。

        趾端試件其他切片采用相同辦法分析,其分析結(jié)果如下:

        趾端距離焊縫15mm處的第二個(gè)切片顯示:試件整體晶粒小,晶粒較均勻,無(wú)混晶。試件碳化物整體析出較輕,析出寬度明顯比跟端小,個(gè)別晶粒析出偏多,呈斷續(xù)分布。

        趾端距離焊縫30mm處的第三個(gè)切片顯示:試件晶粒小,無(wú)混晶。切片上部碳化物析出輕,將試樣放大至500倍時(shí)個(gè)別晶粒發(fā)現(xiàn)有呈斷續(xù)分布碳化物析出。

        趾端距離焊縫40mm以外的4#、5#、6#切片顯示:試件晶粒小、均勻,無(wú)混晶,無(wú)明顯碳化物析出,表明此位置已經(jīng)不受焊接熱影響。

        趾端、跟端試樣結(jié)果對(duì)比分析:由于通過(guò)著色檢測(cè)跟端出現(xiàn)沿軌頭分布的環(huán)狀缺陷,而趾端無(wú)缺陷顯示,對(duì)比兩者的晶粒度大小、晶粒形態(tài)及受焊接熱影響碳化物析出程度,分析得出以下判斷。

        第一,由于鑄造工藝影響,跟端晶粒尺寸大,趾端晶粒度尺寸小。

        第二,在高錳鋼一側(cè)焊縫近縫區(qū)存在混晶現(xiàn)象,局部位置有柱狀晶。

        第三,在實(shí)際生產(chǎn)中,由于受到各種因素的影響,高錳鋼閃光焊接時(shí)可能在局部位置出現(xiàn)碳化物析出。相對(duì)于一個(gè)鋼軌形狀斷面而言,中心位置碳化物析出比邊緣嚴(yán)重,這是因?yàn)楦咤i鋼焊后中心位置冷卻速度最慢,碳化物析出時(shí)間較長(zhǎng)。

        第四,環(huán)狀缺陷顯示與碳化物析出有關(guān),當(dāng)析出量少,著色探傷無(wú)缺陷顯示;當(dāng)析出量嚴(yán)重并呈現(xiàn)一定寬度時(shí),著色探傷表現(xiàn)為沿?cái)嗝娣植嫉沫h(huán)狀缺陷。

        第五,高錳鋼焊接后,每個(gè)晶粒上碳化物的析出程度與晶粒大小有關(guān)。

        (6)環(huán)狀缺陷對(duì)高錳叉轍叉運(yùn)行壽命的影響 為驗(yàn)證當(dāng)高錳鋼焊縫一側(cè)有少量碳化物析出時(shí)對(duì)錳叉使用壽命的影響,選取了一個(gè)具有環(huán)狀缺陷的高錳鋼焊接轍叉進(jìn)行實(shí)物疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)為:試驗(yàn)載荷62.5k N/312.5kN、支距0.8m、頻率4Hz、載荷比0.2、試驗(yàn)周期200萬(wàn)次。疲勞試驗(yàn)結(jié)果為:200萬(wàn)疲勞加載后不斷,未發(fā)現(xiàn)裂紋。此疲勞試驗(yàn)說(shuō)明,環(huán)狀缺陷與錳叉的運(yùn)行壽命無(wú)因果關(guān)系。

        (7)環(huán)狀缺陷的建議判定原則 由于實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀缺陷的問(wèn)題,若一味的對(duì)出現(xiàn)缺陷的錳叉判廢勢(shì)必造成成本的極大浪費(fèi),同時(shí)影響正常的生產(chǎn)秩序,因此應(yīng)根據(jù)環(huán)狀缺陷的嚴(yán)重程度進(jìn)行驗(yàn)收判定。建議:進(jìn)行滲透探傷時(shí),當(dāng)環(huán)狀缺陷顯示為彼此連接的炸裂狀時(shí),焊縫判廢;當(dāng)滲透顯示出輕微的缺陷顯示,且組成缺陷的各點(diǎn)有一定間距時(shí),焊縫可讓步接收。

        圖5 趾端試件第一個(gè)切片各位置顯微照片

        3. 結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)對(duì)高錳鋼與鋼軌環(huán)狀缺陷的詳細(xì)研究,對(duì)今后相關(guān)產(chǎn)品的焊接施工提供了一定的參考價(jià)值。

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