包钢U71Mn高速轨“硬规范”焊接工艺研究
张永成
【摘?要】包钢U71Mn高速轨（U71MnG）在高速铁路和城市轨道建设中得到广泛的应用，但由于包钢U71Mn高速轨为高碳中锰钢，和其它类型钢种如包钢U71Mn普通轨、鞍钢U71Mn高速轨、包钢U71Mn、攀钢U71Mn、攀钢U75V、鞍钢U75V、武钢U75V等相比，其焊接性在各焊轨厂以及焊轨施工单位被普遍认为较差，目前各焊轨行业多采用“软规范”的传统焊接工艺，但型检试验很难顺利通过，焊接稳定性不良，鉴于以上现状，在传统“软规范”焊接工艺基础上基于UN5-150ZB系列焊机进行包钢U71Mn高速轨焊接工艺研究，并在K922系列焊机上推广应用，形成了一套适宜于包钢U71Mn高速轨的焊接工艺。
【关键词】包钢U71Mn高速轨;焊接工艺;高低高工艺;型检试验，硬规范;软规范
【Abstract】U71Mn high-speed rail （U71MnG） is widely used in high-speed railway and urban rail construction at Baotou Iron and Steel Co.， Ltd. However， its weldability has been popularized in various rail factories and rail construction units because U71Mn high-speed rail at Baotou Iron and Steel Co.， Ltd. is high carbon Medium-Manganese steel， compared with other types of steel such as U71Mn ordinary rail at Baotou Iron and Steel Co.， U71Mn at Angang， U71Mn at Baotou Steel Co.， U75V at Pangang， U75V at Angang and U75V at WISCO. It is generally believed that the traditional welding technology of "soft specification" is commonly used in rail industry at present， but the type inspection test is difficult to pass smoothly and the welding stability is poor. In view of the above field， based on the traditional "soft specification" welding technology， the U71Mn high-speed rail welding technology of Baotou Iron and Steel Company is studied on the basis of UN5-150ZB series welding machine， and is popularized and applied in K922 series welding machine， thus a set of suitable welding technology is formed. Welding technology of U71Mn high speed rail at Baotou Iron and Steel Co.
【Key words】U71Mn High Speed Rail at Baotou Steel;Welding technology;High and Low Technology;Type test;Hard specification;Soft specification
1. 包钢U71Mn高速轨可焊性分析
（1）包钢U71Mn高速轨的平均含碳量为0.71%，除了C元素之外其它元素有Si、Mn、P、S、V和Al等，这些元素均不同程度的影响着包钢U71Mn高速轨的焊接性能，而钢轨的可焊性一般由“碳当量”来衡量，即将钢中各种化学元素对共晶点实际碳量的影响折算成碳的增减，这样算出的含碳量称为“碳当量”，用CE表示，“碳当量”的计算公式为：
CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15
（2）铁道标准TB/T 3276-2011及TB/T 2344-2012中钢轨化学成分如下表1所示。
从表1中C、Mn元素的含量可以看出U71MnG为高碳中锰钢，其“碳当量”计算为：
CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15
=（0.65～0.75）+（0.70～1.20）/6+0.03/5
（3）计算可得U71Mn高速軌的“碳当量”范围约为0.77%～0.96%。
（4）一般当“碳当量”计算值大于0.4%～0.5%时，焊接性能较差，“碳当量”计算值越大焊接性能越差，包钢U71Mn高速轨“碳当量”计算值约为0.77%～0.96%，其焊接性能很差，而包钢U71Mn高速轨中碳含量、锰含量都较高，使得该钢轨在焊接后接头淬硬倾向增大，在焊接接头强度、硬度上升的同时韧性、塑性有了相应的下降。
（5）由上述“碳当量”及化学元素的分析可知，包钢U71Mn高速轨“碳当量”较大，且由于包钢U71Mn高速轨中硅、锰等元素含量的较高，其焊接性能较差，如图1常见各型钢轨及可接性对比分析示意图所示。
2 包钢U71Mn高速轨的焊接工艺试验
2.1?“高低高”软规范工艺的焊接试验。
试验前期采用已被广泛使用的“高低高”软规范工艺，即在预热闪平、稳定烧化、加速三个阶段分别采用高电压、低电压、高电压的参数设置模式，并配以长时间、小电流、大顶锻量等参数，其特点是闪光速度慢、焊缝端面聚集热量大、焊接时间长、焊接热影响区较宽。初期“高低高”软规范焊接工艺参数设置如表2所示：
从参数设置表可以看出电压参数设置为：405V、395V、360V、312V、320V、325V、380V、400V;呈“高低高”模式设置，电压设置整体偏低，8个阶段的平均电压为：
平均电压：（405+395+360+312+320+325+380+400）/8=362V;
同理：
平均电流一：（200+285+......+300+400）/8=254A;
平均电流二：（300+375+......+400+500）/8=330A;
平均电流三：（400+485+......+500+600）/8=412A;
平均前进速度：（0.9+1.3+......+0.8+1.2）/8=1.11mm/s;
平均后退速度：（0.8+0.65+......+0.3+0.1）/8=0.55mm/s;
由上述计算可知“高低高”软规范的主要参数配置平均值，如表3所示。
“高低高”软规范焊接曲线如图2、图3所示。
由焊接曲线图（图2和图3）可以看出：焊接电流曲线稀疏不均匀，并多处出现短路和断路现象，焊接时间长达165秒，在该“高低高”软规范基础工艺上通过不断的微动调整，累计焊接试验头90根，落锤断口均出现大面积灰斑和发黑发暗组织缺陷，落锤试验很不理想，工艺稳定性较差，“高低高”软规范工艺落锤断口图片如图4所示。
由以上“高低高”软规范工艺落锤断口图片可以看出：该工艺规范落锤断口大概率出现了大面积灰斑和发黑的组织缺陷，这种缺陷产生的原因概括有：焊缝高温塑性层的流态金属中锰元素和硅元素在焊接过程中由于参数匹配的不合理导致焊缝聚集热量过大，并且焊接过程中频繁出现短路和断路现象，空气中的氧气趁虚而入，锰元素和硅元素被氧化生成氧化锰、氧化硅，这些氧化物是不导电的，所以不能进行过梁反应，而周围流态金属中的锰元素和硅元素会被这些氧化物吸附，若闪光爆破中不能将这些氧化物及时闪出，在顶锻时就会在融合端面上形成大面积灰斑和发黑的组织缺陷。
2.2?“高低高”硬规范工艺的焊接试验。
2.2.1?“高低高”硬规范工艺参数的设计。
（1）通过以上“高低高”软规范的落锤断口缺陷的综合分析，我们认为U71Mn高速轨在焊接过程中，不能给太多的热量、焊接时间不易太长、顶锻量不易太大，因为局部长时间出现短路，端面温度急剧提升，易出现这种大面积灰斑和发黑组织缺陷，所以在工艺参数调整中，转变了原来的参数调整思路，使用“高低高”硬规范工艺，在对高电压、低电压、加速高电压三个阶段的70个焊接参数进行了合理的匹配调试，并优化了正火、打磨等后续处理工艺，仅在试验用轨25根的情况下顺利通过了包钢U71Mn高速轨的型检试验，该套“高低高”硬规范焊接工艺在兰新铁路甘青段的现场焊接中焊接稳定性好，焊接接头探伤合格率高，并如期通过了全部生产检验，进一步验证了“高低高”硬规范焊接工艺的稳定性和可借鉴性。
（2）试验前期在“高低高”软规范工艺参数基础上进行了修改，以减少焊缝聚集热量为目的对70个参数重新修改，即在预热闪平、稳定烧化、加速三个阶段分别采用高电压、低电压、高电压的参数设置模式，并配以短时间、大电流、小顶锻量等参数，形成了一套“高低高”硬规范工艺参数，其特点是闪光速度快、焊缝端面聚集热量小、焊接时间短、焊接热影响区较窄。
从参数设置表可以看出修正后的电压参数设置为：410V、400V、370V、340V、345V、350V、403V、404V;呈“高低高”模式设置，电压设置整体偏高，8个阶段的平均电压为：
平均电压：（410+400+370+340+345+350+403+404）/8=378V
同理：
平均电流一：（200+285+......+400+500）/8=297A
平均电流二：（300+375+......+500+600）/8=376A
平均电流三：（400+485+......+600+700）/8=457A
平均前进速度：（0.9+1.3+......+0.9+1.25）/8=1.29mm/s
平均后退速度：（0.8+0.65+......+0.3+0.1）/8=0.55mm/s
参数设置如表4所示（UN5-150ZB焊轨机“高低高”硬规范工艺焊接参数设置表见表4）。
由上述计算可知“高低高”硬规范的主要参数配置平均值如表5所示。
“高低高”軟规范主要参数平均值和“高低高”硬规范主要参数平均值的比较如表6所示（ “软规范”和“硬规范”焊接工艺参数平均值比较表见表6）。
（3）由表6可以看出，“高低高”硬规范参数设置平均值在电压、电流、前进速度上均比“高低高”软规范参数高，而顶端量和焊接时间大大减小，尤其是焊接时间比软规范减小65秒，大大提高了焊接效率。
“高低高”硬规范参数设置中，将低压一、低压二、低压三的焊接电压从“高低高”软规范的“312、320、325”升高到“340、345、350”;平均升高约26伏，同时焊接平均电流从“高低高”软规范的“254、330、412”升高到“297、376、457”;平均升高约45安，并且提高了送进速度，这样的参数设置增大了闪光激烈度，大大减小了焊缝端面的聚集热量。
（4）“高低高”硬规范参数设置中加速一阶段、加速二阶段的电流设置从“300、400、500”-“400、500、600”升高至“400、500、600”-“500、600、700”;电流设置增加100安。
并且提高了电压和送进速度，使得加速阶段有了良好的闪光保护，避免了外界空气进入焊缝而形成氧化物，使得焊接接头落锤断口大面积灰斑和发黑发暗组织缺陷得到彻底的消除。如表7“软规范”和“硬规范”焊接工艺参数变化统计。
“高低高”硬规范焊接曲线如图5、图6所示。
（5）由焊接曲线图可以看出：焊接电流曲线密度均匀，未出现短路和断路现象，焊接时间约100秒，该“高低高”硬规范工艺累计焊接试验头15根，落锤断口未出现大面积灰斑和发黑发暗组织缺陷，落锤试验结果15根均达到2锤不断的规定，工艺稳定性很好，“高低高”硬规范工艺型检落锤结果如表8所示。落锤断口如图7所示（ “硬规范”工艺落锤结果见表8）。
2.1.2?“高低高”硬规范焊接工艺在K922系列焊机中的推广应用。
通过“高低高”硬规范工艺参数在UN5-150ZB焊轨机的成熟应用，综合分析后该套工艺在K922型焊轨机的包钢U71Mn高速轨的型检试验和现场焊接中得以借鉴和推广应用，仅在试验用轨32根的情况下顺利通过了包钢U71Mn高速轨的型检试验，该套“高低高”硬规范焊接工艺在K922型焊轨机的焊接中焊接稳定性很好，焊接接头合格率高，进一步验证了“高低高”硬规范焊接工艺的在不同类型焊轨机上的可借鉴性。如图8、图9中K922系列焊机包钢U71Mn高速轨“硬规范”焊接工艺曲线图、图10中K922系列焊机包钢U71Mn高速轨“硬规范”焊接接头断口图所示。
3 ?结束语
（1）文中对比分析了包钢U71Mn高速轨传统“软规范”和“硬规范”焊接工艺，通过焊接工艺参数设计数据的对比阐述了“硬规范”焊接工艺的可行性及焊接稳定性，该套“硬规范”焊接工艺在K922系列焊机中得到成功推广应用，提出了包钢U71Mn高速轨宜适用“硬规范”焊接工艺。
（2）包鋼U71Mn高速轨主要应用在高铁、客运专线、城际铁路线路，随着高铁、客运专线和城际铁路施工的不断增多，包钢U71Mn高速轨的“高低高”硬规范焊接工艺的应用具有显著的社会经济效益，具有广阔的推广和应用前景。
参考文献
[1]?卢庆华，钢轨焊接技术及质量控制[J].焊接技术：2010，39（1）：66～68.
[2]?张建新，钢轨接触焊灰斑的生成机理及控制[J]. 铁道建筑，2005年第2期：39～40.
[3]?TB/T1632.2-2014《第二部分闪光焊接》.
[4]?TB/T2344-2012《钢轨订货技术条件》.
[5]?TB/T3276-2011《高速铁路用钢轨》.
[文章编号]1619-2737（2019）02-18-103
