[发明专利]一种提高钢轨闪光焊接头强度的方法

说明书

本发明提供一种提高钢轨闪光焊接头强度的方法，所述方法包括钢轨闪光焊接加热、顶锻、推凸和打磨的步骤。采用本发明的方法可显著提高钢轨闪光焊接头的强度。

技术领域

本方法涉及铁路钢轨闪光焊接技术领域，具体而言涉及一种提高钢轨闪光焊接头强度的方法。

背景技术

钢轨闪光焊是利用待焊钢轨作为电极，两端接通电压，一般5V至8V，如图1所示，通过不断的接触和闪光，使端部加热和熔化。当端部加热到一定温度和宽度时，进行加压顶锻，这样使得焊接部位凸起，如图2所示。在焊接接头还处于红热状态时，启动推凸刀，如图3所示，使其沿着钢轨纵向，从焊缝右侧向左侧移动，将焊接凸起切除。

相比其他钢轨焊接方法，钢轨闪光焊由于其质量稳定、效率高而成为目前全世界范围内的最主要的焊接方法，因此，钢轨闪光焊在钢轨接头中占据了绝大多数。然而，钢轨闪光焊也存在一些固有的缺陷有待解决。

在通常焊接状态下，钢轨闪光焊所出现的缺陷主要有两种：焊缝灰斑和推凸裂纹。

典型的焊缝灰斑形貌可通过接头的落锤或静弯试验，将接头破断后获得，通过观察断口可清晰看出，如图4所示。由于顶锻挤压，钢轨闪光焊缝很窄，一般只有0.2mm至0.4mm宽。出现灰斑缺陷的概率虽然不高，但由于主要出现在钢轨的轨脚外端(如图4和图5所示)，因此，对钢轨闪光焊接头力学性能的影响很大，有时接头弯曲载荷可大幅度下降，落锤一锤断裂(标准要求3.1米两锤不断)。

目前，关于钢轨闪光焊灰斑的相关研究很多，从灰斑形成机理到调节焊接工艺参数来控制灰斑，极为详细和具体。绝大多数的研究认为灰斑是由于在焊接过程中接触点过梁爆破，形成电弧坑，其底部可以存留缺陷物质，在顶锻过程中滞留在焊缝中造成。而另外一些研究认为灰斑存在多种形态，有的灰斑并不存在缺陷物质。显然这与前者研究相互矛盾。至于最为主要缺陷物质的硅酸盐的来源却很少有研究提及。还有数量不少的研究认为：灰斑是可以通过调整钢轨闪光焊工艺参数的方法来消除的，为了减小焊缝灰斑量，许多焊轨部门进行了大量实验。首先调整焊接工艺参数(如焊接电压、电流、接触时间或速度)，然后焊接钢轨，并用落锤实验的方法来检查断口灰斑，从而实现消除灰斑的目的。而从实际情况看，有些种类的钢轨很难通过调整工艺参数达到消除灰斑的效果。

有关钢轨闪光焊缝灰斑与钢轨母材的化学成分以及夹杂物含量及分布之间的联系目前所看到的报道很少，并且多为定性说明，没有详细的实验数据作为支撑，总体认识停留在钢种对灰斑的影响。

关于推凸裂纹(过热区裂纹)，一些国外行业人士已经注意到了它与闪光焊的推凸(去毛刺)有关，认为由于焊缝强度较低，因此，在推凸过程中焊缝沿表面开裂，形成推凸裂纹。然而，对推凸裂纹的检验发现，推凸裂纹虽然距离焊缝很近，但并不出现在焊缝，而是在距离焊缝很近的过热区。研究发现，仅从落锤或静弯断口在宏观条件下难以判断准确位置，它与焊缝无关。

此外，钢轨闪光焊接头中的另一类缺陷与钢轨母材硫化锰夹杂物有关。钢轨中的硫化锰夹杂物在宏观下无法观察到。将钢轨母材沿纵向切片，并放大观察，如图7所示，这类母材夹杂物的存在很少有研究注意到它与钢轨闪光焊缝及过热区缺陷存在某种联系，原因在于钢轨母材夹杂物的数量很小，并且构成夹杂物的元素的成分极微，宏观检验不超过0.01％，并未有研究将这一夹杂物与焊接顶锻和推凸产生的裂纹缺陷联系在一起。

再次，钢轨闪光焊缝金属由于焊接时高温氧化等原因，合金有一定程度烧损，导致碳和锰等含量下降，强度与母材比较明显降低，在正常情况下只能达到母材强度的90％，再加上焊接可能出现的焊缝缺陷，其强度与母材比较会进一步下降。

现有的关于提高钢轨闪光焊接头力学性能的方法较多，最典型的就是接头正火热处理。钢轨闪光对焊后，其接头局部区域受到高温加热影响，晶粒严重粗化，由此导致金属的韧性和塑性显著下降，通过接头正火热处理，晶粒细化，冲击韧性和延伸率可提高一倍以上。