焊接接头焊后热处理工艺优化

焊接接头焊后热处理工艺优化

魏营 孙昭藩

中国铁路济南局集团有限公司济南工务机械段，山东济南 250022

摘 要 为了提高钢轨焊接接头探伤合格率，改善焊接接头内部质量，分析焊后热处理设备和热处理工艺对焊接接头晶粒度和焊接质量的影响。结合晶粒度检验和硬度检验，分析发现晶粒粗大是导致焊后热处理质量问题的重要因素，焊后热处理工艺的调整可以优化焊接接头的晶粒度。工艺优化后的焊接接头满足了铁道行业标准TB/T 1632.2-2014《钢轨焊接 第2部分：闪光焊接》中对晶粒度和硬度的要求。

关键词：钢轨焊接；焊缝探伤；焊后热处理设备；晶粒度；硬度

引言

当前，高速铁路事业迅速发展，焊接接头稳定的内部质量是保证高速铁路运输质量安全、稳定的前提^[1]，焊接接头探伤结果是判断内部质量的重要指标，而晶粒度粗大易导致探伤检验出现异常波形^[2]，合理的焊后热处理工艺是保障焊接内在质量的关键^[3]，因此对焊接接头热处理工艺提出了更高要求。

探伤异常焊接接头分析

焊接生产中发现少量焊缝轨底角出现异常波形，波形为双尖峰形貌^[4]，伤波特征明显，深度约10mm~15mm，距离边缘约20mm~30mm，波幅20%~60%。对异常波位置取样金相分析，如图1.1所示，探伤异常波形接头组织基本为珠光体和铁素体^[5]，三角区晶粒度明显过大，经评判轨底角晶粒度8级、三角区晶粒度级别5级，焊后热处理工艺未能达到对焊缝晶粒细化的作用，不能满足铁道行业标准TB/T 1632.2-2014《钢轨焊接 第2部分：闪光焊接》^[6]中对晶粒度的要求。

(b)

(a)

图1.1 探伤异常焊接接头显微组织（a）轨底角；（b）三角区

通过对焊接接头热处理数据调查发现轨底角温度达不到规定温度从而焊缝内部的粗晶粒不能完全细化是导致探伤异常波的主要原因，而热处理设备和热处理工艺是影响焊接接头晶粒度的主要因素^[7]。

2 热处理设备检测

焊接接头热处理工位采用双中频型热处理设备，根据不同轨型的工艺要求对焊接接头进行加热，轨顶面温度达到设定温度后，进行喷风冷却，通过热处理消除焊缝的残余应力，细化焊接区域的晶粒组织，提高焊缝的韧性和硬度。全自动温控双中频技术，保证轨底脚的加热温度，避免超声波探伤出轨底脚杂波^[8]。

检测中分别对热处理设备更换同厂家、同批次、同形状热处理线圈，更换后焊缝温度对称度提高，工作边与非工作边轨底角温差减小，但是轨底角温度依旧偏低，使用测温枪测量的温度值停留在800℃左右，探伤后仍旧出现异常波形问题。所以，旧的热处理线圈存在形状变形，进而轻微影响焊缝的热处理温度对称度，但是热处理线圈并不是造成探伤异常波形的主要原因。

检测中对热处理设备中主要电器元件进行性能评估，分别检测晶闸管、电容、传感器等核心元件，未发现明显失效。因设备电器件老化问题不可避免^[9]，电器元件老化必然引起焊后热处理工艺的变化，焊后热处理工艺与设备状态不能匹配时，焊后热处理质量也会发生波动。下一步应加强电器元件的检测和更换，但是电器元件完全失效前，合理的焊后热处理工艺仍是保证焊后热处理质量的关键。

热处理工艺分析

统计分析探伤异常波形接头热处理曲线（如表3.1所示），通过18个异常波形焊接接头分析发现热处理时间偏低，总时间最低108s，最高121s；热处理后轨底脚温度偏低，最低温度783℃，最高温度809℃。热处理设备保持不变的情况下，试验通过调整热处理功率来提高热处理加热时间和焊缝轨底角温度。为保证焊缝其他位置热处理温度正常的同时提高焊缝轨底角温度，试验选择增加低频功率、降低高频功率，增加低频功率可以减少低频阶段正火时间，降低低频后接头整体温度；降低高频功率，接头高频阶段正火时间增加，轨底角温度增幅超过轨顶增幅，热处理后轨底角温度相应增加。

表3.1 工艺调整前焊接接头热处理数据统计

热处理工艺调整后（如表3.2所示），热处理时间保持在120s~130s，热处理结束前焊缝轨底角达到830℃以上。对调整热处理工艺后的试头进行探伤检验，未发现异常波形。

表3.2 工艺调整后焊接接头热处理数据统计

4 结果检验

热处理工艺调整后，需要对不同轨种的焊接接头晶粒度和硬度进行检验。如图4.1、4.2所示，包钢U71MnG、包钢U75V组织都为铁素体和珠光体，铁素体析出均匀，珠光体晶粒明显改善，且组织中未出现马氏体或其他影响接头力学性能的组织。经评判包钢U71MnG固定式闪光焊接接头焊缝轨底脚晶粒度9级，三角区晶粒度8级；包钢U75V固定式闪光焊接接头焊缝轨底脚晶粒度9.5级，三角区晶粒度8级。符合铁道行业标准中对晶粒度的要求。

(b)

(a)

图4.1 包钢U71MnG显微组织（a）轨底角；（b）三角区

(b)

(a)

图4.2包钢U75V显微组织（a）轨底角；（b）三角区

根据铁道行业标准，对包钢U71MnG固定式闪光焊接接头、包钢U75V固定式闪光焊接接头的纵断面硬度进行检测。所有硬度均采用洛氏硬度C标尺进行检验，硬度值以HRC 表示。包钢U71MnG、包钢U75V洛氏硬度曲线如图4.3、4.4所示，包钢U71MnG硬度基本大于0.9HP，未有明显软化区，包钢U75V硬度曲线中虽然出现了软化区，但软化区宽度小于20mm，符合铁道行业标准中对硬度的要求。

图4.3 包钢U71MnG接头纵断面整体硬度值

图4.4 包钢U75V接头纵断面整体硬度值

结论

（1）焊接接头轨底角温度达不到要求进而焊缝内部的粗晶粒不能细化是导致探伤异常波形的主要原因；

（2）热处理设备影响焊接接头的热处理温度对称度并且存在电器元件老化，但是并不是造成探伤出现异常波形的主要原因；

（3）降低低频功率、增加高频功率后，热处理时间保持在120s~130s，热处理结束前焊缝轨底角达到830℃以上；

（4）热处理工艺调整后，包钢U71MnG、包钢U75V晶粒度、硬度符合铁标TB/T 1632.2—2014《钢轨焊接第2 部分：闪光焊接》要求。

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