第27卷第5期2005年10月铁 道 学 报
JOURNALOFTHECHINARAILWAYSOCIETYVol.27 No.5October2005
文章编号:100128360(2005)0520045204
U71Mn钢轨压焊顶锻行为模拟研究
戴 虹, 吕其兵, 谭克利, 阎军强
(西南交通大学焊接研究所,四川成都 610031)
摘 要:顶锻是决定钢轨闪光焊及气压焊接头质量的关键工序。本文采用Gleeble热模拟试验技术,对U71Mn钢轨加压顶锻行为进行研究,为无缝线路焊轨工程的工艺选择和质量控制提供数据。结果表明:钢轨焊接所需顶锻力随顶锻量、顶锻速度的增加而增大,随焊口温度的降低而升高。匹配好顶锻力、顶锻速度、顶锻量等参数,促使焊口金属充分进行交互结晶和形变再结晶,可获得优质的焊接接头。通过观察焊瘤是否具有均匀分布的毛刺特征,可以初步判断顶锻参数的匹配效果。关键词:钢轨;压力焊;顶锻变形;热模拟中图分类号:TG4 文献标识码:AInvestigationinThermalandMechanicalSimulationofUpsetDeformationonU71MnRailButtWelding
DAIHong, LU¨Qi2bing, TANKe2li, YANJun2qiang
(WeldingTechnologyInstitute,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,China)
Abstract:Theupsetprocessofflashwelding&gaspressureweldingdecidesthequalityofrailweldjoints.Inthispaper,theadvancedAmericanGleeblesimulationisusedtoexplorethethermalandmechanicalsimulationexperimentofrailsteel(U71Mn)buttweldingintheprocessofupsetformation,whichprovidesdatafortech2niqueselectionandqualitycontrolinCWRweldingeugineering.Theresultsshowthattheupsetforceincreaseswiththeincreasingoftheupsetlengthandupsetspeed,andincreaseswiththereducingoftheheatingtempera2ture.Goodmatchamongtheparametersoftheupsetlength,upsetspeedandupsetforcehelpstopromotesuf2ficientalternatecrystalizinganddeformedre2crystalizingintheweldmetal,andcreategood2qualityweldjoints.Thematchingeffectcanbeobservedbythefactwhethertheburrdistributionisuniformornot.Keywords:rail;buttwelding;upsetdeformation;thermalandmechanicalsimulation
无缝线路是高速重载运输轨道结构的重要组成部
分,而钢轨焊接是无缝线路铺设中的关键环节。钢轨焊接在工厂普遍采用闪光焊;在施工现场主要采用小型气压焊。钢轨焊接端面加热温度为1300℃以上[1,2],通过顶锻挤压变形,促使焊口金属在充分进行交互结晶和形变再结晶,形成致密牢固的冶金连接。钢轨压焊质量与顶锻工艺密切相关[3,5]。气压焊钢筋可通过观察焊瘤形貌特征直接判断焊接质量[6],而关于高强度钢轨钢压焊顶锻行为的研究报道很少,对如何选择顶锻工艺,实现无缝线路钢轨焊接质量的最佳
收稿日期:2004210224;修回日期:2005202204基金项目:铁道部科技开发项目(2004G011A)
),女,江西临川人,教授。作者简介:戴虹(1957—
E2mail:scdhong@263.net
控制就缺少依据。
国际先进的Gleeble22000热模拟试验机,采用电阻加热方式进行焊接模拟,具有极强的热应力应变模拟功能[7],完全适合模拟钢轨压焊顶锻行为。本文采用该技术模拟钢轨压焊加热温度、顶锻量、顶锻力、顶锻速度等参数,研究顶锻参数匹配关系与焊瘤形貌特征,为合理制定钢轨焊接工艺,控制焊轨质量,指导焊轨生产提供依据。
1 试验条件与方法
1.1 试验材料与设备
材料为攀钢U71Mn60kg/m钢轨。设备为Gleeble22000(美国)热模拟机。焊接顶锻模拟试样为
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Φ10mm×70mm,等温挤压试样为Φ10mm×12
mm。焊接顶锻模拟和等温挤压模拟试验方法见图1。在试验过程中计算机记录试样加热温度、时间、顶锻量和应力变化情况。
属毛刺越多;顶锻速度过快,金属流动时间短,焊口反呈墩粗封闭状;当顶锻速度适中时,焊口金属才会充分流动,焊瘤毛刺呈现出均匀分层状特征。
当顶锻速度为12mm/s时,不同顶锻量的焊口金属变形行为特征见图4。可见顶锻量为6mm时,过热金属残留在焊口中的数量较多,接口金属毛刺极少。当顶锻量加大到10mm时,焊口金属因挤压变形发生均匀流动,形成均匀分层特征的焊瘤毛刺。但顶锻量过大,焊头金属横向变形过量,也会降低接头性能。
1.2 焊接温度场模拟条件的确定
按50、150、250℃/s3种加热速度模拟钢轨压焊温度场,发现以250℃/s加热试样,焊口温度分布与钢轨实际焊接温度分布吻合良好,因而以此作为模拟试验的加热条件。
2 试验结果
2.1 焊接顶锻模拟试验结果2.1.1 恒速顶锻模拟行为特征
因此,U71Mn钢轨焊接时,焊口温度为1300℃、
顶锻速度在8～12mm/s的范围内,焊口金属流动效果才好。顶锻速度并不是越快越好,必须与顶锻量匹配合理,才能获得优质焊接效果。2.1.2 变速顶锻模拟行为特征
变速顶锻焊接模拟试验按图5分三级顶锻设计,焊头的外形特征如图6。由图5、图6可见,顶锻速度越慢,试件内应力越小;变速顶锻的试件焊瘤均匀分层特征比恒速顶锻更好。
在加热速度250℃/s、温度1300℃、保温时间1s、顶锻量10mm的条件下,按1#～4#顶锻速度方案(即顶锻速度分别为4、8、12、16mm/s)进行焊接顶锻模拟试验,结果见图2。可见1#、4#方案的焊口金属毛刺分层均匀性差,2#、3#方案的毛刺分层均匀性良好。
当顶锻量为10mm时,不同顶锻速度下的焊口金属变形行为特征见图3。可见顶锻速度越慢,焊口金
2.2 等温挤压模拟试验结果
在加热速度为250℃/s、顶锻速度12mm/s、顶锻
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(图9),给线路带来安全隐患。因此,应根据钢轨焊接
所需的最小顶锻力来选定焊机系统压力值的大小。
表1 钢轨焊机与顶锻参数比较
焊接系统压强方法
/ΜPa1085
顶锻力
/103kN773619387
顶锻量
/mm141414
顶锻速度
/(mm・s-1)
焊口温度
/℃
量8mm的条件下,加热温度分别为1100℃、1050
℃、1150℃、1200℃、1250℃时,进行等温挤压模拟试验,研究U71Mn钢轨钢的顶锻量与形变抗力的关系,结果见图7。
闪光焊
≥25≥25≥25
≤1150≤1200≤1300
504580455387322
3030303030
4～54～54～54～54～5
≤1050≤1100≤1150≤1200≤1300
气压焊45353025
注:①闪光焊机为К190лк型;气压焊机为YJ2440型。
②顶锻力=系统压强×工作油缸面积/钢轨截面面积。
3 结果分析与讨论
3.1 焊接温度2顶锻量2焊机顶锻力的关系
由图7的结果,对钢轨钢的焊接温度、顶锻量、焊
机顶锻力的关系进行了分析计算,其结果见图8。由图8可见,在顶锻速度相同的条件下,焊口温度越高或顶锻量越小,所需的焊机顶锻力也越小。
3.2 顶锻速度、顶锻量与顶锻力的关系
图10(a)是顶锻量为10mm时,顶锻速度与接头形变抗力的关系;图10(b)是顶锻速度为12mm/s时,顶锻量与接头形变抗力的关系。可见,接头形变抗力随顶锻速度的增加而增大,也随顶锻量的增加而增大。因此,在选择顶锻参数时,若顶锻量或顶锻速度取值偏大,则顶锻力也应增大,才能保证良好的顶锻效果。
根据该模拟试验结果,分析K190лк型闪光焊机、YJ2440型气压焊轨机顶锻力、焊口温度的关系(表1),结果表明:当K190лк型闪光焊机系统压力由10ΜPa降到8ΜPa及以下时,顶锻力由773kN降至619kN以下,焊口1150℃～1300℃过热金属残留量增多,过烧等缺陷就会增多。若气压焊机顶锻时的系统压力小于35ΜPa,同样焊头也很容易出现疏松、过烧缺陷
3.3 顶锻参数匹配效果的质量特征
对不同顶锻变形条件下的焊接模拟试件内部质量
与外部焊瘤特征的对应关系分析,结果见图11。当顶锻速度为12mm/s时(图11(b)),由于金属流动性好,形变再结晶重新形核长大充分,金属流线消失,组织致密性良好,焊瘤外观为均匀两层毛刺(图3(b))。而顶
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锻速度为16mm/s时(图11(a)),接头还有明显的金
属流线特征,焊瘤根部的金属流线弯曲分层严重,热裂纹、疏松等缺陷较多,焊瘤外观为墩粗封闭状(图3(a))。当顶锻速度为12mm/s时,带电顶锻时间从2s缩短到1s(图11(c)),焊缝疏松区宽度由2.5mm
减到1.5mm,焊瘤外观为更为均匀的两层毛刺(图6)。采用金相分析方法分析图11(a)、11(b)、11(c)试样中的疏松缺陷比例,结果分别为8.4%、6.5%、2.0%,表明疏松缺陷随无电顶锻量的增大而减小,顶锻参数匹配不佳是其产生的直接原因。
我们在实际焊轨工程中也多次观察发现:焊头焊瘤若分层不均匀,出现缺陷的概率高(图12(a)),相反,只要焊瘤呈现出均匀分层的特征,该焊头落锤性能都在2锤以上,其断口无缺陷且呈塑性特征(图12(b)),表明模拟试验结果与实际焊轨工艺及质量十分吻合。
4 结论(1)U71Mn60kg/m钢轨焊接时,顶锻力随顶
锻量、顶锻速度的增加而增大,随加热温度的升高而降低。
(2)通过观察焊瘤是否具有均匀分布的毛刺特征,可以判断顶锻参数的匹配效果。
(3)只有当顶锻力、顶锻速度、顶锻量等焊接参数匹配良好时,接头金属才会产生充分的交互结晶和形变再结晶,获得优质焊接效果。
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(责任编辑 何 芳)
