專利名稱：高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌加介質(zhì)閃光焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌的連接方法。
在現(xiàn)在技術(shù)中，將高錳鑄鋼件或錳鋼鋼軌與碳鋼鋼軌進(jìn)行連接的方法，已由美國專利(US.5,304,777)德國專利(DE-PS2952079)中國專利(ZL91104903.7)公開。美國專利公開的高錳鋼與碳鋼焊接技術(shù)是采用奧氏體——鐵素體不銹鋼作為連接材料，其焊接方法是首先利用MIG或TIG的手工或自動(dòng)堆焊方法將奧氏體——鐵素體不銹鋼焊絲推焊在碳鋼一端，然后利用電弧或激光焊方法將碳鋼堆焊面與高錳鋼焊接到一起；德國專利公開的高錳鋼與碳鋼的焊接技術(shù)是采用一種奧氏體鋼作為連接材料，其焊接方法是先將高錳鋼與奧氏體連接材料焊接，并進(jìn)行一次固溶退火和水中淬火熱處理，然后將奧氏體材料與碳鋼焊接在一起，并采取相應(yīng)的冷卻措施；中國專利公開的高錳鑄鋼件構(gòu)成的諸如轍叉構(gòu)件或錳鋼鋼軌與碳素鋼制成的鋼軌進(jìn)行連接的技術(shù)是采用低碳奧氏體鋼制成的連接件將上述兩種構(gòu)件進(jìn)行焊接的方法。由于兩種材料的物理性能相差較大，所以該技術(shù)對(duì)焊接接頭進(jìn)行高溫長時(shí)間擴(kuò)散退火，高溫保溫時(shí)間長達(dá)2-5小時(shí)，因而這種高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌的連接方法，消耗能源多，生產(chǎn)周期長，生產(chǎn)效率低。
本發(fā)明的目的在于提供一種采用CrMnNiMo系奧氏體——鐵素體雙相鋼作為介質(zhì)材料，將高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌進(jìn)行閃光焊接的方法。該方法節(jié)省能源，生產(chǎn)周期短，自動(dòng)化程度高，生產(chǎn)效率高。
這種高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌加介質(zhì)閃光焊接方法，其特征是采用CrMnNiMo系奧氏體——鐵素體雙相鋼作為介質(zhì)材料，其工藝過程是(1)碳鋼鋼軌預(yù)熱到200-600℃；(2)介質(zhì)與碳鋼鋼軌閃光對(duì)焊到一起；(3)焊接接頭在800-900℃之間保溫10-30分鐘去應(yīng)力退火；(4)將介質(zhì)切留20-40mm長度；(5)切留介質(zhì)與高錳鋼轍叉閃光焊接；碳鋼鋼軌焊前預(yù)熱最佳溫度為400℃，介質(zhì)材料成份(重量％)為C≤0.1、Cr18-20、Mn4-6、Ni6-8、Mo2-3、S+P≤0.04，其余為鐵；雙相鋼中鐵素體的含量(重量％)為10％左右閃光焊接時(shí)，閃光速度≥3mm/s，頂鍛速度≥100mm/s，頂鍛壓強(qiáng)≥70Mpa；焊接時(shí)各材料伸出長度相等。
將高錳鋼轍叉與高碳鋼鋼軌焊接在一起，在選用介質(zhì)材料和生產(chǎn)工藝上具有一定的難度。因?yàn)殇撥変撛诤附舆^程中要求緩冷，以防止熱影響區(qū)內(nèi)出現(xiàn)馬氏體和產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，而高錳鋼在焊接過程中熱影響區(qū)內(nèi)極易沿奧氏體晶界析出碳化物和發(fā)生晶粒長大現(xiàn)象，這都會(huì)造成其性能的強(qiáng)烈衰減，因此，要求高錳鋼焊接后盡量快冷。另外，兩種材料的熱脹系數(shù)相差較大，直接焊接后將在焊接接頭處產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，它不僅降低焊接接頭的強(qiáng)度和韌度，而且降低其疲勞壽命。
本發(fā)明在于利用介質(zhì)材料將兩種焊接性能完全不同的高錳鋼轍叉和碳鋼鋼軌焊接到一起。其基本原理是介質(zhì)材料是一種奧氏體—鐵素體雙相鋼，其在后繼的受熱過程中不易發(fā)生晶粒長大和碳化物析出現(xiàn)象，同時(shí)其線膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)、導(dǎo)熱系數(shù)等物理性能與高錳鋼相當(dāng)?？紤]到介質(zhì)的熔點(diǎn)和導(dǎo)熱速度都比碳鋼低，為保證焊接接頭熔合的充分，先將碳鋼鋼軌預(yù)熱至200-600℃，然后焊接。由于介質(zhì)材料與碳鋼的物理性能相差較大，此時(shí)的焊接接頭內(nèi)部焊接應(yīng)力較大，這將嚴(yán)重降低接頭的力學(xué)性質(zhì)，因此，要對(duì)其進(jìn)行高溫短時(shí)去應(yīng)力退火。然而由于介質(zhì)中含有能夠有效推遲碳化物形成的合金元素Mo，因此在后繼的高溫短時(shí)受熱過程中(其中包括閃光焊接和去應(yīng)力退火)，其組織仍為細(xì)小晶粒的奧氏體—鐵素體雙相組織。由于介質(zhì)材料和高錳鋼的物理性能十分接近，所以在介質(zhì)與高錳鋼轍叉焊接后，焊接接頭內(nèi)部的焊接應(yīng)力相對(duì)較小。另外，由于閃光焊接速度很高，在焊接過程中焊接接頭熱影響區(qū)內(nèi)的熱輸入量較小，焊后接頭的冷卻速度較快，因此，焊后接頭在空氣中冷卻，即可保證高錳鋼熱影響區(qū)內(nèi)無碳化物析出，從而使整個(gè)焊接接頭具有優(yōu)異的力學(xué)和使用性能。
本發(fā)明充分考慮了兩種材料物理性質(zhì)的本質(zhì)區(qū)別，在焊接前將碳鋼進(jìn)行預(yù)熱，大大改善了兩種材料的焊接效果，并且焊后對(duì)焊接接頭僅需在800-900℃保溫10-30分鐘進(jìn)行去應(yīng)力退火，就可保證焊接接頭的力學(xué)性質(zhì)和使用性能，縮短了工藝周期，提高了生產(chǎn)效率。另外，本發(fā)明采用的是奧氏體—鐵素體雙相鋼，其中含有強(qiáng)化基體的元素Mo，這種材料較單相奧氏體具有較高的強(qiáng)度和加工硬化能力，因此雙相鋼焊接介質(zhì)在實(shí)際使用時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)象當(dāng)奧氏體焊接介質(zhì)稍長時(shí)而產(chǎn)生的焊接介質(zhì)部位過早磨損的現(xiàn)象。
本發(fā)明所利用的閃光對(duì)焊屬于高溫固相焊接。在固相溫度范圍由擠壓力使金屬原子互相接合形成接頭。為了實(shí)現(xiàn)焊接要求，對(duì)焊件必須清除表面的氧化膜和提高接觸面的平度，通過較大的塑性變形而達(dá)到目的。由于這里采用的介質(zhì)材料是含Cr、Mn、Ni和Mo較高的奧氏體—鐵素體雙相鋼，這種鋼具有高溫強(qiáng)度高、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性差、熔點(diǎn)低、又有大量易形成高熔點(diǎn)氧化物的合金元素，因此，在閃光對(duì)焊時(shí)，要求有大的頂鍛壓強(qiáng)，高的閃光和頂鍛速度。閃光速度≥3mm/s，頂鍛速度≥100mm/s，頂鍛壓強(qiáng)≥70Mpa。
由于本發(fā)明中所選用的介質(zhì)材料為含Mo的奧氏體—鐵素體雙相鋼，Mo可以推遲奧氏體-鐵素體鋼中碳化物的析出時(shí)間，使介質(zhì)在焊接和后繼的短時(shí)高溫去應(yīng)力退火過程中，不至于有碳化物析出，同時(shí)它可使介質(zhì)具有較高的強(qiáng)度和加工硬化性能。
利用本發(fā)明制備的高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌焊接件，高錳鋼的化學(xué)成分一般為C1.1-1.4，Mn11-14，其余為Fe和少量雜質(zhì)，碳鋼鋼軌的化學(xué)成份一般為C0.6-0.8，Mn0.6-1.5，其余為Fe和少量雜質(zhì)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)650Mpa以上，各區(qū)域的沖擊韌性數(shù)值都較高，整軌靜彎值為在跨距為1米的條件下靜彎載荷為100T時(shí)，撓度達(dá)22mm以上，抗彎曲疲勞強(qiáng)度達(dá)250MPa以上。這些性能指標(biāo)都能滿足實(shí)際鐵路運(yùn)輸對(duì)高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌焊接結(jié)構(gòu)的性能要求。
權(quán)利要求
1.一種高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌加介質(zhì)閃光焊接方法，其特征在于采用CrMnNiMo系奧氏體—鐵素體雙相鋼作為連接介質(zhì)，通過閃光焊接方法將高錳鋼轍叉與碳鋼鋼軌連接在一起，其工藝過程是；(1)碳鋼鋼軌預(yù)熱到200-600℃；(2)介質(zhì)與碳鋼鋼軌閃光對(duì)焊到一起；(3)焊接接頭在800-900℃之間保溫10-30分鐘去應(yīng)力退火；(4)將介質(zhì)切留20-40mm長度；(5)切留介質(zhì)與高錳鋼轍叉閃光焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于碳鋼鋼軌焊前預(yù)熱的最佳溫度為400℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的焊接連接方法，其特征在于介質(zhì)材料成份(重量％)為C≤0.1、Cr18-20、Mn4-6、Ni6-8、Mo2-3、S+P≤0.04，其余為鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、3所述的連接方法，其特征在于CrMnNiMo系奧氏體—鐵素體雙相鋼中鐵素體的含量為10％左右。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連接方法，其特征在于閃光焊接的閃光速度≥3mm/s，頂鍛速度≥100mm/s，頂鍛壓強(qiáng)≥70Mpa；焊接時(shí)各材料的伸出長度相等。
全文摘要
利用CrMnNiMo系奧氏體－鐵素體雙相鋼作為介質(zhì)材料通過閃光焊接的方法,將焊接性質(zhì)相差很大的高錳鋼轍叉和碳鋼鋼軌連接在一起。先將碳鋼軌預(yù)熱到200—600℃,并把它與介質(zhì)閃光焊接到一起,將介質(zhì)切留20—40mm,然后將此焊接接頭在800—900℃之間保溫10—30分鐘進(jìn)行去應(yīng)力退火,待其冷卻到室溫后,再與高錳鋼轍叉進(jìn)行閃光焊接。
文檔編號(hào)B23K11/04GK1275463SQ0012144
公開日2000年12月6日 申請(qǐng)日期2000年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月21日
發(fā)明者張福成 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)