钢轨闪光焊推凸刀体工艺技术.pdf

钢轨闪光焊推凸刀体工艺技术钢轨闪光焊推凸刀体工艺技术戚恒1，王利，张敏敏1，范实现1（1.中国铁路济南局集团有限公司科学技术研究所，山东济南2 50 0 0 0；2.中国铁路济南局集团有限公司济南工务机械段，山东济南2 50 0 0 0）【摘要】推凸刀体作为钢轨闪光焊机重要机构部件，是实现钢轨焊接凸出部分切除的重要工装，可有效减少焊后人工打磨的加工余量，提高生产效率。本论文针对当前推凸刀体价格昂贵、服役性能差及更换复杂的问题。从技术创新及材料设计出发，研发表面改性的新型推凸刀体材料，结合优选的结构形式及加工方法进行新型推凸刀体的制造。【关键词】推凸刀体；堆焊；刀刃；钴基合金；焊丝【中图分类号】TG44D0I:10.16640/ki.37-1222/t.2023.04.019【文献标识码A文章编号10 0 6-7 52 3（2 0 2 3）0 4-0 10 8-0 5热应力和热疲劳。推凸刀体围绕着焊机的次级回引言路，次级回路由于电流较大，容易造成涡流现象，钢轨焊接后钢轨廓形作为闪光焊重要技术指标，其与钢轨母材尺寸的一致性、匹配的均匀性及焊缝踏面的平顺性将严重影响钢轨的使用性能，制约钢轨在铺设后轨道的鲁棒性与生命周期，制约列车在运行过程中的安全性与稳定性。为有效提高焊缝廓形质量，获取与母材廓形尺寸配合良好的焊缝，目前主要通过依次进行焊后高温下的推凸及后续精细化人工打磨余量的模式来实现。其中推凸过程主要通过推凸刀来实现，然而由于周期作业于高温环境（10 0 0 左右的高温环境）的极端环境，在反复加热冷却过程中容易造成晶粒粗大、元素偏析及多周热作用引起的导致推凸刀体内部“自生热”导致温度升高，进一步造成其使用寿命在双重作用下缩短，切削质量变差，使推凸设备成为钢轨闪光焊机上损坏率较高的零部件之一。一、刀体制作的工艺推凸刀的形状多样，每个品牌的焊机都不同，但大体来讲分两部分，刀架和刀刃。由于推凸刀处于钢轨焊接的次级回路，不仅会发热，还会有电磁损失，因此需要采用非磁性耐热钢。之前，国外推凸刀体通常采用奥氏体不锈钢作为主体材料，硬质合金钢用于刀刃。由于这是两种材料焊接起来的整体，经过若干次使用，经常出现裂口，收稿日期 2 0 2 3-0 1-2 8【作者简介】戚恒（19 8 2 一)，男，硕士，中国铁路济南局集团有限公司科学技术研究所，高级工程师；王利（19 8 7 一），男，中国铁路济南局集团有限公司济南工务机械段，工程师；张敏敏（19 8 9 一），男，中国铁路济南局集团有限公司科学技术研究所，工程师；范实现（19 9 4一），男，中国铁路济南局集团有限公司科学技术研究所，助理工程师。-108-山东工业技术22023年第4期（总第312 期）严重影响接头外观和焊接质量。用作刀架的奥氏温元素，效果更好。我国常用的奥氏体不锈钢中，体不锈钢不导磁，如果加人一些Mo，T i等耐高316L不锈钢就具有此种性质。表1316 L不锈钢化学成分元素CW%0.03316L奥氏体不锈钢，国内牌号为00Cr17Ni14Mo2。由于Mo的加人，它的抗酸蚀性、抗大气腐蚀性和高温强度都十分出色，即使后期进行机械加工导磁性也几乎为零。它在7 0 0 的高温环境可以连续使用，另外相对于一般不锈钢，316 L的焊接性较好，焊后经过退火或回火处理，即可得到不错的效果，缺点是相对其他材料的成本较高。二、刀刃材料的选择刀刃是整个推凸刀的重中之重，笔者经过多次试验证明，刀刃想要达到预期效果，要有几个元素CW%0.51.D406堆焊焊条D406为铬钼钨热强钢耐磨堆焊焊条，堆焊金属为固溶体+共晶组织+马氏体+奥氏体，具备较强的耐热疲劳性、抗裂性和红硬体，一般用于堆焊抗高温模具，如热剪切刀刃等。实验发现，D406与不锈钢熔合较好，焊接性适中，焊后炉内保温缓冷之后，洛氏硬度为35-40HRC之间。2.D608堆焊焊条D608为石墨型铸铁堆焊焊条，由于堆焊金牌号I硬度（HRC)点1D80242D81244D82247Si1.002.0018.0条件：推凸刀是在钢轨焊接过程的后期使用的，工作环境在10 0 0 以上，因此，刀刃必须耐高温，防止回火软化的特性；推凸刀靠刃部把高温金属推掉，自身必须有相当的硬度，热硬性必须高，洛氏硬度应在50 HRC以上；推凸刀在极其短的时间内将烧红金属快速推掉，在大荷载冲击下，刀刃不能轻易断裂或脱落，要具有一定的耐冲击性。本着这几个条件，我们结合同类产品的经验设计出一个方案，就是采用焊接堆焊的工艺，在不锈钢的表面制作出一个刀刃。我们通过多次试验，对比分析了几种常见的堆焊材料，实验结果如下：表2 D406熔敷金属化学成分SiMn2.002.00表3钻基合金焊条实验对比点2点3383946455352MnCr6.00属是铸铁组织的Mo、Cr 碳化物，其堆焊层的硬度和抗耐磨性较高，HRC55。实验证明，D608焊接性稍差，硬度很好，HRC为55 6 0 之间，但经过重锤敲击，会出现薄薄的断裂层，耐冲击力差。3.钻基合金堆焊焊条堆焊金属在6 50 下工作时，钻铬钨合金堆焊焊条依旧能保持较好的抗磨性和抗腐蚀性。钻铬钨合金堆焊焊条常用于高温高压阀门及热剪刀刃的堆焊。我们对几种钻基合金焊条分别在316 L不锈钢试板进行实验，并取七个点测试洛氏硬度，点4点5384144434951Cr16.010.02.03.0 0.0314.0WMo10.005.00点6404552NiMoV2.0012点7平均硬度3839.44444.45150.7SCoP0.03其他2-109-钢轨闪光焊推凸刀体工艺技术测试过程未做任何热处理。经过多次实验对比，我们发现，钻基合金有着镍基合金和铁基合金不具备的性质，符合刀刃材料的基本要求。钻基合金含铬2 5%33%，含钨3%2 1%，含碳0.7%3.0%。由于含碳量的增加，硬度和耐磨损性能加强，但抗冲击能力，焊接性，机加工性能均有所降低。而被铬和钨合金化的钻基合金具有非常理想的耐热性，耐腐蚀性和耐氧化性，在6 50 以上温度依旧可以保持比较高的硬度和强度。在奥氏体不锈钢316 L上堆焊钻基合金，主要困难在于如何预防焊接裂纹和由于焊接高温造成合金元素的稀释。钻基合金组织是由钻铬钨合金固溶体初晶和固溶体与铬钨复合碳化物的共晶体组成，呈枝状结晶。这种枝状奥氏体与复合碳化物的共晶体组织形成各种裂纹的可能性更大，组织为亚共晶类型。所以，对焊接技术的规范要求很严格，这是很有必要的。三、焊接工艺试验1.焊条电弧焊和钨极氩弧焊都可以进行焊接，但若使用焊条电弧焊，在焊接过程中要频繁使用铁锤敲击焊缝，减少因温度骤降产生的应力。2.焊前要预先把母材加热到50 0 6 0 0，焊条在烘箱中保持18 0 一个小时。焊接过程中的热量的输入会不同程度上影响焊接接头的熔敷层的硬度和晶粒度。焊接过程中通常使用小电流均匀焊接，防止合金元素流失。3.由于推凸刀坡口的堆焊较高（12 15mm），需要焊接4 5层才能填满，为减少过热导致合金元素消失，保持层间温度在2 2 0 左右 2 。4.焊后要进行回火处理，将整个刀体用氧乙炔火焰加热至6 0 0，用石棉布包裹一个小时，待温度降至30 0 以下时，空气中冷却。四、推凸刀刃结构设计推凸刀要在7 0 0 以上的高温环境下反复使用，势必会有损刀口。一般来说，常见的进口推凸刀使用次数在150 0 次以上，有的国产刀不超过50 0 次。如果把刀口加高到刀体平面-110-以上3mm，形成稍微凸出的刀刃，一旦刀刃有所磨损，我们就可以加工掉损伤的部分，反复使用。由于刃口全部是堆焊成型的钻基合金，磨掉并不会影响刀刃的质量，经过多次打磨，使用次数在30 0 0 次以上，大大增加推凸刀的使用寿命，提高焊轨效率。堆焊刀刃不锈钢刀体图1堆焊推凸刀示意图五、刀体结构设计1.推凸刀的外形它的结构设计根据焊接完成后焊接焊缝的技术要求，由链状机构、支撑机构、锁紧机构等组成，分为左、右两部分，分别固定在焊机刀架上，并将焊缝固定在刀架上，如图2；图2 刀体设计图2.推凸刀的刀口尺寸推凸刀体刀刃的轮廓基本与所焊钢轨的轮廓吻合。我国各钢厂生产的钢轨的最大轮廓尺寸偏差是1mm，因此推凸刀体的刀刃轮廓尺寸比所焊钢轨尺寸向外扩展1.5mm左右。刀刃轮廓过大会影响焊后打磨的工作量和各工序的生产效率，过小则会推伤钢轨母材，对焊接处的力学性能和热影响区都会造成影响，造成焊接质量的问题。山东工业技术2023年第4期（总第312 期）度Ro02、断后伸长率A:GB/T228.1-20103.推凸刀的加工2.化学成分分析推凸刀刃轮廓尺寸是仿所焊钢轨轮廓尺寸，形状轮廓数据较多，刀刃与钢轨接触位置要进行过渡处理，所有其加工过程的关键工序的基准须一致，并在高精度CNC数控机床上加工。六、试验验证1.拉伸试验试验方法：抗拉强度Rm、规定塑性延伸强试验温度样品编号样品原编号03202212007211002样品编号0320221200721001样品编号0320221200721001样品编号0320221200721004注：摩擦系数为第11 30 分钟摩擦系数的平均值。项目为分包测试。角度研究进口推凸刀体高温稳定性差、易磨损失效、推凸后尺寸公差大等目前普遍存在的问题。通过对传统316 不锈钢基体表面进行Co基合金表面堆焊改性，获得了具有高的红硬性、耐磨性能的Co基合金熔覆层，并进行现场应用试验。现场试验表明，经新型刀体推凸后，钢试验方法：C、Cr、M n、Ni、P、S、Si:G B/T4336-20163.环块磨损摩擦试验试验方法：GB/T12444-2006七、结语本课题从技术选择、材料选用和结构设计等表4拉申试验室抗拉强度()Rm(MPa)室温(2 3)1855表5化学成分分析表样品原编号C(W/%)/0.3810.16表6 王环块磨损磨擦试验表转速样品原编号载荷(N)1200规定塑性延伸强度Rg0.2(MPa)1578Cr(w/%)Mn(w/%)0.980.95样品原编号Si(w/%)Ni(w/%)110.008(rpm)300轨廓形规则，成型美观，焊缝加工余量小于0.5mm，达到整形公差规定。经同批次试验后，新型刀体表面状态优于旧有推凸刀体。落锤试验后断口轮廓边缘无因推凸刀挤压或刮伤形成的曲线纹路及焊凸。断后伸长率A(%)9.0P(w/%)S(w/%)0.0160.0051润滑介质时间(min)长城润滑油30摩擦系数0.327-111-钢轨闪光焊推凸刀体工艺技术【参考文献1温秉权.金属材料手册 M.北京：电子工业出版社，2 0 0 9.2曹志国.AMS60推瘤刀的研制 J.铁道机车车辆工人，2 0 11.3黄腾飞.LR1200推瘤刀结构设计与受力分析 J，机车车辆工艺，2 0 10.The Technology of Rail Flash Welding Push-bump Cutter BodyQI Heng,WANG Li,ZHANG Min-min,FAN Shi-xian(1.Institute of Science and Technology,China Railway Jinan Group Co.,Ltd.,Jinan 250000,China;2.China Railway Jinan Bureau Group Co.,Ltd.Jinan Public Works Machinery Section,Jinan 250000,China)Abstract:As an important mechanism part of rail flash welding machine,the protruding cutter body isan important tool for cutting the protruding part of rail welding,which can effectively reduce the machiningallowance of manual grinding after welding and improve production efficiency.This paper aims at the problemsof high price,poor service performance and complex replacement of the current protruding cutter body.Fromthe perspective of technical innovation and material design,research and develop a new type of surface-modifiedconvex tool body material,and manufacture the new convex tool body in combination with the optimizedstructural form and processing method.Key Words:pushing convex cutter body,surfacing,blade,cobalt-based alloy,welding wire-112-