一种重载钢轨焊接组织控制方法技术

一种重载钢轨焊接组织控制方法，属于铁路钢轨焊接领域。该控制方法是先根据采用的重载钢轨中各元素的质量百分比，以及拟采用的冷却速率，确定对应的马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2；在焊接结束后，先控制焊接接头处焊缝位置的冷却速率为3～10K/s，当温度冷却至K1+(30～60)K时，对焊接接头处焊缝位置进行控温，降低焊接接头处焊缝位置的冷却速率<1.0K/s；当温度继续冷却至K2时，让其自然冷却至环境温度。该方法基于不同成分的重载钢轨，通过控制钢轨焊接接头处焊缝位置的冷却速率以及K1、K2，有效抑制了钢轨焊接接头处焊缝位置生成异常马氏体组织，能够显著提升钢轨焊接接头处的组织均一性。

【技术实现步骤摘要】
一种重载钢轨焊接组织控制方法
本专利技术属于铁路钢轨焊接
，具体涉及一种重载钢轨焊接组织控制方法。
技术介绍
目前，大秦铁路、瓦日铁路、蒙华铁路等重载线路构成了新的国家战略运输网，已成为我国经济社会发展的大动脉。同时，重载铁路输送能力的提升也对钢轨的平顺性、可焊性、耐磨性提出了更高的要求，即应建设长寿命运行的无缝铁路。此时，具有高强、高韧、高耐磨等优良综合机械性能的贝氏体钢轨、过共析钢轨等新型重载钢轨，逐步成为了我国重载铁路项目建设的首选。然而，在钢轨铺设的焊接过程中，由于焊后焊接接头处冷却速率控制不当，焊接接头处焊缝位置常常形成异常的马氏体组织，大运载工况下，重载钢轨内部的高应力状态极易在异常组织处构成内部裂纹源，极大减小重载钢轨的使用寿命，严重影响线路行车安全，制约着现阶段长寿命运行重载铁路的进一步发展。对于重载钢轨焊接接头处焊缝位置的异常马氏体组织生成原因，广大研究者们普遍认为是凝固过程的微观偏析缺陷或冷却速率不均造成的，原因如下：首先，由于C、Mn元素的富集，将提高过冷奥氏体在转变区，特别是低温转变区的稳定性，将使连续冷却转变曲线(CCT)右移，导致发生马氏体相变的临界冷速降低，出现异常马氏体组织。所以，重载钢轨的局部溶质偏析缺陷也是导致钢轨焊接接头处焊缝位置出现异常马氏体组织的原因之一。其次，由于钢轨横断面是不规则的“工”字形，凝固过程中焊接接头处焊缝位置自身就存在冷却速率不均的情况，加之外界的焊后热处理过程不当，过大的冷却速率会促使焊接接头处焊缝位置高温组织迅速转变为马氏体组织，这也是重载钢轨焊接时焊接接头处焊缝位置出现异常马氏体组织的主导因素。这两种原因中，所焊接重轨钢轨母材材质的微观偏析缺陷问题，其在选材及后续制备过程中基本确定，钢轨铺设焊接过程中已经无法改变，而对于焊后冷却过程中冷却速率对重载钢轨焊接接头处焊缝位置异常马氏体组织的影响则成为主要因素。研究者们在对重载钢轨焊接后的冷却工艺进行研究时，对于重载钢轨焊接接头处焊缝位置异常马氏体组织的控制措施并不全面，现阶段发表的技术也没有针对不同钢种成分下的重载钢轨的焊接问题进行研究，没有形成系统科学的解决方法。因此，在上述研究内容的基础上，急需采用科学的手段，根据不同钢种成分下的重载钢轨，计算出对应的马氏体转变开始温度与马氏体转变结束温度，针对性的制定与优化焊接工艺以控制焊接接头处焊缝位置异常组织，改善重载钢轨焊缝质量，确保重载铁路安全、平稳、长寿化运行，对助力国家经济快速发展具有重要意义。鉴于重载钢轨焊接过程中异常马氏体组织对重载铁路运行安全构成安全隐患，该领域已得到相关研究者的重视，并开展了部分科研工作。中国专利CN201710664943.8公开了一种用于消除钢轨异常组织的在线热处理方法。其基于异常马氏体组织的产生与钢轨热处理冷却工艺控制之间的关系，得到有效抑制马氏体生成的钢轨轧制后的在线热处理工艺，使钢轨的使用寿命得到明显提升。但是，该项研究并未考虑重载钢轨在铁路铺设过程中的焊接问题，往往焊缝处的内部异常马氏体生成是影响重载铁路寿命的关键。中国专利CN201810708275.9公开了一种钢轨闪光焊接头的热处理方法。通过对闪光焊焊接接头位置进行三阶段的焊后热处理，控制各个阶段内的焊缝冷却速率和温度，可以有效消除钢轨焊接接头内的异常马氏体组织，最终改善钢轨焊接接头处的异常磨损与疲劳断裂。然而，该专利技术并没有针对马氏体的转变温度区间，准确的给出钢轨焊接接头处形成异常马氏体组织的控制方法，从而为控制焊后接头处异常马氏体组织提供准确的工艺参数。中国专利CN201910790059.8公开了一种控制中下限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺。该专利技术通过钢轨母材Mn元素含量、焊接工艺及焊后热处理工艺的控制，实现闪光焊焊接接头处异常马氏体组织的控制，同时保证了接头处组织的机械性能。然而，该技术的焊后热处理工艺仅为接头置于空气中自然冷却，无法实现焊后冷却速率的控制，对于焊缝处异常马氏体组织的控制效果有待考察。目前，已有众多关于控制钢轨母材或者焊接接头处形成异常马氏体组织的相关技术，但是，这些相关技术，并没有针对异常组织马氏体的转变温度制定准确的重载钢轨焊接组织的控制方法。这是因为钢轨成分与焊缝冷却条件都是异常组织马氏体形成的影响因素，准确确定马氏体组织转变温度十分困难。
技术实现思路
针对重载钢轨在焊接工艺实施之后，焊接接头处形成异常马氏体组织的控制方法上的研究不足，本专利技术提供了一种重载钢轨焊接组织控制方法。针对在重载铁路线路铺设过程中钢轨焊接接头处焊缝位置出现的异常马氏体组织，本专利技术的目的是提供一种科学的、准确的控制方法，通过准确确定异常马氏体组织的转变温度区间，在该区间内施加合适的冷却条件从而避免马氏体组织的形成，从而有效保障钢轨焊接接头处的组织均一性。系统研究钢轨焊接后冷却速率对焊接接头处焊缝位置异常马氏体组织的影响，对提升重载铁路钢轨焊接接头处组织均一性，保障我国重载铁路长寿化运行具有重大意义。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：本专利技术的一种重载钢轨焊接组织控制方法，是在焊接重载钢轨接头后，在焊接接头冷却过程中，控制焊接接头处焊缝位置的冷却工艺；具体包括以下步骤：步骤1：根据采用的重载钢轨中各元素的质量百分比，以及拟采用的冷却速率，确定对应的马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2；步骤2：焊接结束后，先控制焊接接头处焊缝位置的冷却速率为3～10K/s，冷却过程中，实时对焊接接头处焊缝位置进行温度监控；步骤3：当温度冷却至马氏体转变开始温度K1+(30～60)K时，对焊接接头处焊缝位置进行控温，降低焊接接头处焊缝位置的冷却速率<1.0K/s；步骤4：当温度继续冷却至马氏体转变结束温度K2时，让其自然冷却至环境温度。所述的步骤1中，确定对应的马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2的方法为：首先，利用变形热膨胀相变仪，得到所采用重载钢轨在不同冷却速率下的不同相转变CTT曲线，以得到对应元素成分下的马氏体转变开始温度与马氏体转变结束温度，之后根据重载钢轨成分和冷却速率，得到马氏体转变开始温度与马氏体转变结束温度的预测公式。根据采用的重载钢轨中对应的各元素的质量百分比和拟采用的冷却速率，其预测公式如下：K1＝399.8-11.5×(7.37x)V1K2＝259.5-14.1×(6.76x)V2其中，上述公式中，x＝C·Mn/12+Cr/35+Ni/21+Mo/20+Si/40-V/3-Al/21，x的计算公式中，各元素单位为其占总元素含量的质量百分比(wt％)；重载钢轨中，其他元素对K1和K2的影响忽略。V1为焊接结束后冷却马氏体转变开始温度K1的冷却速率(K/s)，V1为3～10K/s；V2为马氏体转变开始温度K1冷却至马氏体转变结束温度K2的冷却速率(K/s)，V2<1.0K/s；通过上述公式，得到不同冷却速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种重载钢轨焊接组织控制方法，其特征在于，该重载钢轨焊接组织控制方法是在焊接重载钢轨接头后，在焊接接头冷却过程中，控制焊接接头处焊缝位置的冷却工艺；具体包括以下步骤：/n步骤1：/n根据采用的重载钢轨中各元素的质量百分比，以及拟采用的冷却速率，确定对应的马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2；/n步骤2：/n焊接结束后，先控制焊接接头处焊缝位置的冷却速率为3～10K/s，冷却过程中，实时对焊接接头处焊缝位置进行温度监控；/n步骤3：/n当温度冷却至马氏体转变开始温度K1+(30～60)K时，对焊接接头处焊缝位置进行控温，降低焊接接头处焊缝位置的冷却速率<1.0K/s；/n步骤4：/n当温度继续冷却至马氏体转变结束温度K

【技术特征摘要】
1.一种重载钢轨焊接组织控制方法，其特征在于，该重载钢轨焊接组织控制方法是在焊接重载钢轨接头后，在焊接接头冷却过程中，控制焊接接头处焊缝位置的冷却工艺；具体包括以下步骤：
步骤1：
根据采用的重载钢轨中各元素的质量百分比，以及拟采用的冷却速率，确定对应的马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2；
步骤2：
焊接结束后，先控制焊接接头处焊缝位置的冷却速率为3～10K/s，冷却过程中，实时对焊接接头处焊缝位置进行温度监控；
步骤3：
当温度冷却至马氏体转变开始温度K1+(30～60)K时，对焊接接头处焊缝位置进行控温，降低焊接接头处焊缝位置的冷却速率<1.0K/s；
步骤4：
当温度继续冷却至马氏体转变结束温度K2时，让其自然冷却至环境温度。


2.根据权利要求1所述的重载钢轨焊接组织控制方法，其特征在于，所述的步骤1中，马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2的确定方式是：利用变形热膨胀相变仪，得到所采用重载钢轨在不同冷却速率下的不同相转变CTT曲线，以得到对应元素成分下的马氏体转变开始温度与马氏体转变结束温度，之后根据重载钢轨成分和冷却速率，得到马氏体转变开始温度与马...

【专利技术属性】
技术研发人员：祭程，关锐，朱苗勇，陈天赐，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21