高锰钢辙叉与碳钢钢轨加介质闪光焊接方法 本发明涉及一种高锰钢辙叉与碳钢钢轨的连接方法。
在现在技术中，将高锰铸钢件或锰钢钢轨与碳钢钢轨进行连接的方法，已由美国专利(US.5,304,777)德国专利(DE-PS2952079)中国专利(ZL91104903.7)公开。美国专利公开的高锰钢与碳钢焊接技术是采用奥氏体——铁素体不锈钢作为连接材料，其焊接方法是：首先利用MIG或TIG的手工或自动堆焊方法将奥氏体——铁素体不锈钢焊丝推焊在碳钢一端，然后利用电弧或激光焊方法将碳钢堆焊面与高锰钢焊接到一起；德国专利公开的高锰钢与碳钢的焊接技术是采用一种奥氏体钢作为连接材料，其焊接方法是先将高锰钢与奥氏体连接材料焊接，并进行一次固溶退火和水中淬火热处理，然后将奥氏体材料与碳钢焊接在一起，并采取相应的冷却措施；中国专利公开的高锰铸钢件构成的诸如辙叉构件或锰钢钢轨与碳素钢制成的钢轨进行连接的技术是采用低碳奥氏体钢制成的连接件将上述两种构件进行焊接的方法。由于两种材料的物理性能相差较大，所以该技术对焊接接头进行高温长时间扩散退火，高温保温时间长达2-5小时，因而这种高锰钢辙叉与碳钢钢轨的连接方法，消耗能源多，生产周期长，生产效率低。
本发明的目的在于提供一种采用CrMnNiMo系奥氏体——铁素体双相钢作为介质材料，将高锰钢辙叉与碳钢钢轨进行闪光焊接的方法。该方法节省能源，生产周期短，自动化程度高，生产效率高。
这种高锰钢辙叉与碳钢钢轨加介质闪光焊接方法，其特征是：采用CrMnNiMo系奥氏体——铁素体双相钢作为介质材料，其工艺过程是：(1)碳钢钢轨预热到200-600℃；(2)介质与碳钢钢轨闪光对焊到一起；(3)焊接接头在800-900℃之间保温10-30分钟去应力退火；(4)将介质切留20-40mm长度；(5)切留介质与高锰钢辙叉闪光焊接；碳钢钢轨焊前预热最佳温度为400℃，介质材料成份(重量％)为：C：≤0.1、Cr：18-20、Mn：4-6、Ni：6-8、Mo：2-3、S+P≤0.04，其余为铁；双相钢中铁素体的含量(重量％)为10％左右：闪光焊接时，闪光速度≥3mm/s，顶锻速度≥100mm/s，顶锻压强≥70Mpa；焊接时各材料伸出长度相等。
将高锰钢辙叉与高碳钢钢轨焊接在一起，在选用介质材料和生产工艺上具有一定的难度。因为钢轨钢在焊接过程中要求缓冷，以防止热影响区内出现马氏体和产生较大的热应力，而高锰钢在焊接过程中热影响区内极易沿奥氏体晶界析出碳化物和发生晶粒长大现象，这都会造成其性能的强烈衰减，因此，要求高锰钢焊接后尽量快冷。另外，两种材料的热胀系数相差较大，直接焊接后将在焊接接头处产生很大的内应力，它不仅降低焊接接头的强度和韧度，而且降低其疲劳寿命。
本发明在于利用介质材料将两种焊接性能完全不同的高锰钢辙叉和碳钢钢轨焊接到一起。其基本原理是介质材料是一种奥氏体—铁素体双相钢，其在后继的受热过程中不易发生晶粒长大和碳化物析出现象，同时其线膨胀系数、熔点、导热系数等物理性能与高锰钢相当。考虑到介质的熔点和导热速度都比碳钢低，为保证焊接接头熔合的充分，先将碳钢钢轨预热至200-600℃，然后焊接。由于介质材料与碳钢的物理性能相差较大，此时地焊接接头内部焊接应力较大，这将严重降低接头的力学性质，因此，要对其进行高温短时去应力退火。然而由于介质中含有能够有效推迟碳化物形成的合金元素Mo，因此在后继的高温短时受热过程中(其中包括闪光焊接和去应力退火)，其组织仍为细小晶粒的奥氏体—铁素体双相组织。由于介质材料和高锰钢的物理性能十分接近，所以在介质与高锰钢辙叉焊接后，焊接接头内部的焊接应力相对较小。另外，由于闪光焊接速度很高，在焊接过程中焊接接头热影响区内的热输入量较小，焊后接头的冷却速度较快，因此，焊后接头在空气中冷却，即可保证高锰钢热影响区内无碳化物析出，从而使整个焊接接头具有优异的力学和使用性能。
本发明充分考虑了两种材料物理性质的本质区别，在焊接前将碳钢进行预热，大大改善了两种材料的焊接效果，并且焊后对焊接接头仅需在800-900℃保温10-30分钟进行去应力退火，就可保证焊接接头的力学性质和使用性能，缩短了工艺周期，提高了生产效率。另外，本发明采用的是奥氏体—铁素体双相钢，其中含有强化基体的元素Mo，这种材料较单相奥氏体具有较高的强度和加工硬化能力，因此双相钢焊接介质在实际使用时，不会出现象当奥氏体焊接介质稍长时而产生的焊接介质部位过早磨损的现象。
本发明所利用的闪光对焊属于高温固相焊接。在固相温度范围由挤压力使金属原子互相接合形成接头。为了实现焊接要求，对焊件必须清除表面的氧化膜和提高接触面的平度，通过较大的塑性变形而达到目的。由于这里采用的介质材料是含Cr、Mn、Ni和Mo较高的奥氏体—铁素体双相钢，这种钢具有高温强度高、导电和导热性差、熔点低、又有大量易形成高熔点氧化物的合金元素，因此，在闪光对焊时，要求有大的顶锻压强，高的闪光和顶锻速度。闪光速度≥3mm/s，顶锻速度≥100mm/s，顶锻压强≥70Mpa。
由于本发明中所选用的介质材料为含Mo的奥氏体—铁素体双相钢，Mo可以推迟奥氏体-铁素体钢中碳化物的析出时间，使介质在焊接和后继的短时高温去应力退火过程中，不至于有碳化物析出，同时它可使介质具有较高的强度和加工硬化性能。
利用本发明制备的高锰钢辙叉与碳钢钢轨焊接件，高锰钢的化学成分一般为C：1.1-1.4，Mn：11-14，其余为Fe和少量杂质，碳钢钢轨的化学成份一般为C：0.6-0.8，Mn：0.6-1.5，其余为Fe和少量杂质，焊接接头的抗拉强度达650Mpa以上，各区域的冲击韧性数值都较高，整轨静弯值为在跨距为1米的条件下静弯载荷为100T时，挠度达22mm以上，抗弯曲疲劳强度达250MPa以上。这些性能指标都能满足实际铁路运输对高锰钢辙叉与碳钢钢轨焊接结构的性能要求。