高碳合金钢轨道焊接技术研究

王兴华

中国核工业第五建设有限公司 上海 201512

1 序言

某核电一期工程去污热检修车间厂房内设计有两种型号的行车运行轨道，轨道作为行车运行的载体，其安装质量对行车的运行有着重要的影响。保证行车轨道安装的质量是对轨道的使用寿命和行车安全运行的重要保障。行车轨道通常选用高碳合金钢材质，其接头的连接一般采用铆接等机械连接方式。某核电一期工程去污检修车间的轨道设计方根据运行条件，接头连接采用焊接的方式，轨道选用碳含量较高的轨道专用钢。轨道作为行车运行的载体，需要保证焊接完成后轨道的平整度满足要求，避免因焊接变形造成行车运行平稳性受到影响。高碳合金钢由于含碳量较高，其焊接性相对较差。因此，轨道焊接时如何保证轨道焊接接头的致密性及焊接变形量是轨道焊接的难点，需要通过采取一系列的措施来确保轨道接头的焊接质量和焊接变形，以保证轨道的最终安装精度质量。

2 轨道情况

去污热检修车间厂房的行车类型分别为32T和100T。其中32T行车的两条轨道设计选用的是QU70轨道钢，轨道的总重量为3.6t，轨道总长度为34.55m，每条轨道由4段不等长的轨道连接而成（见图1）；100T行车的两条轨道设计选用的是A120轨道，轨道的总重量为15t，轨道总长度为76.68m，每条轨道由7段不等长的轨道连接而成。通常采用焊接连接的行车轨道，一般对焊缝表面进行磁粉检测，确保无表面缺陷。去污热检修车间厂房轨道焊接完成后需对焊接接头进行100%的磁粉和超声波检测，确保焊接接头质量。

图1 行车轨道

3 焊接分析

（1）钢轨材料的焊接性 碳对冷裂纹的敏感性最显著，把钢材中合金元素的含量按相当于若干碳含量折算并叠加起来，作为评价钢材冷裂纹倾向的指标，碳当量的数值越大，被焊钢材的淬硬倾向越大，焊接越容易产生裂纹[1]。本文采用碳当量法对轨道焊接性进行分析，两种轨道的化学成分见表1。

表1 轨道化学成分（质量分数） （%）

根据国际焊接学会推荐的用于评定钢材焊接性的碳当量公式，计算这种材料的碳当量：

由计算结果可知，QU70和A120两种轨道的碳当量远大于0.6%，其焊接接头极易产生冷裂纹，焊接性很差。同时由于轨道接头截面极不规则，其焊接内应力远大于钢板对接接头焊缝的应力。因此，高碳合金钢轨道焊接时必须采取预热及消应力的措施，才能保证焊接接头的致密性，避免出现焊接裂纹。

（2）焊接变形 轨道焊接通常不开坡口焊接，即I形坡口焊接，如图2所示。由于轨道接头厚度不均匀变化的特点，焊接过程中热传导的均匀性和焊接变形特点与钢板对接焊缝有所区别。焊接变形是由于温度的不均匀变化导致不同的热胀冷缩产生的变形。轨道焊接时焊接熔池处于液态，与熔池紧邻的金属也会加热到很高的温度，焊接完成后会冷却下来，由于各点处温度不同，冷却速度也不同，在热胀冷缩的影响下，会使轨道产生变形[2]。根据轨道的接头形式特点，首先产生的主要焊接变形为角变形，其次为扭曲变形。针对轨道焊接变形的特点，采取反变形、设置变形控制工装、制定焊接顺序等针对性的变形控制措施确保轨道焊接变形得到合理控制[3]。

图2 轨道接头示意

（3）焊缝熔合特点 轨道不开坡口焊接，轨道截面尺寸大，焊接时熔池铁液的流动作用及润湿性特点，焊缝母材处易出现未熔合。轨道截面尺寸的变化，在焊接时易造成轨道腹部和轨道头部焊缝两侧成形不良，出现塌陷和凹坑等缺陷。针对此特点，在轨道焊接时采取层道间清理、合理的层道焊接顺序、焊接方向控制等措施解决了焊缝未熔合、夹渣和成形不良的问题。

4 焊接工艺

4.1 焊接方法及焊材

轨道位于车间厂房的上部，焊接操作空间较为狭小。通过对轨道焊接的特点和环境条件分析，采用焊条电弧焊进行焊接。根据轨道的接头特点及设计方的要求，轨道焊接用材料按底部、腹部、头部三个部位（见图3）的不同要求选用焊材。轨道的底部、腹部及头部的下部区域采用规格为ϕ3.2mm的E8018-B2焊条；轨道头部的上部区域≥10mm厚度范围内采用规格为ϕ3.2mm的EDPMn4-15耐磨焊条。

图3 轨道焊接接头截面

4.2 组对及防变形工装设置

在轨道下方设置一块保温棉，然后在轨道与保温棉之间设置一铜衬垫，铜衬垫与轨道底部紧密贴合，轨道组对的间隙控制在18~20mm内。为控制轨道产生向上的角变形，预设一定反变形，使轨道的焊缝部位设置距平面10mm的反变形量，并在焊缝两侧位置设置门形工装对焊接变形进行约束。在龙门卡与轨道之间卡上铁楔，同时使用轨道的压板将轨道整体固定牢固，如图4~图6所示。

图4 轨道组对

图5 轨道组对效果

图6 轨道压板

4.3 焊前预热

结合上述轨道焊接性的分析，焊前需对轨道进行预热，确保整个焊接过程中保持最低的预热温度要求，避免出现裂纹。预热时采用火焰加热的方 法，对轨道底部、腹部和头部进行预热，以两段轨道接头处为中心，两侧最少150mm的范围内均匀预热，预热温度≥350℃。在整个焊接过程中保持不低于此预热温度，且预热范围内各处的温度应相对均匀。

4.4 焊接工艺

（1）轨道底部焊接 轨道底部焊接时，采用E8018-B2焊条，具体焊接参数见表2。焊接时，应特别注意及时进行层间清理，每焊完一道后，迅速清除焊渣，避免出现夹渣缺陷，在焊接边缘焊道时，焊条需侧倾，确保母材的熔合。焊接过程中用红外线测温仪监测层间温度，确保层间温度为350～400℃。

（2）轨道腹部焊接 轨道腹部采用E8018-B2焊条焊接，焊接时沿着轨道轮廓焊接。焊接过程中，焊条摆动要均匀，避免焊道垮塌。每焊完一道后，迅速清除焊渣，并用红外线测温仪监测层间温度。轨道腹部的焊接参数见表3。

（3）轨道头部焊接 焊接轨道头部焊缝时，先用E8018-B2焊条进行焊接，焊接要求同腹部焊接。在焊道所在位置距离轨道头部的上表面约10mm时，改用EDPMn4-15焊条焊接。轨道头部的焊接参数见表4。

（4）焊接顺序 为控制焊接变形和避免出现未熔合、夹渣和裂纹等缺陷，需要合理的布置焊接层道和焊接顺序。轨道焊接时，以轨道的中心部位为起点，向两侧焊接，具体焊接方向和层道焊接按①→②→③→④→⑤→⑥先后顺序，如图7所示，每层焊接完成后，及时清理焊渣。

轨道焊接时，不仅要保证单个轨道焊缝焊接完成后焊接变形得到控制，还需保证整根轨道焊接完成后，其整体变形量在合理的范围内。32T轨道焊接时，先焊接A1和A2轨道，再焊接B1和B2轨道，最后焊接A2和B2轨道，焊接顺序为1→2→3，如图8所示。

图7 焊接方向及顺序

表2 轨道底部焊接参数

表3 轨道腹部焊接参数

表4 轨道头部焊接参数

（5）焊后处理 焊接完成后，为避免出现裂纹，立即采用火焰对焊缝加热进行后热处理，加热宽度以焊缝为中心两侧各150mm的范围内。将焊缝加热至600～650℃时，停止加热，采用保温棉将整条焊缝进行包裹，包裹区域以焊缝为中心，两侧各≥300mm予以保温缓冷。

当轨道完全冷却至室温后，拆除工装、保温棉及铜衬垫，沿轨道截面轮廓对轨道接头进行打磨处理使轨道接头平整光滑。

（6）无损检测 焊后热处理完成后，为了检测焊缝是否有冷裂纹等缺陷，将轨道在无拘束状态下放置48h后对焊缝进行磁粉及超声波检测。某核电一期工程去污热检修车间厂房内32T和100T轨道焊后进行磁粉和超声波检测，全部合格，完全满足标准要求。

图8 轨道整体焊接顺序

5 结束语

高碳合金钢轨道由于其含碳量高，接头形状复杂，因此其焊接难度极大。通过对高碳合金钢轨道焊接性和焊接特点进行分析研究，针对焊接接头易出现裂纹、夹渣缺陷及变形控制难度大的特点，通过合理的焊接工艺和变形控制措施，某核电一期工程去污热检修车间厂房内32T和100T轨道焊接完成后进行磁粉和超声波检测完全合格，焊接变形控制满足了设计要求。表明了本文所述焊接工艺及变形控制措施的可行性和可操作性，为同类轨道的焊接提供了借鉴和参考。