某核电站行车轨道用U71Mn钢的 焊接及热处理工艺研究

郭文龙

(福建省锅炉压力容器检验研究院漳州分院， 福建 漳州 363000)

0 前言

U71Mn钢以其高强度、耐疲劳、耐磨损等出色性能，广泛应用于高速铁路用钢轨、起重轨等领域。某核电站行车轨道材料为U71Mn，共有18个接头，采用焊接连接的方式形成无缝钢轨，有效避免了冲击、振动等传统连接方式造成的问题，提高行车使用寿命及保障了运行过程的安全问题。U71Mn 钢为高碳中锰钢，可焊性较差，易出现裂纹。在行车轨道焊接第一次工艺评定中，焊缝出现裂纹，在后续的磁粉检验中被检测出。针对工艺评定结果进行分析，找出原因且对方案进行优化改进，确保了第二次焊接工艺评定取得成功，避免焊接裂纹再次出现。

1 U71 Mn 钢的特性

根据厂家提供的质量证明书， U71Mn钢的化学成分、力学性能如表 1 。

表1 U71Mn钢的化学成分

主要力学性能: σb≥949MPa , σs≥450MPa

依据日本JIS标准碳当量计算公式CE = C+ Mn/6 + Si/24 + Cr/5 + Mo/4 + V/14 +Ni/40，计算出U71Mn钢的CE=0.92。

一般认为碳当量 CE = 0.4% ～0.6% 时，尤其是CE＞0.5%时，钢材易淬硬，表明焊接性已变差，焊接时需预热才能防止裂纹，随板厚增大预热温度要相应提高。而该U71Mn钢的碳当量CE计算值为0.92，远高于0.5。另外在焊接过程中, 母材熔化进入熔敷金属，使焊缝中的含碳量增高，产生高碳马氏体，易产生冷裂纹；焊接材料中的磷、硫等杂质元素控制不当时，也易产生弧坑热裂纹。

针对U71Mn 钢焊接性特点，在工艺评定、现场操作中需采用合理的焊接、热处理工艺来改善焊接性能，以获得合格的焊接接头。

2 第一次焊接工艺评定

2.1 焊接材料

焊材为J70C-1轨道专用焊条，直径Φ=4.0，其化学成分及力学性能如表2。

焊材焊前需经过烘焙（温度为250℃以上，1-2小时）。

2.2 焊接组对

接头形式为I型接头，组对间隙15～23mm。焊接前采取反变形措施，把轨道垫起一定的高度以保证在焊接完毕后，轨道能保证平直。根据以往核电建设施工经验，轨道接口处焊接前用铜板作为接头的垫板垫高约20mm。

表2 J70C-1焊材化学成分

焊前对轨道钢焊接坡口组对区域约20～30mm内的铁锈、氧化物清除并打磨至金属本色，并对坡口进行PT液体渗透检验，确认表面无缺陷后进行组对。

2.3 预热

焊前对轨道焊接接头进行预热，预热采用远红外电加热的方法。加热器围绕轨头，轨腰和轨底，并尽可能贴紧钢轨。钢轨上包裹保温棉，保障预热均匀；

预热温度为 350～400℃，升温速度≤150℃/h。预热长度为焊缝中心线两侧各约150～200 mm。采用红外线测温仪测量预热温度，以靠近轨道焊接接头区域附近的温度为准。达到预热温度后，开始焊接。

2.4 焊接

焊接中采用直流焊机且反接，焊接参数为：电流160～260A、电弧电压20～26V、焊接速度60～120mm/min。焊接轨底、轨腰两侧时可用铜板作为侧垫。

轨道对接焊缝分三层，如图 1。

图1 焊接接头分层示意图

第一层焊缝焊接：轨道接头处底部垫厚 5～8mm的铜板，以保证底部成型良好。两轨道底部之间的组对间隙为15～20mm，焊接电流170～190A。

第二层焊缝焊接：清除底部填充焊接的焊渣，焊接前在轨道两侧面采用铜板端头作为侧垫，铜板与轨道的间隙为3～5mm，侧垫铜板随着轨道腰部焊接焊缝高度提升而上升。其间隙可在焊接中用直径φ4.0焊条进行控制，一般情况下，轨道截面小时，间隙取小值；轨道截面大时，间隙取大值，以便焊接中的熔渣流出。焊接时焊条在焊缝中间引弧，并采用回焊法收弧，焊接电流200～260A。

第三层焊缝焊接：采用70C-1焊条进行堆焊，堆焊高度应高于母材约2～3mm，焊接电流200～260A。堆焊层在接头消应力热处理冷却至室温后，打磨至与轨道光滑过渡。

焊接过程中应随时检查接头的变形情况。焊缝焊接完成后都必须把焊渣清除干净后才能继续施焊。接头应尽可能一次性焊接完，如被迫中断或是需要更换焊条，此时要采取适当的措施对焊缝进行缓冷；再次启动焊接，焊缝层间温度应不低于最低预热温度，避免产生裂纹。

接头焊缝完成后必须清除所有焊渣，并立即修补所有焊接缺陷和其他不平整处。轨道焊接及修补完工以后，反变形的垫板才能全部抽出。

2.5 焊后热处理

采用远红外电加热的方法进行加热，恒温温度为600～650℃，时间为1小时。热处理恒温结束后，采用保温材料进行保温，使其缓慢冷却，降温速度≤150℃/h。

2.6 验收标准

2.6.1 表面外观

焊缝表面力求成形美观，焊缝边缘应光滑过渡到母材；轨道表面焊缝应与母材平齐且不得低于母材。

2.6.2 无损检验

热处理完毕24小时之后进行100%磁粉检验，焊缝表面不允许有任何裂纹。

2.6.3 控制变形

轨道接头处高低差应小于1mm，轨道侧向不平度小于1mm，且平滑过渡。

2.7 评定结果

磁粉检验的结果显示，在轨道焊缝底部发现了多处裂纹，焊缝打磨至低于母材时仍未能消除，判断为穿透性裂纹。

3 原因分析

3.1 结构因素的影响

轨道焊缝接头形式为I字型对接接头，接头应力较大，焊接中焊缝不均匀受热、接头组织相变引起的应力相互叠加，极易产生裂纹。

3.2 内部组织的影响

相关文献表明，室温下轨道U71Mn钢焊缝组织为高碳马氏体，具有强度、硬度高，易淬硬的特点，且焊缝中存在显微裂纹。第一次焊接工艺评定的预热温度过低，加之单根轨道长度较长、散热较快也产生一定程度不利影响；焊后热处理的时间较短，亦不利于应力释放、氢的扩散，因而微观缺陷易扩展形成冷裂纹。后续改进中，应当从这两个方向着手进行改善。

4 第二次焊接工艺评定

4.1 评定方案改进

针对以上原因分析，在第一次焊接工艺评定方案的基础上，进行了相应的改进，具体如下：

（1）提高预热温度及恒温时间，从原来的350～400℃、无恒温时间，改进为预热至490℃、恒温0.5～1小时后开始焊接。

（2）增加焊后热处理的时间，从原来的恒温1小时，改进为恒温2小时，然后采用保温材料进行保温，使其缓慢冷却，以利于焊缝中氢的扩散逸出，同时也改善了接头的应力状况。

4.2 评定结果

为了检验焊接方案改进后的效果，磁粉检验选在热处理完毕120h后进行。结果表明，未发现裂纹，且轨道U71Mn钢接头其余力学性能、宏观金相检验亦符合质量技术要求，第二次工艺评定取得成功。

5 结束语

（1） U71Mn为高碳锰钢，焊接时必须保证温度的均匀性，不能骤冷骤热。

（2）轨道用 U71Mn钢可焊接性较差，需要特别注意对焊接、热处理工艺参数进行控制。选择较高的预热温度，增加预热、热处理时间等措施有利于焊缝中应力释放、扩散氢的逸出，改善了接头状况，防止U71Mn钢裂纹的产生。

（3）经过改进，优化焊接热工艺参数，U71Mn钢焊接质量稳定，各项指标符合核电站相关技术标准。对后续同类轨道钢材焊接有借鉴作用。

[1]崔忠圻.金属学与热处理[M]. 北京:机械工业出版社，2001

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