U71Mn鋼軌的焊接過熱敏感性分析

張銘達(dá)

(中國鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司工務(wù)處，遼寧沈陽 110001)

U71Mn鋼軌的焊接適合采用較小加熱量、較小頂鍛量的焊接工藝，但是這種工藝存在沖擊性能不高、伸長率較低、斷面比較平的問題。為了得到較高的沖擊性能，一般采取加大加熱量和頂鍛量的辦法，使落錘斷口為保持一定撕裂狀的準(zhǔn)解理斷口。但是，一旦加熱總量增加后，會出現(xiàn)落錘次數(shù)、平均灰斑面積等和沖擊性能密切相關(guān)的指標(biāo)明顯下降的現(xiàn)象。

U71Mn和U75V鋼軌焊接接頭2015—2017年落錘及斷口抽樣檢查一次不合格率的統(tǒng)計(jì)情況見表1。

表1 2015—2017年落錘及斷口一次不合格率統(tǒng)計(jì) %

由表1可知，與U75V鋼軌相比，U71Mn鋼軌的焊接接頭存在落錘及斷口抽樣檢查一次合格率偏低的問題。針對此問題，近年來各焊軌基地作了大量工作，試驗(yàn)了多種焊接工藝參數(shù)，探索了不同的預(yù)熱次數(shù)、不同的頂鍛力范圍和不同的頂鍛量范圍，但是對于U71Mn鋼軌的灰斑控制和落錘檢驗(yàn)結(jié)果仍不如U75V鋼軌好。考慮到錳鋼鋼軌有較明顯的過熱敏感性[1-2]，本文試圖從焊接接頭受熱狀態(tài)的角度，分析U71Mn鋼軌和U75V鋼軌之間的差別，找到U71Mn鋼軌焊接質(zhì)量波動的原因所在。

1 基本定義

考慮到不同材料在受熱過程中，過熱到一定程度時(shí)可能導(dǎo)致不同的焊接性能，從能夠表征焊接總加熱程度的角度出發(fā)，分別采用加熱程度指數(shù)和焊接過熱敏感性2個(gè)指標(biāo)，來表征不同加熱程度對焊接性能的影響。

1.1 加熱程度指數(shù)

加熱程度指數(shù)H的設(shè)置條件是假定焊接接頭加熱程度和頂鍛量成正比，和頂鍛力成反比。實(shí)際上三者之間的相關(guān)關(guān)系可能更復(fù)雜，但考慮到頂鍛量對于加熱程度的影響是正面的，頂鍛力對于加熱程度的影響是負(fù)面的，因此這里僅簡化為正反比關(guān)系。

加熱程度指數(shù)H的計(jì)算公式為

1.2 焊接過熱敏感性

焊接過熱敏感性是指鋼材加熱時(shí)奧氏體晶粒急劇長大的特性，奧氏體晶粒長大通常導(dǎo)致鋼材的機(jī)械性能降低，特別是沖擊韌性變差。鋼軌的焊接過熱敏感性是指隨著加熱程度的增加，不同軌種的鋼軌出現(xiàn)過熱粗晶組織、成份偏析、氧化物和夾雜物偏多、灰斑面積增大等現(xiàn)象，從而導(dǎo)致沖擊性能降低的程度。

2 加熱程度指數(shù)的影響分析

分析加熱程度指數(shù)對鋼軌焊接質(zhì)量的影響時(shí)，主要考慮落錘次數(shù)、沖擊功、平均灰斑面積、抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率6項(xiàng)性能指標(biāo)。

2.1 基本數(shù)據(jù)

U71Mn鋼軌和U75V鋼軌的落錘次數(shù)、沖擊功、平均灰斑面積、抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率的基本數(shù)據(jù)均取自2016年各焊軌基地檢查數(shù)據(jù)中的總體均值。而加熱程度指數(shù)H計(jì)算時(shí)所使用的頂鍛力、頂鍛量取自各焊軌基地參加檢查的相應(yīng)軌型的典型工藝參數(shù)所對應(yīng)的數(shù)值，并非所有數(shù)據(jù)的均值。

按照式(1)計(jì)算出各焊軌基地典型焊接工藝的加熱程度指數(shù)。經(jīng)過計(jì)算，U71Mn鋼軌的加熱程度指數(shù)H在21.15～43.28，U75V鋼軌的加熱程度指數(shù)H在22.32～44.29。將加熱程度指數(shù)H分為21≤H＜29，29≤H＜37，37≤H＜45共3檔，得到加熱程度指數(shù)和主要性能指標(biāo)間的關(guān)系，見表2、表3。

表2 U71Mn鋼軌加熱程度指數(shù)和主要性能指標(biāo)間關(guān)系

表3 U75V鋼軌加熱程度指數(shù)和主要性能指標(biāo)間關(guān)系

2.2 U71Mn鋼軌加熱程度指數(shù)和主要性能指標(biāo)的關(guān)系

為了便于分析比較，下列各圖中各主要性能指標(biāo)省略單位。

2.2.1 U71Mn鋼軌加熱程度指數(shù)和落錘次數(shù)、平均灰斑面積的關(guān)系

U71Mn鋼軌加熱程度指數(shù)和落錘次數(shù)、平均灰斑面積的關(guān)系如圖1所示。可知，隨著加熱程度的提高，U71Mn鋼軌的落錘次數(shù)下降，平均灰斑面積增加。

圖1 U71Mn鋼軌加熱程度指數(shù)和落錘次數(shù)、平均灰斑面積關(guān)系

2.2.2 U71Mn鋼軌加熱程度指數(shù)和沖擊功的關(guān)系

U71Mn鋼軌加熱程度指數(shù)和沖擊功的關(guān)系如圖2所示。可知，隨著加熱程度的提高，U71Mn鋼軌的沖擊功增加。

圖2 U71Mn鋼軌加熱程度指數(shù)和沖擊功的關(guān)系

2.2.3 U71Mn鋼軌加熱程度指數(shù)和抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率的關(guān)系

U71Mn鋼軌加熱程度指數(shù)和抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 U71Mn鋼軌加熱程度指數(shù)和抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率的關(guān)系

由圖3可知，隨著加熱程度的增加，U71Mn鋼軌的抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率等靜態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)主要呈波動性的特征，而不是明顯增加的趨勢。

2.3 U75V鋼軌加熱程度指數(shù)和主要性能指標(biāo)的關(guān)系

2.3.1 U75V鋼軌加熱程度指數(shù)和落錘次數(shù)、平均灰斑面積的關(guān)系

U75V鋼軌加熱程度指數(shù)和落錘次數(shù)、平均灰斑面積的關(guān)系如圖4所示。

圖4 U75V鋼軌加熱程度指數(shù)和落錘次數(shù)、平均灰斑面積的關(guān)系

從圖4可知，U75V鋼軌隨著加熱程度的提高，落錘次數(shù)有所提高，這是由于U75V鋼軌比U71Mn鋼軌紅硬性好；頂鍛時(shí)U75V鋼軌焊口中灰斑的金屬容易被擠出，導(dǎo)致平均灰斑面積呈下降趨勢。U75V鋼軌的落錘次數(shù)和平均灰斑面積的變化規(guī)律與U71Mn鋼軌正好相反。

2.3.2 U75V鋼軌加熱程度指數(shù)和沖擊功的關(guān)系

U75V鋼軌加熱程度指數(shù)和沖擊功的關(guān)系如圖5所示。

圖5 U75V鋼軌加熱程度指數(shù)和沖擊功的關(guān)系

從圖5可知，隨著加熱程度的提高，U75V鋼軌的沖擊功呈下降趨勢。這是由于隨著加熱程度的提高，焊口金屬的晶粒呈增大趨勢，沖擊韌性變差。

2.3.3 U75V鋼軌加熱程度指數(shù)和抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率的關(guān)系

U75V鋼軌加熱程度指數(shù)和抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率的關(guān)系如圖6所示。

圖6 U75V鋼軌加熱程度指數(shù)和抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率的關(guān)系

從圖6可知，隨著加熱程度的提高，U75V鋼軌的抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率等靜態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)以逐漸增加為主要趨勢，這與U71Mn鋼軌的靜態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)主要呈波動性的特征不同。

3 U71Mn和U75V鋼軌焊接過熱敏感性對比

3.1 不同加熱程度的U71Mn和U75V鋼軌落錘次數(shù)、平均灰斑面積對比

對比圖1、圖4可知，U71Mn鋼軌隨著加熱程度的提高，落錘次數(shù)下降，平均灰斑面積增加；而U75V鋼軌隨著加熱程度的提高，落錘次數(shù)有所提高，平均灰斑面積則減少，這與U71Mn鋼軌的規(guī)律正相反。此現(xiàn)象說明U71Mn鋼軌存在明顯的焊接過熱敏感性。

3.2 不同加熱程度的U71Mn和U75V鋼軌沖擊功對比

對比圖2、圖5可知，U71Mn鋼軌隨著加熱程度的增加沖擊功有所增加，落錘性能下降，而U75V鋼軌隨著加熱程度的增加沖擊功有所降低，落錘性能上升，即不管是U71Mn鋼軌還是U75V鋼軌都顯示出落錘性能與沖擊功呈一定程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這一點(diǎn)U75V鋼軌表現(xiàn)得更明顯。

3.3 不同加熱程度的U71Mn和U75V鋼軌抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率的對比

由圖3、圖6可知，隨著加熱程度的提高，與U75V鋼軌相比，U71Mn鋼軌的抗拉強(qiáng)度、靜彎值、伸長率3個(gè)靜態(tài)強(qiáng)度指標(biāo)均呈現(xiàn)出更多的波動性，但其變化相對沖擊指標(biāo)不明顯。

4 U71Mn鋼軌焊接過熱敏感性原因分析

4.1 鋼軌材質(zhì)

U71Mn鋼軌中錳的作用主要是強(qiáng)化鐵素體從而提高鋼的強(qiáng)度，但是，在鋼軌焊接過程中錳會引起晶粒粗大、脆性增加。晶粒粗大將降低鋼的性能，提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，從而增加過熱的可能性[3]，粗大而不均勻的晶粒還會使超聲波探傷時(shí)出現(xiàn)草狀波。另外，U71Mn鋼軌中A類夾雜物控制不嚴(yán)，加熱總量較大時(shí)會造成焊接過程中MnS非金屬夾雜物的充分析出，影響焊接接頭性能[4]。而U75V鋼軌中的釩在鋼中以碳化物V4C3的形態(tài)存在，起著細(xì)化鋼的組織和晶粒、降低鋼的過熱敏感性等作用，焊接時(shí)能細(xì)化焊縫金屬的鑄態(tài)組織，防止熱影響區(qū)內(nèi)靠近融合線的金屬晶粒長大和粗化，同時(shí)釩還可增加鋼的熱強(qiáng)性、紅硬性和耐磨性[5]。

4.2 焊接方法

閃光焊接過程中鋼軌最高加熱溫度在1 300℃以上，高溫導(dǎo)致晶粒粗大和偏析比較嚴(yán)重，在后續(xù)的熱處理環(huán)節(jié)中如不能充分恢復(fù)，則會殘留在焊縫中。

如果采用氣壓焊焊接U71Mn鋼軌，由于氣壓焊最高加熱溫度遠(yuǎn)比閃光焊低得多，在一定程度上避開了U71Mn鋼軌過熱敏感性強(qiáng)的溫度范圍，因此氣壓焊的焊接質(zhì)量可靠性要比閃光焊高[6]。

4.3 焊接工藝

采用連續(xù)閃光焊和預(yù)熱閃光焊等不同方式焊接鋼軌時(shí)，鋼軌焊接過熱敏感性有一定區(qū)別。

連續(xù)閃光焊在焊接過程中既能夠控制燒化電流上限值又能夠控制下限值，尤其是脈動焊工藝，為了提高加熱效率和控制焊接熱影響區(qū)范圍又做了特別的改進(jìn)。相比較而言，預(yù)熱閃光焊采取一定的送進(jìn)速度下限制最大電流值的方式，焊接接頭的加熱總量大部分靠短路預(yù)熱提供，特點(diǎn)是加熱總量多，熱影響區(qū)寬度大。預(yù)熱閃光焊工藝對于焊接過熱敏感性強(qiáng)的鋼軌材質(zhì)來說，控制晶粒粗化和成分偏析的難度比較大，即使采取了比較合理的熱處理工藝也不一定能完全恢復(fù)，會影響到接頭的綜合性能。

數(shù)據(jù)顯示，K系列焊機(jī)焊接U71Mn鋼軌的加熱程度指數(shù)屬于U71Mn鋼軌中偏低的程度，因此，K系列焊機(jī)焊接U71Mn鋼軌的質(zhì)量可靠性更高。K系列焊機(jī)焊接U75V鋼軌的加熱程度指數(shù)屬于U75V鋼軌中偏低的程度，由于U75V鋼軌的加熱程度指數(shù)越高，焊接接頭的落錘性能相對越好，因此，K系列焊機(jī)焊接U75V鋼軌的質(zhì)量有波動。

5 焊接過熱敏感性強(qiáng)的鋼軌需要注意的問題

5.1 在焊接工藝制定過程中需考慮材料的焊接過熱敏感性

通過以上分析可知，U71Mn鋼軌存在比較明顯的焊接過熱敏感性，在制定焊接工藝時(shí)應(yīng)特別注意。有時(shí)候可能會為了追求斷口呈撕裂狀而加大熱輸入量，造成落錘性能的下降，過大的熱輸入量還可能導(dǎo)致灰斑、過燒傾向，甚至導(dǎo)致未焊合等微觀焊接缺陷的增加。對于焊接過熱敏感性更強(qiáng)的材料來說，氣壓焊接方式是值得考慮的。

5.2 有針對性地開展材料的焊接過熱敏感性試驗(yàn)

對于焊接過熱敏感性強(qiáng)的鋼軌，應(yīng)該有針對性地進(jìn)行試驗(yàn)來驗(yàn)證焊接過熱敏感性，在焊接實(shí)踐中不斷摸索規(guī)律和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)論

1)U71Mn鋼軌有明顯的焊接過熱敏感性，鑒于目前U71Mn鋼軌主要用于高速鐵路，為保證其良好的焊接性能，應(yīng)考慮嚴(yán)格控制A類夾雜物。

2)對焊接過熱敏感性強(qiáng)的材料制定焊接工藝時(shí)，要求工藝盡量按照較快的加熱速度和較陡的溫度梯度制定，盡量控制加熱總量，避免過熱。

3)對焊接過熱敏感性強(qiáng)的鋼軌應(yīng)該有針對性地進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證試驗(yàn)。

4)焊接過熱敏感性強(qiáng)的鋼軌的加熱程度指數(shù)和沖擊指標(biāo)的關(guān)系更密切。

5)連續(xù)閃光焊(包括脈動閃光焊)與預(yù)熱閃光焊相比，對鋼軌的焊接過熱敏感性有明顯的適應(yīng)優(yōu)勢；同樣，氣壓焊相對于閃光焊來說也有一定的優(yōu)勢。