貝氏體鋼軌閃光焊接技術(shù)的研究

丁 韋，李 力，高振坤，張 琪，周 燁

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

國外針對(duì)貝氏體鋼軌的研究起步較早，以德國、英國、美國、日本、俄羅斯等為代表，形成了多系列試驗(yàn)產(chǎn)品，其中一些品種經(jīng)過試用取得了良好的效果［1-2］，主要成分為C-Si-Mn-Cr-Mo 系，少數(shù)還添加了Ni，V，B等。按照Si和Mn含量可以大致分為“高Si-高M(jìn)n”、“中 Si-高M(jìn)n”和“低Si-低Mn”系列。日本的上田正治等［3］研究認(rèn)為，貝氏體鋼軌與珠光體鋼軌相比在抗磨損方面并沒有顯示出優(yōu)勢(shì)，相同強(qiáng)度下甚至低于珠光體鋼軌，但在抗表面剝離和黑點(diǎn)（暗斑）缺陷方面顯示出優(yōu)勢(shì)，因此，具有較高的抗表面疲勞損傷性能。我國于2000年后大力開展了貝氏體鋼軌的研究，經(jīng)過近20年的努力，初步發(fā)展出了2個(gè)典型系列［4］：以包鋼為代表生產(chǎn)的貝馬復(fù)相鋼軌和以鞍鋼為代表生產(chǎn)的無碳化物貝氏體鋼軌，從成分上看，分別屬于“中Si-高M(jìn)n”和“高Si-高M(jìn)n”系列。這2種貝氏體鋼軌與珠光體鋼軌相比，不僅強(qiáng)度明顯提高，而且沖擊韌性極好，接近珠光體的10倍，達(dá)到了100 J以上。

貝氏體鋼軌使用初期出現(xiàn)了較多的焊接問題，與珠光體鋼軌相比，其焊接難度大幅度提高。針對(duì)此問題，本文對(duì)“高Si-高M(jìn)n”和“中Si-高M(jìn)n”系列貝氏體鋼軌進(jìn)行閃光焊接頭顯微組織及夾雜物分析，并在此基礎(chǔ)上提出焊接及接頭熱處理工藝優(yōu)化措施，以獲得良好的使用性能。

1 貝氏體鋼軌閃光焊現(xiàn)狀

有關(guān)貝氏體鋼軌的焊接性，張琪等［5］認(rèn)為貝氏體鋼軌在國內(nèi)外已作為道岔部件廣泛應(yīng)用，大大提高了道岔壽命，取得了良好效果；但其無論在母材或者焊接方面都尚存一些問題需要進(jìn)一步優(yōu)化，仍處于試運(yùn)行階段。日本的橫山泰康等［6］研究發(fā)現(xiàn)，“低Si-低Mn”系列貝氏體鋼軌具有較好的焊接性能，并提出了限制Mn 和Si 含量的比值。我國的“高Si-高M(jìn)n”和“中Si-高M(jìn)n”貝氏體鋼軌焊接性并不理想，主要表現(xiàn)為以下3 方面：①焊接過熱區(qū)缺陷較多。閃光焊的過熱區(qū)存在沿奧氏體晶界的成分偏析，不僅顯微組織改變，脆性增加，嚴(yán)重的區(qū)域甚至出現(xiàn)夾雜物或液化裂紋；②閃光焊接頭內(nèi)部的焊接殘余應(yīng)力高并且分布不均勻。由于熱影響區(qū)碳當(dāng)量較高，空冷處理后出現(xiàn)馬氏體組織。而只有0.4～0.6 mm 寬的焊縫由于合金燒損，碳當(dāng)量較低，不出現(xiàn)馬氏體轉(zhuǎn)變。因此，焊縫和過熱區(qū)之間存在內(nèi)應(yīng)力差異，不僅導(dǎo)致接頭內(nèi)部殘余應(yīng)力不均勻，而且使得接頭熱處理十分困難；③焊縫的韌性劇烈下降。一般情況下焊縫與母材相比韌性至少下降1 倍以上，韌性優(yōu)勢(shì)損失相當(dāng)嚴(yán)重。國產(chǎn)2 種貝氏體鋼軌的焊接性能相比，“中Si-高M(jìn)n”的貝氏體鋼軌在落錘和焊縫沖擊韌性方面明顯存在一定優(yōu)勢(shì)，見表1。這一結(jié)果與日本“低Si-低Mn”貝氏體鋼軌的焊接性較高的結(jié)論［6］一致。

表1 貝氏體鋼軌閃光焊接頭落錘及沖擊試驗(yàn)結(jié)果

多年來，我國在貝氏體鋼軌閃光焊接以及接頭熱處理方面進(jìn)行了大量工作，并取得了重要進(jìn)展。通過奧氏體化加熱和空冷熱處理，不僅細(xì)化了過熱區(qū)晶粒，同時(shí)也降低了過熱區(qū)馬氏體組織比例，并減小了接頭的不均勻殘余應(yīng)力。為了進(jìn)一步減小接頭不均勻殘余應(yīng)力，在此基礎(chǔ)上又研究了可用于貝氏體鋼軌閃光焊接生產(chǎn)的回火熱處理工藝及設(shè)備，并在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

2 接頭成分及微觀組織特征

2.1 合金成分對(duì)焊接過熱區(qū)顯微組織影響

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所通過對(duì)貝氏體鋼軌焊接及接頭熱處理工藝的大量研究得出［7］，由于貝氏體鋼軌的Mn 含量較高，焊接過程中容易產(chǎn)生偏析，導(dǎo)致在焊縫以及熱影響區(qū)產(chǎn)生多種焊接缺陷。控制焊接熱輸入可以有效控制焊接過熱區(qū)缺陷的數(shù)量，焊接預(yù)熱次數(shù)控制在10次以下（75 kg/m）或熱輸入控制在5 600 kJ 以下，可以最大程度地消除裂紋，減少過熱區(qū)缺陷的數(shù)量。

1）過熱區(qū)帶狀組織成分偏析

對(duì)貝氏體鋼軌進(jìn)行閃光焊接，然后對(duì)接頭進(jìn)行正火加熱和空冷熱處理。其接頭金屬顯微組織形貌如圖1（a）所示，中間垂直較暗部分為焊縫，兩端的過熱區(qū)出現(xiàn)較亮的帶狀組織——亮帶，與母材的帶狀組織比較，亮帶的亮度明顯提高。對(duì)亮帶區(qū)域放大觀察，發(fā)現(xiàn)亮帶區(qū)域存在一定數(shù)量的馬氏體組織，如圖2（a）所示；而較暗的基體區(qū)域基本為貝氏體組織，如圖2（b）所示。

分別對(duì)亮帶和基體進(jìn)行顯微硬度和能譜成分分析發(fā)現(xiàn)，亮帶區(qū)域的硬度為484 HV，Mn和Cr等合金元素明顯偏高，而基體硬度為390 HV，硬度較低，Mn 和Cr等合金元素也明顯較低，如圖1（b）所示。亮帶與基體中Mn 含量與Cr 含量相比，Mn 含量的差距最大，亮帶的Mn 含量達(dá)到了3.38%，與基體的2.41%相比提高了40%，偏高程度較大。

焊接過熱區(qū)中主要分布在亮帶的馬氏體組織對(duì)該區(qū)域力學(xué)性能的影響是導(dǎo)致接頭的強(qiáng)度和硬度提高，并且韌性下降。一些研究認(rèn)為，作為低碳馬氏體，其沖擊韌性比高碳馬氏體要高很多，因此其韌性下降有限，是一種強(qiáng)度和韌性兼?zhèn)涞慕M織。而事實(shí)亦表明，馬氏體組織含量較高的過熱區(qū)韌性大大高于貝氏體組織的焊縫。然而，馬氏體組織的不均勻分布對(duì)于鋼軌內(nèi)部的殘余應(yīng)力產(chǎn)生較大影響，尤其是不同區(qū)域的不均勻分布對(duì)于輪軌接觸疲勞強(qiáng)度將帶來較大的負(fù)面影響。

圖1 閃光焊過熱區(qū)帶狀組織成分偏析

圖2 接頭過熱區(qū)金屬顯微組織

2）過熱區(qū)奧氏體晶界成分偏析

在焊接過熱區(qū)的局部區(qū)域還可以看到白色條狀形貌，又稱為白色微區(qū)，如圖3（a）所示。對(duì)白色條狀形貌進(jìn)一步放大觀察，得知實(shí)際為奧氏體晶界的成分偏析區(qū)域。對(duì)白色區(qū)域進(jìn)行能譜成分分析，Mn，Cr 等合金元素出現(xiàn)嚴(yán)重偏析，其中，Mn 偏析更為嚴(yán)重，達(dá)到了4.73%，提高接近1 倍。偏析區(qū)域的金屬顯微組織幾乎全部為馬氏體。在白色區(qū)域的中心位置存在著黑色點(diǎn)狀形貌，如圖3（b）所示，對(duì)其進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果為MnS 夾雜物。由此可見，Mn 在奧氏體晶界的偏析是構(gòu)成過熱區(qū)白色條狀組織和夾雜物缺陷的主要原因，偏析嚴(yán)重時(shí)，在掃描電鏡下可以直接觀察到液化裂紋。

圖3 閃光焊過熱區(qū)奧氏體晶界成分偏析

通過不斷優(yōu)化焊接工藝缺陷已經(jīng)得到了有效控制，但尚無法徹底消除。這類缺陷可以通過超聲波探傷檢出。由于缺陷尺寸很小，一般并不超標(biāo)，但與珠光體接頭比較，雜波明顯增多。

3）焊縫夾雜物（灰斑）

貝氏體鋼軌有時(shí)也可發(fā)現(xiàn)灰斑缺陷，如圖4所示。對(duì)灰斑夾雜物進(jìn)行能譜成分分析，發(fā)現(xiàn)主要成分為O，Mn 和Si，比例分別為40%，21%和19%。焊縫夾雜物以O(shè)，Mn 和Si 這3 種成分為主的情況與珠光體鋼軌大致一致，但貝氏體灰斑夾雜物還有少量其他成分，要復(fù)雜一些。

圖4 焊縫夾雜物形貌

貝氏體焊縫灰斑成分同樣以Mn 和Si 為主，說明Mn 和Si 是形成灰斑的重要成分，因此降低Mn 和Si 含量對(duì)改善貝氏體鋼軌閃光焊性能十分必要，對(duì)提高接頭落錘性能和沖擊強(qiáng)度起著至關(guān)重要的作用。目前我國的貝氏體鋼軌主要以“中Si-高M(jìn)n”和“高Si-高M(jìn)n”為主，因此，材料的焊接性能不足，落錘性能與“低Si-低Mn”珠光體鋼軌相比存在一定差距，其中“中Si-高M(jìn)n”貝氏體鋼軌要明顯優(yōu)于“高Si-高M(jìn)n”貝氏體鋼軌。從焊接接頭的使用情況看，“中Si-高M(jìn)n”貝氏體鋼軌并未發(fā)現(xiàn)由灰斑引起的焊縫失效，這一方面說明灰斑的比例很小，另一方面說明灰斑對(duì)接頭使用性能的影響十分有限。

2.2 接頭力學(xué)性能對(duì)比

上述3 種存在于焊縫及熱影響區(qū)的缺陷，其中過熱區(qū)帶狀成分偏析和過熱區(qū)奧氏體晶界成分偏析是貝氏體鋼軌焊接所特有的，而焊縫夾雜物是貝氏體鋼軌和珠光體鋼軌焊接都有的。由于貝氏體鋼軌焊接存在更多樣的缺陷，因此對(duì)接頭力學(xué)性能的影響會(huì)出現(xiàn)新的變化。為此，對(duì)貝氏體鋼軌焊接接頭的力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究，并與珠光體鋼軌焊接進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)［8-9］，貝氏體接頭經(jīng)過熱處理后，其強(qiáng)度與母材基本在同一水平，但塑性下降明顯，下降了接近50%，而珠光體鋼軌下降較小，只下降了34%。貝氏體鋼軌焊縫沖擊韌性下降更為巨大，如果按照母材沖擊功為100 J 計(jì)算，焊縫可下降2 倍以上。珠光體鋼軌焊縫沖擊功與其母材十分接近，基本在同一水平，但是珠光體鋼軌母材的沖擊功并不高，一般只有十幾焦耳。因此，從絕對(duì)值看，貝氏體鋼軌焊縫沖擊功與珠光體鋼軌焊縫大致相同，其中，“中Si-高M(jìn)n”貝氏體鋼軌沖擊功還略高一些。對(duì)接頭進(jìn)行拉伸和中頻脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)，結(jié)果表明：貝氏體鋼軌由于強(qiáng)度較高，其疲勞極限和抗拉強(qiáng)度均優(yōu)于珠光體鋼軌。

2.3 現(xiàn)場應(yīng)用存在的問題

貝氏體鋼軌接頭的總體力學(xué)性能并不低于珠光體鋼軌，落錘試驗(yàn)也能順利通過。但在重載線路的鋪設(shè)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，貝氏體鋼軌閃光焊接頭經(jīng)過一段時(shí)間的使用后，鋼軌軌頂踏面以下2～5 mm 區(qū)域出現(xiàn)微觀水平裂紋。

3 焊縫水平裂紋

3.1 焊縫水平裂紋特征

貝氏體鋼軌閃光焊接頭經(jīng)過約0.5億t的運(yùn)量后，采用5M K2.5 探頭對(duì)接頭探傷，發(fā)現(xiàn)大約15%焊接接頭的軌頂光帶下方的焊縫出現(xiàn)超聲波探傷反射，手檢反射波在Φ3-6 dB 以下，沿焊縫兩側(cè)探傷情況有一些差異，但均能發(fā)現(xiàn)傷波。圖5為閃光焊接頭探傷發(fā)現(xiàn)的焊縫水平裂紋。對(duì)探傷出現(xiàn)傷波的部位沿鋼軌縱向垂直解剖，并在顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)水平裂紋位于軌頂下5 mm 的焊縫處，如圖6所示。通過批量的解剖分析發(fā)現(xiàn)，裂紋在焊縫的無缺陷處萌生，隨著時(shí)間的推移逐漸向焊縫兩端沿水平方向擴(kuò)展。在裂紋擴(kuò)展過程中，裂紋兩側(cè)會(huì)誘發(fā)金屬顯微組織轉(zhuǎn)變，形成馬氏體組織（圖6中裂紋兩側(cè)出現(xiàn)的白色帶狀組織）。

圖5 焊縫水平裂紋示意

圖6 焊縫及過熱區(qū)水平裂紋放大（距軌頂面5 mm）

由于裂紋屬于無缺陷萌生，并且恰好位于光帶正下方，也就是車輪與鋼軌接觸面的下方，由此認(rèn)為裂紋的產(chǎn)生與車輪的滾動(dòng)接觸應(yīng)力有關(guān)。

3.2 焊縫水平裂紋形成機(jī)理

貝氏體鋼軌閃光焊接完成后，對(duì)接頭進(jìn)行熱處理。熱處理加熱使得焊接接頭奧氏體化。然后對(duì)接頭進(jìn)行冷卻。由于焊接接頭屬于局部加熱，受到接頭兩端低溫鋼軌的散熱影響，冷卻速度相對(duì)較快，即使對(duì)軌頭加了保溫罩，但是接頭硬度仍然明顯高于母材，說明接頭馬氏體含量較高。對(duì)于閃光焊縫，由于焊接使得合金元素?zé)龘p，碳當(dāng)量會(huì)明顯低于母材，相同冷卻速度下，焊縫金屬顯微組織只能得到貝氏體；而接頭過熱區(qū)因馬氏體含量的增高，導(dǎo)致接頭過熱區(qū)不僅硬度增加，同時(shí)體積也會(huì)增大，與焊縫構(gòu)成相關(guān)區(qū)域的體積差異。

圖7為貝氏體鋼軌接頭熱處理后過熱區(qū)膨脹示意?？梢姡河捎谠跓崽幚磉^程中貝氏體鋼軌焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)了大量馬氏體組織，使得體積發(fā)生膨脹；而焊縫由于合金含量低，未發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，因此體積改變較小，其結(jié)果造成焊縫沿垂直方向受到熱影響區(qū)的拉伸。焊縫和熱影響區(qū)的體積不均勻膨脹，使得熱影響區(qū)與焊縫之間產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。當(dāng)軌頂通過車輪時(shí)，距軌頂2～5 mm 焊縫的垂直方向進(jìn)一步受到滾動(dòng)接觸疲勞荷載作用。2 種應(yīng)力的疊加，使焊縫在垂直方向受到脈動(dòng)疲勞荷載，當(dāng)荷載超過焊縫的疲勞極限時(shí)，則出現(xiàn)疲勞裂紋。

圖7 接頭熱處理后過熱區(qū)膨脹示意

4 接頭回火工藝研究

貝氏體鋼軌需要經(jīng)過350～400 ℃的回火。許亞娟等［10］試驗(yàn)結(jié)果表明：“高 Si-高 Mn”貝氏體鋼軌進(jìn)行350 ℃，4 h 回火，可獲得最佳的強(qiáng)度和韌性配合，不僅強(qiáng)度高，且室溫沖擊功大于150 J。熊志強(qiáng)等［11］對(duì)U25CrNi鋼軌進(jìn)行400 ℃，3.3 h回火，可知貝氏體板條尺寸較細(xì)，碳化物析出較少，鋼中內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步釋放，試驗(yàn)鋼的延伸率及平均沖擊吸收功達(dá)到最大。楊魯明［12］對(duì)“高 Si-高 Mn”貝氏體鋼軌進(jìn)行 350 ℃，4 h 回火，殘余奧氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變，熱穩(wěn)定性下降。總體來看，貝氏體鋼軌回火熱處理的目的在于促進(jìn)殘余奧氏體轉(zhuǎn)變并提高材料的韌性，這與焊接接頭回火熱處理的目的有所不同。

貝氏體鋼軌閃光焊接頭的回火熱處理與母材回火熱處理存在較大差異，其主要目的是降低接頭的殘余應(yīng)力，提高接頭抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞的強(qiáng)度。回火工藝的研究針對(duì)“中Si-高M(jìn)n”貝氏體鋼軌進(jìn)行，經(jīng)過了3個(gè)發(fā)展階段（見表2）：第1 階段采用330 ℃電熱毯加熱，加熱范圍為整個(gè)接頭。電熱毯加熱的效率較低，時(shí)間較長，難以達(dá)到較高溫度；第2階段采用丙烷噴火槍對(duì)軌頭踏面進(jìn)行加熱，溫度提高到480 ℃。這一方法的采用明顯降低了焊縫出現(xiàn)水平裂紋的數(shù)量，但仍然會(huì)少量出現(xiàn)；第3階段采用接頭整體回火的方式，加熱溫度為500 ℃。為此研發(fā)了專用的整體回火熱處理設(shè)備（圖8），并應(yīng)用于60 kg/m 貝馬復(fù)相鋼軌閃光焊接頭的回火熱處理。由于整體加熱，可進(jìn)一步降低閃光焊接頭的殘余應(yīng)力，提高接頭質(zhì)量。有關(guān)接頭整體回火質(zhì)量的跟蹤工作還在進(jìn)行之中。

表2 “中Si-高M(jìn)n”貝氏體鋼軌焊接接頭回火工藝發(fā)展

圖8 回火機(jī)模型

5 結(jié)論

1）貝氏體鋼軌閃光焊的焊接性與材質(zhì)中的Mn 和Si 含量成反比，降低Mn 和Si 含量有利于提高貝氏體鋼軌的焊接性，從而提高焊縫韌性和接頭落錘強(qiáng)度。

2）貝氏體鋼軌焊縫及熱影響區(qū)出現(xiàn)的過熱區(qū)帶狀成分偏析、過熱區(qū)奧氏體晶界成分偏析和焊縫夾雜物（灰斑）缺陷均與Mn 含量密切相關(guān)，對(duì)接頭韌性會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)面影響，但總體力學(xué)性能與珠光體鋼軌相當(dāng)，其中，接頭拉伸強(qiáng)度、硬度和疲勞強(qiáng)度高于珠光體鋼軌。

3）貝氏體鋼軌焊接熱影響區(qū)空冷處理后出現(xiàn)馬氏體組織是造成焊縫和過熱區(qū)存在較高殘余應(yīng)力的主要原因，該殘余應(yīng)力降低了接頭的滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度，使得部分接頭出現(xiàn)焊縫水平裂紋。

4）對(duì)接頭進(jìn)行回火熱處理可以降低殘余應(yīng)力。對(duì)接頭采用整體加熱500 ℃，3～5 min 的回火工藝，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用證明，可大幅度降低焊縫水平裂紋的數(shù)量。