高錳鋼與鋼軌的閃光焊接環(huán)狀缺陷研究

王振偉 姜志昆 劉振剛

1. 概述

為滿足鐵路高速運(yùn)營的需求，實(shí)現(xiàn)夸區(qū)間無縫線路，高錳鋼與鋼軌的焊接是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)外研究將兩者焊接在一起的方法主要有鋁熱焊、窄間隙電弧焊、焊條電弧焊、加中間介質(zhì)二次閃光焊等，其中加介質(zhì)的閃光焊接效果最好，質(zhì)量穩(wěn)定、焊接效率高，成為了國內(nèi)廠焊高錳鋼與鋼軌的首選。在理想條件下，高錳鋼閃光焊接后在錳鋼熔合區(qū)會(huì)產(chǎn)生少量的誘發(fā)馬氏體，熱影響區(qū)無熱裂紋和碳化物析出，但在工廠大規(guī)模實(shí)際生產(chǎn)中，隨著焊接產(chǎn)品數(shù)量的增多，焊縫也暴露出了一些缺陷。由于高錳鋼為鑄造產(chǎn)品，因此高錳鋼焊縫一側(cè)出現(xiàn)的問題比鋼軌焊縫一側(cè)要多，主要有由于高錳鋼本身鑄造缺陷導(dǎo)致焊后的缺陷及受到焊接熱影響而導(dǎo)致焊后的缺陷。

本文通過工藝試驗(yàn)、宏觀微觀分析等，就高錳鋼一側(cè)焊縫附近出現(xiàn)的環(huán)狀缺陷（此種缺陷表現(xiàn)為：著色探傷后在錳叉與介質(zhì)熔合線附近有一定寬度的紅色斑點(diǎn)，出現(xiàn)位置多為軌頭，嚴(yán)重的可能出現(xiàn)在軌腰和軌底）進(jìn)行分析研究，探索缺陷出現(xiàn)的原因、缺陷對錳叉使用壽命的影響及缺陷的判定原則，減少實(shí)際生產(chǎn)中的報(bào)廢率，節(jié)約成本。

2. 試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)材料 試驗(yàn)用高錳鋼采用電弧爐熔煉、酯硬化方式鑄造而成，鑄造后還需要經(jīng)過1 050℃水韌處理；中間介質(zhì)采用低碳Cr-Ni不銹鋼；鋼軌為熱軋狀態(tài)，試驗(yàn)材料的成分如附表所示。

試驗(yàn)材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）

圖1 跟端試件（有缺陷）

（2）焊接設(shè)備 采用進(jìn)口設(shè)備Schlatter—GAA100焊機(jī)，將高錳鋼、中間介質(zhì)與鋼軌進(jìn)行預(yù)熱閃光焊接。

（3）試驗(yàn)試樣 本試驗(yàn)將鑄造高錳鋼轍叉趾跟端分別與PD3鋼軌閃光焊接，經(jīng)焊接打磨后進(jìn)行滲透探傷，將探傷后有環(huán)狀缺陷的焊縫（跟端焊縫）和無環(huán)狀缺陷的焊縫（趾端焊縫）分別鋸切進(jìn)行對比觀察試驗(yàn)，試件長度200mm，介質(zhì)兩側(cè)各100mm。有環(huán)狀缺陷的跟端焊縫如圖1所示，無環(huán)狀缺陷的趾端焊縫如圖2所示。試驗(yàn)中又分別將兩個(gè)對比試件按一定規(guī)則切割為多個(gè)小試樣進(jìn)行分段觀察。

（4）試樣切割及編號規(guī)則 試件的編號：跟端試件編號為1#、趾端試件編號為2#，每個(gè)試件分別分為軌頭、軌腰、軌底三個(gè)部分。將軌頭、軌底按距離焊縫位置分為多個(gè)部分，其編號分別為1-1-1～2-3-1，第一個(gè)數(shù)字1表示1號試件，第二個(gè)數(shù)字1表示軌頭，第三個(gè)數(shù)字1表示第幾個(gè)切片。如編號1-1-1表示1#（跟端）試件軌頭的第一個(gè)試件。每個(gè)試件切割位置如圖3所示。

試樣的制備和腐蝕：將兩試樣按切割規(guī)則鋸切后，用磨床將試件打磨，經(jīng)拋光后將試樣腐蝕，然后用OLYMPUS GX51 金相顯微鏡對接頭組織、晶粒大小、晶界上碳化物析出情況等進(jìn)行觀察分析。

（5）試樣結(jié)果及分析 跟端試件分析結(jié)果：跟端試件的第一個(gè)切片顯微照片如圖4所示。

從跟端第一個(gè)切片上看試件整體晶粒大，晶界上分布混晶。切片軌頭下部和軌底的中部位置組織異常，分布著未熔碳化物、過熱碳化物。表明試件軌頭軌底中心處受熱嚴(yán)重，碳化物析出嚴(yán)重，試件上下部由于風(fēng)冷作用，有較輕分布的碳化物。

跟端試件其他切片采用相同辦法分析，其分析結(jié)果如下：

距離熔合線15～20mm1#試件的第二個(gè)切片整體晶粒大，晶界上無混晶。切片軌頭角部和軌底的中心位置組織異常，分布著未熔碳化物、過熱碳化物，與第一個(gè)切片類似，表明試件軌頭、軌底中部受熱嚴(yán)重，試件其他位置由于強(qiáng)制風(fēng)冷作用，因此碳化物析出較中部少很多。

圖2 趾端試件（無缺陷）

圖3 趾跟端試件切片示意

圖4 跟端試件第一個(gè)切片各位置顯微照片

分析距離焊縫3 0m m處1#試件的第三個(gè)切片整體晶粒大，晶界上無混晶。切片軌頭中部存在疏松缺陷，軌底的中心位置組織異常，分布局部過熱碳化物。金相組織雖表明切片中心處受熱較重，碳化物析出較重，但與第一個(gè)、第二個(gè)切片相比，碳化物析出減輕，析出面積明顯減小。

分析距離焊縫50 mm以外的第四、第五切片整體晶粒度大，無混晶。試件整體無明顯碳化物析出，表明高錳鋼母體在距離焊縫50mm以外的位置受焊接熱影響很小，組織不會(huì)發(fā)生明顯變化。

趾端試件的分析結(jié)果：趾端試件第一個(gè)切片顯微照片如圖5所示。

趾端距離焊縫5mm處的第一個(gè)切片顯示：試件整體晶粒小、均勻，局部位置存在少量混晶，碳化物析出情況較跟端試件輕的多，切片中心位置局部稍重，碳化物析出呈斷續(xù)。

趾端試件其他切片采用相同辦法分析，其分析結(jié)果如下：

趾端距離焊縫15mm處的第二個(gè)切片顯示：試件整體晶粒小，晶粒較均勻，無混晶。試件碳化物整體析出較輕，析出寬度明顯比跟端小，個(gè)別晶粒析出偏多，呈斷續(xù)分布。

趾端距離焊縫30mm處的第三個(gè)切片顯示：試件晶粒小，無混晶。切片上部碳化物析出輕，將試樣放大至500倍時(shí)個(gè)別晶粒發(fā)現(xiàn)有呈斷續(xù)分布碳化物析出。

趾端距離焊縫40mm以外的4#、5#、6#切片顯示：試件晶粒小、均勻，無混晶，無明顯碳化物析出，表明此位置已經(jīng)不受焊接熱影響。

趾端、跟端試樣結(jié)果對比分析：由于通過著色檢測跟端出現(xiàn)沿軌頭分布的環(huán)狀缺陷，而趾端無缺陷顯示，對比兩者的晶粒度大小、晶粒形態(tài)及受焊接熱影響碳化物析出程度，分析得出以下判斷。

第一，由于鑄造工藝影響，跟端晶粒尺寸大，趾端晶粒度尺寸小。

第二，在高錳鋼一側(cè)焊縫近縫區(qū)存在混晶現(xiàn)象，局部位置有柱狀晶。

第三，在實(shí)際生產(chǎn)中，由于受到各種因素的影響，高錳鋼閃光焊接時(shí)可能在局部位置出現(xiàn)碳化物析出。相對于一個(gè)鋼軌形狀斷面而言，中心位置碳化物析出比邊緣嚴(yán)重，這是因?yàn)楦咤i鋼焊后中心位置冷卻速度最慢，碳化物析出時(shí)間較長。

第四，環(huán)狀缺陷顯示與碳化物析出有關(guān)，當(dāng)析出量少，著色探傷無缺陷顯示；當(dāng)析出量嚴(yán)重并呈現(xiàn)一定寬度時(shí)，著色探傷表現(xiàn)為沿?cái)嗝娣植嫉沫h(huán)狀缺陷。

第五，高錳鋼焊接后，每個(gè)晶粒上碳化物的析出程度與晶粒大小有關(guān)。

（6）環(huán)狀缺陷對高錳叉轍叉運(yùn)行壽命的影響 為驗(yàn)證當(dāng)高錳鋼焊縫一側(cè)有少量碳化物析出時(shí)對錳叉使用壽命的影響，選取了一個(gè)具有環(huán)狀缺陷的高錳鋼焊接轍叉進(jìn)行實(shí)物疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)為：試驗(yàn)載荷62.5k N/312.5kN、支距0.8m、頻率4Hz、載荷比0.2、試驗(yàn)周期200萬次。疲勞試驗(yàn)結(jié)果為：200萬疲勞加載后不斷，未發(fā)現(xiàn)裂紋。此疲勞試驗(yàn)說明，環(huán)狀缺陷與錳叉的運(yùn)行壽命無因果關(guān)系。

（7）環(huán)狀缺陷的建議判定原則 由于實(shí)際生產(chǎn)中會(huì)出現(xiàn)環(huán)狀缺陷的問題，若一味的對出現(xiàn)缺陷的錳叉判廢勢必造成成本的極大浪費(fèi)，同時(shí)影響正常的生產(chǎn)秩序，因此應(yīng)根據(jù)環(huán)狀缺陷的嚴(yán)重程度進(jìn)行驗(yàn)收判定。建議：進(jìn)行滲透探傷時(shí)，當(dāng)環(huán)狀缺陷顯示為彼此連接的炸裂狀時(shí)，焊縫判廢；當(dāng)滲透顯示出輕微的缺陷顯示，且組成缺陷的各點(diǎn)有一定間距時(shí)，焊縫可讓步接收。

圖5 趾端試件第一個(gè)切片各位置顯微照片

3. 結(jié)語

通過對高錳鋼與鋼軌環(huán)狀缺陷的詳細(xì)研究，對今后相關(guān)產(chǎn)品的焊接施工提供了一定的參考價(jià)值。