鋼軌焊接接頭晶粒度探討

陳海田

摘要：文章通過對熱處理線圈、熱處理工藝參數(shù)中的終了溫度和功率參數(shù)的分析和試驗，探討了三者和焊接接頭晶粒度的關系，選擇了合適的線圈和熱處理工藝參數(shù)，最終鋼軌焊接接頭晶粒度達到了TB/T 1632-2014標準中軌頭和軌腳邊緣部位不低于8級，軌底三角區(qū)不低于6級的要求。

關鍵詞：晶粒度；熱處理工藝；熱處理線圈；鋼軌焊接接頭；溫度參數(shù)；功率參數(shù) 文獻標識碼：A

中圖分類號：U213 文章編號：1009-2374（2016）18-0106-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.052

晶粒度是多晶體內的晶粒大小，晶粒度可用晶粒的平均面積或平均直徑表示。工業(yè)生產上采用晶粒度等級來表示晶粒大小，4級以下為粗晶粒，5級以上為細晶粒。文章所涉及的晶粒度為實際晶粒度，即某一實際條件下所得到的實際晶粒大小。鋼軌焊接接頭奧氏體晶粒度等級是接頭性能變化的內在原因。我國鋼軌用鋼含碳量在0.8%左右，屬于高碳鋼，鋼軌母材金屬的晶粒度為4～5級，鋼軌端面焊接溫度在頂鍛前達1300℃以上，晶粒迅速長大，焊接完成后，接頭中心線即熔合線存在1mm厚的脫碳層（硝酸酒精腐蝕后顯示為一條白線），同時由于焊接過程中高溫作用，在脫碳層兩側各2mm區(qū)域分布著晶粒度在2級左右的粗晶區(qū)，在空氣中冷卻后粗晶組織的韌塑性低，接頭硬而脆，綜合性能低于鋼軌母材，另外由于鋼軌的形狀導致焊接后接頭內存在一定的殘余應力，其根源也是粗晶組織。

《鋼軌焊接》（TB/T 1632-2014）于2015年5月1日實施，其中《第2部分：閃光焊接》中表2（鋼軌閃光焊焊接質量要求）規(guī)定：“焊縫晶粒度：軌頭和軌腳邊緣部位不應低于8級，軌底三角區(qū)不應低于6級?！焙杠壔卦趯71Mn軌和U75V軌進行熱處理試驗時出現(xiàn)晶粒度等級偏低的情況，導致試驗接頭性能不良。文章就如何提高鋼軌焊接接頭晶粒度進行探討。

1 鋼軌焊后熱處理

焊軌基地采用電磁感應加熱方式進行熱處理，就是將鋼軌放入雙匝感應線圈中，輸入足夠功率，在1400～2400Hz頻率交變磁場作用下，鋼軌內部產生感應電流（渦流），因渦流在鋼軌內閉合，回路阻抗小，使得鋼軌迅速加熱升溫。

在感應加熱過程中存在透入式和傳導式兩種加熱方式。首先是透入式，鋼軌開始升溫，表面渦流大，升溫速度大，達到A1～A2（723℃～770℃）后鋼軌金屬材料的相對導磁率迅速下降，由16降至1，而鋼軌內部導磁率高于表面，渦流最大值向內層遷移，本層快速升溫，達到居里點（770℃）后本層失磁，失磁層不斷向內部遷移，從而鋼軌得到逐層加熱；其次，當失磁的厚度超過熱態(tài)渦流透入深度δ后，渦流呈熱態(tài)特性分布，內層加熱依靠外部熱層熱傳導，其深度隨著時間延長而加深。軌底腳兩邊在表面紅熱后沒有了有效的感應電流，溫度僅有730℃，能夠使軌底腳溫度提升的途徑只有軌底中間部位熱量向該處熱傳導。

典型的鋼軌熱處理加熱溫升曲線為：軌底腳初期升溫快，中后期平緩，軌底三角區(qū)全程為圓滑上升曲線，而軌頭前期升溫最慢，后期升溫最快，其中60s時軌底腳和三角區(qū)溫度重合為730℃，100s時軌頭表面和軌底腳溫度重合為780℃，130s時軌頭溫度與三角區(qū)溫度重合為850℃，最終180s時軌頭溫度910℃、軌底三角區(qū)900℃、軌底腳溫度為850℃。

焊軌基地采用雙中頻熱處理工藝，以軌頂表面溫度為控制參數(shù)，初始輸入較高功率，頻率為1400Hz，待焊接接頭達到設定溫度后，轉換頻率為2400Hz，輸入較低功率，直到溫度達到最終設定溫度為止，然后進行壓縮空氣風冷。

2 晶粒度影響因素

2.1 熱處理線圈形狀

由于鋼軌橫截面特性，采用電感應方式加熱，極易造成全斷面加熱不均勻，軌頂和軌底三角區(qū)屬于大截面區(qū)域，加熱快，容易造成晶粒粗大，而軌底腳和軌腰屬于小截面區(qū)域，散熱快，溫度達到730℃以上則趨于平衡，造成加熱不良，達不到細化晶粒目的，從而整個焊接接頭的性能得不到提高。根據(jù)鋼軌加熱的特性，為使鋼軌全截面均勻加熱，達到細化晶粒的目的，可以從線圈形狀方面嘗試修改設計，從原先的線圈與鋼軌等距的樣式，修改為軌腰和軌底腳距離不變、軌頭和軌底三角區(qū)距離增加1.75～2.5倍、距離增加部位圓弧過渡的樣式。

試驗過程：使用同種鋼軌焊接接頭，同樣的熱處理參數(shù)，使用這兩種線圈進行熱處理作業(yè)，等距離線圈用時130s，非等距離線圈用時110s，得到的焊縫金相組織中軌底腳晶粒度均為8級，而軌頭晶粒度存在差異，前者晶粒度為7級，后者晶粒度為8級，且晶粒大小均勻。

通過比較兩種熱處理線圈試驗得到的金相組織圖可知：非等距離加熱線圈在熱處理效果和效率上都優(yōu)于等距離加熱線圈，有效提高了軌頭部位晶粒度，即細化晶粒效果顯著提高。

2.2 熱處理工藝參數(shù)

熱處理后焊縫晶粒粗大（軌頭、軌底腳和軌底三角區(qū)任何一處），根源是熱處理工藝參數(shù)不合理，其中主要影響參數(shù)是熱處理終了溫度、功率和頻率。因熱處理設備定型后頻率已經固定，因而終了溫度和功率是關鍵參數(shù)。

2.2.1 終了溫度因素。軌底腳屬于開放式小截面，達到一定溫度后加熱和散熱平衡，之后依靠大截面的熱量傳導升溫，終了溫度過低則熱傳導少，軌底腳組織奧氏體轉化時間不足，而終了溫度過高，則大截面的軌頭和三角區(qū)奧氏體晶粒再次長大。

可以通過試驗來驗證軌頭焊縫晶粒不合格原因是終了溫度過高。試驗過程：使用同一U71Mn鋼軌、同一焊接參數(shù)焊接的3個接頭，分別使用溫度為890/910℃、860/880℃、840/860℃的參數(shù)進行熱處理，得到三種金相組織圖（100倍）。

在這三種圖中，隨著熱處理終了溫度的降低，軌頭焊縫晶粒度分別為7級、8級、9級，內部的晶粒由不均勻到均勻，熱影響區(qū)的晶粒度同樣由小到大變化，而軌底腳焊縫晶粒度均為8級，使用840/860℃熱處理參數(shù)的接頭軌底腳晶粒均勻程度有所降低。

通過試驗對比可知：隨著熱處理終了溫度的降低，接頭晶粒度得到有效改善，最高達到9級。考慮到終了溫度降低至860℃時已經得到理想的試驗結果，不再降低溫度，否則會影響到軌底腳溫升，導致其晶粒度不合格。

2.2.2 功率因素。雙中頻熱處理設備設計有兩個頻率，分別是1400Hz和2400Hz，兩者均屬于中頻段，其工藝特點是1400Hz頻率用于全斷面加熱，重點是軌頭部位和軌底三角區(qū)熱處理透徹，之后啟動2400Hz頻率用于軌底腳這一最薄弱部位，前期功率比后期功率較高。投入的功率不同直接導致熱處理曲線較大波動，造成接頭各區(qū)域晶粒大小和分布變化。

試驗過程：對投入功率110/70kW和60/40kW時的軌頭熱處理曲線進行對比。

熱處理功率為110/70kW的接頭熱處理曲線低頻期斜率大、升溫快，60s即達到轉頻溫度，高頻期曲線平滑、時間占全程的2/3，接頭軌頭斷口中細晶區(qū)域的深度只有10mm，軌頭內部全是粗晶組織，說明只有這10mm深度區(qū)域完成奧氏體轉化，探傷時有傷波。熱處理功率為110/70kW的接頭熱處理曲線低頻期上升較緩，50s后開始在820℃位置保持約30s的直線段，高頻段升溫最快，時間約為全程的1/5，從曲線上顯示低頻階段后期保持30s的直線段原因是此階段鋼軌表面加熱層向內部熱傳導，在表面呈現(xiàn)熱平衡的表象，從落錘試驗的軌頭斷口觀察，目測組織全部為細晶，經實驗室檢測，接頭焊縫軌頭部位晶粒度為8.5級。

另外，熱處理功率參數(shù)為110/70kW焊接接頭軌底三角區(qū)的熱處理曲線，低頻期迅速升溫，在60s時達到950℃，隨后在高頻期平緩升溫，時間長達70s，最高溫度達到了1054℃，落錘斷口目測晶粒粗大，晶粒度僅僅5級，這是典型的過熱組織，金屬晶粒經歷了粗晶→細化→再長大的過程，這種接頭熱處理結果與預期的熱處理效果完全相悖。以功率參數(shù)為60/40kW進行熱處理的焊接接頭軌底三角區(qū)的熱處理曲線與軌頭的曲線基本接近，低頻期前期平穩(wěn)升溫，后期在860℃保持穩(wěn)定，在高頻期快速升溫結束，最高溫度低于1000℃，從落錘斷口看均為細晶組織，實驗室檢測，軌底三角區(qū)晶粒度為7.5級，完全符合標準要求。當然單一調整功率來達到上述第二種曲線會導致軌底腳溫度不足或奧氏體轉化溫度階段時間過短，影響軌底腳的晶粒度。

3 結語

第一，熱處理感應線圈的形狀直接影響鋼軌焊接接頭各區(qū)域的溫度，從而影響焊頭晶粒度等級，在設計制作線圈時應充分考慮鋼軌全截面的特性，兼顧各區(qū)域的加熱狀態(tài)，另外在保證晶粒度前提下線圈和鋼軌的距離不宜過近，避免在焊頭通過線圈時損傷線圈。

第二，熱處理工藝參數(shù)中的終了溫度和功率是影響焊接接頭晶粒度的關鍵參數(shù)，終了溫度不宜過高，避免晶粒再次長大，過低則影響軌頭硬度，需要與噴風工藝匹配；功率參數(shù)影響大截面區(qū)域的晶粒細化程度，功率參數(shù)的選擇應兼顧大截面和小截面區(qū)域溫度，從而使各區(qū)域晶粒度符合標準要求。

第三，熱處理功率參數(shù)和終了溫度兩者應匹配，在終了溫度確定的前提下，功率參數(shù)選擇應使1400Hz頻率區(qū)段曲線平緩提升并保持較長時間，以保證軌頭和軌底三角區(qū)部位內部完成奧氏體轉化。

第四，焊軌基地選擇非等距線圈，使用840/860℃的溫度參數(shù)、60/40kW的功率參數(shù)，使得焊接接頭晶粒度中軌頭9級、軌底腳8級、軌底三角7.5級，符合《鋼軌焊接》（TB/T 1632-2014）的要求。

參考文獻

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（責任編輯：王 波）