高溫電加熱處理對(duì)貝氏體鋼與U75V鋼閃光對(duì)焊接頭組織與性能的影響

王振偉，許鴻吉，王 赫

(1.中鐵山橋集團(tuán)有限公司，河北 秦皇島 066205；2.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

為滿足鐵路日益增長(zhǎng)的運(yùn)輸要求，國(guó)內(nèi)鐵路正朝著高速、重載方向發(fā)展。目前，國(guó)內(nèi)時(shí)速160 km以下線路的轍叉廣泛使用合金鋼組合轍叉，其心軌采用高耐磨性、高強(qiáng)韌性的貝氏體鋼整體鍛造成型，并與其后叉跟軌拼接而成，大大提高了轍叉的使用壽命。缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)采用組裝拼接，整體性較差，列車通過時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，影響平順性。同時(shí)，拼裝結(jié)構(gòu)不利于溫度應(yīng)力的傳遞，且聯(lián)結(jié)螺栓易疲勞而影響轍叉使用壽命。作為新一代合金鋼轍叉，心軌與其后鋼軌宜采用焊接方式，消除螺栓聯(lián)結(jié)造成的缺陷，提高轍叉整體性。貝氏體合金鋼轍叉和U75V鋼軌因耐磨性能好、抗剝離、抗波浪形磨耗以及綜合使用性能優(yōu)良而得到了廣泛應(yīng)用[1-5]。但是，在無縫線路的建設(shè)中需要對(duì)貝氏體合金鋼轍叉與U75V鋼軌進(jìn)行焊接，而貝氏體鋼與U75V鋼的焊接是涉及2種熱物理性能和焊接性能均相差懸殊的異種材料的連接問題。貝氏體鋼較低的含碳量使其具有良好的焊接性；而U75V鋼含碳量高，一般為0.6%～0.8%，淬硬傾向大，焊接性能很差，焊接時(shí)熱影響區(qū)易產(chǎn)生淬硬組織而脆化。因此，焊接異種鋼軌時(shí)需進(jìn)行焊后熱處理。

與其他焊接方法相比，閃光對(duì)焊由于加熱時(shí)間短，焊接過程不需要填充金屬，冶金過程簡(jiǎn)單，焊接熱影響區(qū)小，因此容易獲得質(zhì)量較高的焊接接頭。而且閃光焊既能用于工廠焊接長(zhǎng)軌，又能采用焊軌列車在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鋼軌或轍叉的焊接，所以在世界各國(guó)無縫線路的連接中都得到了廣泛的應(yīng)用[6-7]。為了確保貝氏體合金鋼轍叉與U75V鋼軌閃光焊接頭的性能，閃光焊后一般均對(duì)接頭進(jìn)行中頻感應(yīng)正火處理，但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于受空間位置的限制，中頻感應(yīng)正火在貝氏體合金鋼轍叉和U75V鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)無法使用。為保證接頭的焊接質(zhì)量，本文采用線圈式電熱毯加熱設(shè)備進(jìn)行了焊后高溫電加熱處理。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選用60 kg/m U75V鋼和貝氏體鋼，試件長(zhǎng)度為600 mm，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 閃光對(duì)焊工藝試驗(yàn)

貝氏體合金鋼轍叉與U75V鋼軌在GAA100/580轍叉閃光焊機(jī)上進(jìn)行閃光對(duì)焊試驗(yàn)，焊后采用線圈式電熱毯加熱設(shè)備對(duì)焊接接頭進(jìn)行高溫電加熱處理，處理工藝參數(shù)為加熱溫度800 ℃，保溫時(shí)間15 min。

表2 試驗(yàn)材料的力學(xué)性能

1.2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

1)拉伸試驗(yàn)：按TB/T 3120—2005《AT鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，拉伸試驗(yàn)在WE-30液壓萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。

2)沖擊試驗(yàn)：沖擊試驗(yàn)按TB/T 3120—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用10 mm×10 mm×55 mm的標(biāo)準(zhǔn)沖擊試件，試驗(yàn)設(shè)備為JB-30B沖擊試驗(yàn)機(jī)。

3)靜彎試驗(yàn):按TB/T 3120—2005標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，靜彎試驗(yàn)在JW-300靜彎試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，支座間距1 m。

1.2.3 組織分析與硬度測(cè)試

采用4X1型光學(xué)顯微鏡觀察高溫電加熱處理前后接頭各區(qū)的金相組織，并對(duì)處理前后的接頭分別在HRC-150A試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 拉伸及沖擊試驗(yàn)

拉伸試驗(yàn)結(jié)果見表3，可以看出，經(jīng)高溫電加熱處理后貝氏體鋼與U75V鋼閃光對(duì)焊接頭的軌頭和軌底抗拉強(qiáng)度有明顯提升，而軌腰略有降低；同時(shí)接頭塑性得到改善；但斷裂位置明顯不同，在處理前接頭斷裂位置為貝氏體鋼側(cè)，在處理后接頭斷裂位置為U75V鋼側(cè)母材位置，這與中頻感應(yīng)正火處理后接頭斷裂位置相同，說明利用線圈式電熱毯加熱設(shè)備對(duì)貝氏體鋼與U75V鋼焊接接頭進(jìn)行焊后高溫電加熱處理是可行的，并且性能滿足TB/T 3120—2005標(biāo)準(zhǔn)要求[8]。

表3 貝氏體鋼與U75V鋼閃光對(duì)焊接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表4，可以看出，經(jīng)高溫電加熱處理后試件各位置的沖擊吸收功有明顯提高。由此可見，在貝氏體鋼轍叉施工過程中，先進(jìn)行閃光對(duì)焊，然后采用線圈式電熱毯加熱設(shè)備進(jìn)行高溫電加熱處理，可以消除焊接過程帶來的接頭性能下降的影響，使焊縫兩側(cè)的熱影響區(qū)沖擊韌性重新恢復(fù)到母材水平，明顯提高了接頭的力學(xué)性能。

表4 貝氏體鋼與U75V鋼閃光對(duì)焊接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

2.2 靜彎試驗(yàn)

經(jīng)高溫電加熱處理后，貝氏體鋼與U75V鋼閃光對(duì)焊接頭靜彎破斷載荷達(dá)到 2 010 kN，撓度38 mm，滿足TB/T 3120—2005標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 金相試驗(yàn)

圖1 高溫電加熱處理前后貝氏體鋼與U75V鋼閃光對(duì)焊接頭各區(qū)顯微組織

U75V鋼的金相組織為珠光體。貝氏體鋼與U75V鋼閃光對(duì)焊接頭的各區(qū)顯微組織見圖1。可以看出，圖1(a)和圖1(c)中未處理貝氏體鋼母材區(qū)和熱影響區(qū)為交替排列的黑色粗大板條束貝氏體鐵素體組織，同時(shí)奧氏體晶界處碳化物析出較多。這是由于在未發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變的組織中，含碳量較低的貝氏體鐵素體板條并未完全溶解，但含碳量較高的殘余奧氏體薄膜分解成細(xì)小的碳化物并聚集到晶界處，該細(xì)小碳化物的存在成了變形中的啟裂源，嚴(yán)重降低了組織的沖擊韌性。將接頭加熱到800 ℃并保溫15 min處理后，貝氏體鋼母材區(qū)和熱影響區(qū)顯微組織見圖1(b)和圖1(d)，可以看出，貝氏體鐵素體板條束尺寸變得細(xì)小，同時(shí)晶界處碳化物析出明顯減少，這也提高了組織的沖擊韌性，但部分區(qū)域還存在粗大的貝氏體鐵素體板條。圖1(e)中未處理貝氏體鋼焊縫區(qū)為粒狀、條狀貝氏體鐵素體束和粗大塊狀珠光體混合組織，這是由于焊縫處相當(dāng)于進(jìn)行了一次高溫塑性變形過程，焊縫再結(jié)晶溫度較高，奧氏體晶粒長(zhǎng)大，而且冷卻后奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體團(tuán)尺寸也會(huì)比較粗大[9]。圖1(f)為熱處理后貝氏體鋼焊縫區(qū)顯微組織，可知焊縫發(fā)生了重新奧氏體化過程，隨后的冷卻過程在高溫停留時(shí)間短，所得的晶粒尺寸細(xì)小且分布比較均勻。圖1(g)中未處理U75V鋼熱影響區(qū)珠光體團(tuán)尺寸較大，在經(jīng)高溫電加熱處理后，見圖1(h)，珠光體團(tuán)尺寸明顯減小，晶粒細(xì)化，鐵素體析出較少，組織更加致密。

2.4 硬度試驗(yàn)

圖2 高溫電加熱處理前后貝氏體鋼與U75V鋼閃光 對(duì)焊接頭硬度分布

貝氏體鋼與U75V鋼異種鋼焊接接頭的洛氏硬度分布見圖2，每隔5 mm打一個(gè)點(diǎn)，其中GT是軌頭硬度分布曲線，GY是軌腰硬度分布曲線，GD是軌底硬度分布曲線。從圖2(a)容易看出，U75V鋼側(cè)軌頭和軌底硬度較為平緩，變化不大，在-20～-15 mm處出現(xiàn)軟化區(qū)，軌頭軟點(diǎn)硬度26HRC，軟化區(qū)寬度約5 mm。軌腰母材硬度明顯偏低，這是由于鋼軌焊后殘余應(yīng)力大小依次是軌腰、軌底、軌頭，軌腰受較大的垂直方向殘余拉應(yīng)力，故硬度偏低。貝氏體鋼側(cè)在0～25 mm內(nèi)(熱影響區(qū))硬度波動(dòng)較大，軌腰最高硬度43.5HRC；貝氏體鋼側(cè)在20～30 mm處出現(xiàn)軟化區(qū)，軌頭軟點(diǎn)硬度28HRC，軟化區(qū)寬度約10 mm；貝氏體鋼側(cè)母材平均硬度約37HRC～38HRC。從圖2(b)可以看出，經(jīng)高溫電加熱處理后，U75V鋼側(cè)硬度分布較平緩，硬度在20HRC～30HRC之間；貝氏體鋼側(cè)在0～20 mm內(nèi)波動(dòng)較大，軌頭出現(xiàn)了約15 mm寬度的軟化區(qū)，軟點(diǎn)硬度約為20HRC，軌頭母材平均硬度約為36HRC，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)軟點(diǎn)硬度應(yīng)不小于母材硬度的80%，可知貝氏體鋼側(cè)軟點(diǎn)硬度偏低，這是由于高溫電加熱處理時(shí)加熱溫度低，使得焊接接頭奧氏體化未能充分進(jìn)行，高溫電加熱處理后的貝氏體鋼熱影響區(qū)還存在寬化的貝氏體鐵素體板條，導(dǎo)致硬度偏低。通過對(duì)高溫電加熱處理前后接頭的硬度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)高溫電加熱處理后，U75V鋼側(cè)原軟化區(qū)硬度有所提高，而硬度偏高的熱影響區(qū)的過熱區(qū)硬度下降，并基本與母材硬度持平；貝氏體鋼側(cè)原軟化區(qū)消失，在接頭附近又出現(xiàn)新的軟化區(qū)且軟點(diǎn)硬度偏低。

3 結(jié)論

1)經(jīng)高溫電加熱處理后的貝氏體鋼與U75V鋼閃光對(duì)焊接頭具有良好的靜彎性能，其靜彎載荷和擾度均遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

2)貝氏體鋼與U75V鋼閃光對(duì)焊接頭的焊縫區(qū)組織為貝氏體+珠光體+鐵素體，貝氏體鋼側(cè)熱影響區(qū)為板條貝氏體和粒狀貝氏體的混合組織；U75V鋼側(cè)為珠光體和鐵素體的混合組織。接頭經(jīng)高溫電加熱處理后焊縫和熱影響區(qū)晶粒細(xì)化，力學(xué)性能得到改善。

3)處理前接頭最高硬度出現(xiàn)在熱影響區(qū)，焊縫處硬度最低且存在軟化區(qū)，高溫電加熱處理能明顯改善接頭硬度分布。

4)經(jīng)高溫電加熱處理后，焊接接頭的拉伸和沖擊性能均得到一定程度改善，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，特別是沖擊性能得到了顯著提高。