U20Mn鋼軌鋼線性摩擦焊接頭組織與力學(xué)性能研究

鄭霄 譚克利 戴虹

摘要：針對(duì)U20Mn鋼軌閃光焊和氣壓焊接頭性能不佳的問(wèn)題，采用線性摩擦焊方法研究U20Mn鋼軌鋼摩擦焊的焊接性，并通過(guò)沖擊、拉伸、金相試驗(yàn)探究其力學(xué)性能和顯微組織特征。結(jié)果表明：U20Mn線性摩擦焊接頭成形良好，焊縫無(wú)缺陷。焊態(tài)接頭焊縫區(qū)寬度為4.88～5.69 mm，可分為母材區(qū)（BM）、熱機(jī)械影響區(qū)（HMAZ）、焊縫中心區(qū)（WZ）。經(jīng)正火熱處理后，接頭組織得到改善而趨于一致，強(qiáng)度為1 634 MPa（提高23.3%），延伸率為10.0%（提高81.8%）。

關(guān)鍵詞：U20Mn鋼軌;線性摩擦焊;顯微組織;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TG407文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）11-0064-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.11.12

0 前言

隨著重載鐵路軸重的不斷增加，對(duì)鋼軌的要求也越來(lái)越高，理論研究證明傳統(tǒng)珠光體鋼軌的力學(xué)性能已接近極限，具有更高強(qiáng)韌性、耐磨性的貝氏體鋼軌成為研究熱點(diǎn)[1-2]。北京特冶與包鋼聯(lián)合研制生產(chǎn)的U20Mn貝氏體鋼軌具有硬度高、抗疲勞和沖擊韌性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但與傳統(tǒng)珠光體鋼軌相比，貝氏體鋼合金元素成分高、物理性能參數(shù)差異大，導(dǎo)致其焊接較為困難，制約了貝氏體鋼軌的推廣應(yīng)用[3-4]。

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于鋼軌的壓力焊接方法研究主要集中于閃光焊和氣壓焊[5-6]，閃光焊焊接溫度較高，焊接U20Mn時(shí)易出現(xiàn)偏析、熱裂紋和灰斑[7-8];氣壓焊為外熱源加熱，U20Mn鋼導(dǎo)熱系數(shù)低使得其加熱過(guò)程中斷面溫度不均勻，完成全斷面交互結(jié)晶較困難[9]。線性摩擦焊是在壓力作用下，利用焊件接觸端面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)在摩擦面及其附近區(qū)域產(chǎn)生摩擦熱和塑性變形，當(dāng)待焊面附近區(qū)域溫度上升到接近但一般低于熔點(diǎn)的溫度區(qū)間，材料的變形抗力降低、塑性提高、界面的氧化膜破碎，在頂鍛壓力的作用下，伴隨材料產(chǎn)生塑性變形及流動(dòng)，通過(guò)界面的分子擴(kuò)散和再結(jié)晶而實(shí)現(xiàn)焊接的固態(tài)焊接方法[10-11]。文中采用線性摩擦焊焊接U20Mn貝氏體鋼軌鋼，研究其可焊性和接頭的力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)條件和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)鋼軌為包鋼生產(chǎn)的U20Mn貝馬復(fù)相鋼軌，其化學(xué)成分和主要力學(xué)性能如表1所示。

1.2 試樣制備

以60 kg/m的U20Mn鋼軌為基礎(chǔ)，截取待焊界面尺寸如圖1所示的試件，采用線性摩擦焊進(jìn)行焊接，焊接參數(shù)為：頻率50 Hz，頂鍛量7 mm，頂鍛力90 MPa，振幅2 mm，焊接示意如圖2所示。焊后在室溫下進(jìn)行空冷得到焊態(tài)接頭，焊件實(shí)物如圖3所示。并按照?qǐng)D4所示截取小試樣進(jìn)行試驗(yàn)：其中焊態(tài)試樣包含金相試樣1個(gè)，拉伸試樣3個(gè)，沖擊試樣2個(gè);同時(shí)截取相同數(shù)目的試樣進(jìn)行正火（850 ℃，保溫10 min）熱處理后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3 顯微組織觀察和力學(xué)性能測(cè)試

金相試樣焊縫處經(jīng)機(jī)械研磨拋光、4%硝酸酒精腐蝕后，采用體式顯微鏡觀察焊縫宏觀形貌，采用蔡司金相顯微鏡觀察焊縫顯微組織特征;采用硬度計(jì)進(jìn)行硬度試驗(yàn)，以焊縫中心為零點(diǎn)，沿垂直焊縫中心線左右兩側(cè)每間隔0.5 mm取測(cè)試點(diǎn)，共25個(gè)測(cè)試點(diǎn)，試驗(yàn)條件為HBW10/3000;拉伸試樣和沖擊試樣尺寸分別如圖5、圖6所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 接頭組織特征

U20Mn鋼軌鋼線性摩擦焊接頭成型良好，在整個(gè)焊縫乃至邊緣的飛邊區(qū)域均未發(fā)現(xiàn)微裂紋等缺陷。焊縫形狀如圖7a所示，存在兩側(cè)較寬、逐漸向焊縫心部收窄的特點(diǎn)，其主要原因?yàn)椋涸谀Σ脸跏计陂g，熱量主要儲(chǔ)存在飛邊中，隨著摩擦的進(jìn)行，飛邊以及攜帶的熱量主要向兩側(cè)擠出，同時(shí)在隨后的冷卻過(guò)程中，飛邊中的絕大多數(shù)熱量又通過(guò)熱傳導(dǎo)形式傳給了焊接件，最終導(dǎo)致焊縫中心區(qū)域和邊緣兩側(cè)區(qū)域存在差異。由圖7b、7c體式顯微鏡觀察結(jié)果可知，兩側(cè)焊縫區(qū)寬度約5.69 mm，心部焊縫區(qū)域?qū)挾燃s4.88 mm。

在焊接過(guò)程中，焊縫及附近區(qū)域受到焊接溫度、摩擦力和頂鍛力三種因素的交叉影響，導(dǎo)致焊接接頭存在明顯的組織差異，可分為母材區(qū)（BM）、熱機(jī)械影響區(qū)（HMAZ）和中心焊縫區(qū)（WZ），如圖8所示。其中BM區(qū)基本未受到焊接過(guò)程影響，在低倍下可以發(fā)現(xiàn)水平方向的偏析流線得以保存，深腐蝕后大小規(guī)則且較為均勻的原奧氏體晶界（見圖9a）清晰可見;HMAZ區(qū)域在一定程度上受到力和溫度的雙重影響，BM區(qū)的白色偏析流線在靠近待焊界面一端中斷，同時(shí)在與BM區(qū)交界處因受到WZ區(qū)熱塑性金屬熱傳導(dǎo)的溫度影響，晶粒組織會(huì)發(fā)生一定的長(zhǎng)大（見圖9b）;WZ區(qū)域在焊接過(guò)程中受摩擦壓力和振動(dòng)件往復(fù)運(yùn)動(dòng)的影響最大，焊縫界面之間的高溫?zé)崴苄越饘侔l(fā)生劇烈且連續(xù)的熱塑性變形，并隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)不斷被擠出到兩側(cè)形成飛邊，同時(shí)由于焊接頻率高，焊接速度極快（僅3～5 s），中心熱塑性金屬來(lái)不及發(fā)生再結(jié)晶和晶粒長(zhǎng)大，使WZ區(qū)域內(nèi)細(xì)小的晶粒和組織（見圖9c）在焊接停止后被保留下來(lái)，而且在一定程度上減少或消除了該區(qū)域的偏析流線，在深腐蝕后可以發(fā)現(xiàn)組織為比母材更加細(xì)小的貝馬復(fù)相組織。

1號(hào)金相試樣在箱式電阻爐進(jìn)行850 ℃、保溫10 min和空冷的正火處理后，宏觀觀察發(fā)現(xiàn)原有的BM、HMAZ、WZ分界不再明顯（見圖10），原本BM區(qū)域的白色條狀偏析流線消失，這表明正火處理在一定程度上減少和消除了原有的偏析流線。經(jīng)深腐蝕后發(fā)現(xiàn)HMAZ和WZ區(qū)域均為形狀細(xì)小、致密的貝馬復(fù)相組織（見圖11），焊縫區(qū)域處組織趨于更加均勻連續(xù)。

焊態(tài)和正火態(tài)硬度試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，焊態(tài)接頭存在明顯的軟化區(qū)，其中最軟點(diǎn)硬度低至276.6 HB，母材—焊縫—母材區(qū)域硬度變化跨度大，這主要是焊態(tài)接頭組織大小存在差異所致：WZ區(qū)域通過(guò)擠壓破碎形成的細(xì)小組織產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化，因而硬度較高，而HMAZ與BM交界處因存在一定過(guò)熱導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大使得硬度有所下降。經(jīng)正火熱處理后，WZ區(qū)域組織發(fā)生一定程度的長(zhǎng)大，硬度下降，而HMAZ與BM交界處的過(guò)熱區(qū)組織又得到一定程度的細(xì)化，硬度提高，各區(qū)域組織和性能趨于均勻一致。

2.2 沖擊和拉伸性能

沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖13、圖14所示，焊態(tài)和正火態(tài)接頭沖擊功數(shù)值差異不大。焊態(tài)接頭沖擊斷口塑性變形較大（見圖14a），斷口不能完整拼回原樣，在缺口根部起裂后可能由于HMAZ與BM交界處存在強(qiáng)韌性較差的粗晶區(qū)，撕裂路徑發(fā)生偏移，未能反映出焊態(tài)接頭焊縫的真實(shí)沖擊韌性;正火態(tài)試樣沿缺口從焊縫撕開，剪切唇區(qū)明顯。

拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖15～圖17所示?？梢钥闯觯笐B(tài)接頭斷裂位置均在HMAZ與BM區(qū)交界區(qū)域，且斷裂處頸縮不明顯，這是由于該處組織因過(guò)熱發(fā)生一定程度上的長(zhǎng)大，表現(xiàn)出焊縫區(qū)強(qiáng)韌性降低。由圖17可知，焊態(tài)時(shí)抗拉強(qiáng)度平均值為1 325 MPa，延伸率較低，僅5.5%;經(jīng)正火后，軟化區(qū)得到改善，焊縫區(qū)組織均勻連續(xù)，斷裂位置均離焊縫較遠(yuǎn)，拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)為正火后的母材性能，正火態(tài)接頭拉伸試樣斷裂前集中塑性變形明顯，斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗，試驗(yàn)最大力高，具有較好的強(qiáng)韌性，抗拉強(qiáng)度為1 634 MPa（比焊態(tài)提高23.3%），延伸率為10.0%（提高81.8%）。對(duì)焊態(tài)和正火態(tài)接頭進(jìn)行SEM分析發(fā)現(xiàn)，焊態(tài)接頭斷口為大量河流花樣和少量韌窩特征（見圖18a），屬于混合斷裂;正火態(tài)接頭斷口主要表現(xiàn)為韌窩特征（見圖18b），韌性較好。

3 結(jié)論

（1）在參數(shù)為頻率50 Hz，頂鍛量7 mm，頂鍛力90 MPa，振幅2 mm的焊接工藝下，采用線性摩擦焊焊接U20Mn鋼軌可以得到良好無(wú)缺陷的焊縫，接頭成型良好，接頭焊縫區(qū)寬度為4.88～5.69 mm。

（2）U20Mn鋼線性摩擦焊焊態(tài)接頭焊縫區(qū)可分為母材（BM）、熱機(jī)械影響區(qū)（HMAZ）、焊縫中心區(qū)（WZ）。WZ由于受摩擦擠壓作用形成了細(xì)小的貝馬復(fù)相組織，HMAZ與BM交界處由于過(guò)熱出現(xiàn)明顯的軟化現(xiàn)象。

（3）焊態(tài)接頭抗拉強(qiáng)度1 325 MPa、延伸率5.5%，經(jīng)正火熱處理后，軟化區(qū)得到明顯改善，焊縫區(qū)組織和性能趨于均勻一致，接頭強(qiáng)度為1 634 MPa（提高23.3%），延伸率為10.0%（提高81.8%）。

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