高強耐磨鋼軌壓焊接頭軟化區(qū)研究

廖馬宏 戴虹 楊翰

摘要：鋼軌焊接接頭經(jīng)過熱循環(huán)后形成熱影響區(qū)，該區(qū)域內(nèi)存在不完全相變重結(jié)晶區(qū)域，導(dǎo)致其硬度下降，出現(xiàn)軟化，而軟化嚴重的接頭在上道服役后會產(chǎn)生馬鞍形磨損，導(dǎo)致線路不平順。通過試驗研究了不同冷卻條件下高強耐磨鋼軌氣壓焊接頭軟化區(qū)硬度的變化規(guī)律。結(jié)果表明：冷卻過程采用噴風(fēng)、噴霧等方式提高冷卻速度，對縮小接頭軟化區(qū)寬度有顯著作用。高強耐磨鋼軌氣壓焊接頭軟化區(qū)最軟點硬度隨母材強度升高而升高，但鋼軌強度級別越高，接頭最軟點與母體硬度的比值越低。1 280 MPa級及以上強度級別的鋼軌，很難穩(wěn)定達到壓焊接頭軟化區(qū)硬度標準要求（HJ1/HP≥0.8），建議修改或降低指標要求。

關(guān)鍵詞：鋼軌;氣壓焊接;軟化區(qū);硬度;冷卻工藝

中圖分類號：TG453+.2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-2003（2021）07-0017-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.07.04

0? ? 前言

對于不同強度級別的鋼軌焊接接頭，由于受到焊接熱循環(huán)作用，加之焊后熱處理正火加熱和噴風(fēng)冷卻工藝過程的影響，接頭縱向焊接熱影響區(qū)內(nèi)不可避免地會存在處于A1～A3溫度區(qū)間的金屬區(qū)，且該區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生不同程度的軟化現(xiàn)象[1]。

鋼軌焊接接頭軟化區(qū)微觀組織、硬度水平與母材差異較大，尤其是不同工藝下軟化區(qū)寬度不同，導(dǎo)致該區(qū)金屬的抗沖擊性能和耐磨性能下降，容易產(chǎn)生馬鞍形接頭病害，影響輪軌使用壽命[2-3]。在重載鐵路線路建設(shè)工程中，鋼軌和焊接接頭需具有高耐磨性，以保證線路長時間服役。因此隨著重載運輸和鋼軌技術(shù)的發(fā)展，高強耐磨鋼軌強度級別越來越高，由980 MPa逐漸提高到1 280 MPa，近年來還開展了1 380 MPa級別重載鋼軌的試鋪。但是，按照TB/T 1632《鋼軌焊接》標準規(guī)定，無論什么強度級別鋼軌，氣壓焊和閃光焊接頭軟化區(qū)硬度（HJ1）比母材硬度（HP）都應(yīng)滿足HJ1/HP≥0.8、軟化區(qū)寬度≤20 mm的要求。實際焊軌施工中，高強度級別鋼軌焊接接頭很難達到此標準要求。為此，需要研究高強耐磨鋼軌的焊接和正火工藝以改善提升接頭軟化區(qū)硬度水平，并縮小軟化區(qū)，從而減少或消除馬鞍形磨耗病害，這對于提高重載鐵路線路平順性具有重要意義和價值[4-5]。

文中探討不同冷卻條件對高強耐磨鋼軌氣壓焊接頭軟化區(qū)的影響，為焊軌生產(chǎn)提供技術(shù)支持。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用鋼軌材料為攀鋼75N U95Cr和包鋼60N U76CrREH，其化學(xué)成分和常溫力學(xué)性能見表1。

1.2 試驗方法

采用 GPW-1200 氣壓焊軌機對U95Cr、U76CrREH鋼軌進行焊接，焊接工藝參數(shù)如表2所示。也可以在U95Cr鋼軌單正火加熱后（無焊接過程），分別采用隨機空冷、強制噴風(fēng)冷卻、間斷式和連續(xù)式噴霧器冷卻四種冷卻方式進行冷卻，其主要工藝參數(shù)如表3所示。氣壓焊接頭在不同噴風(fēng)風(fēng)壓和擺動模式下的主要工藝參數(shù)如表4所示。

1.3 硬度測試方法

采用HBW10/3000，按照TB/T 1632 《鋼軌焊接》標準測量軟化區(qū)平均硬度（HJ1）、最軟點硬度值、母材平均硬度（HP），計算HJ1/HP、最軟點硬度值比母材硬度值、軟化區(qū)寬度。為了準確得到最軟點硬度值和軟化區(qū)寬度，采用OU2100 里氏硬度計，每個硬度測試點間距縮小到2.5 mm，精細化測量硬度值（5次測量結(jié)果取平均值）。

2 試驗結(jié)果

2.1 不同強度級別鋼軌軟化區(qū)硬度測試結(jié)果

參考論文試驗結(jié)果及不同強度級別鋼軌閃光焊、氣壓焊鐵科院型式檢驗報告[6-8]，表5為不同強度級別鋼軌壓焊焊接接頭軟化區(qū)硬度測試結(jié)果。

2.2 不同冷卻方式下軟化區(qū)硬度測試結(jié)果

在不同冷卻條件下U95Cr鋼軌氣壓焊接頭的冷卻速度及軟化區(qū)硬度測試結(jié)果如表6所示。

2.3 不同噴風(fēng)條件下軟化區(qū)硬度測試結(jié)果

不同噴風(fēng)條件下氣壓焊接頭的冷卻速度及軟化區(qū)硬度測試結(jié)果如表7所示，不同擺幅方式接頭軟化區(qū)硬度曲線如圖1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 不同強度級別鋼軌接頭軟化區(qū)硬度分析

不同強度級別鋼軌壓力焊接頭母材及軟化區(qū)硬度值趨勢如圖2所示。可以看出，對于不同強度級別、不同處理狀態(tài)鋼軌的氣壓焊、閃光焊高強鋼軌接頭[10-11]，無論是焊接態(tài)還是正火態(tài)，在不同焊接工藝條件下，焊接接頭軟化區(qū)最軟點硬度值處于220～300 HB范圍內(nèi)，其規(guī)律是：軟化區(qū)最軟點硬度值隨母材強度級別的提高而提升，但母材強度越高，軟化程度越明顯（母材和軟化區(qū)最軟點的最大硬度值差為140 HB），其中U95Cr鋼軌氣壓焊接頭的最軟點與母材硬度值比值為0.65。軟化區(qū)的整體硬度值HJ1隨母材強度提升有所提高，但受軟化區(qū)最軟點提升趨勢不大的影響，軟化區(qū)硬度與母材硬度比值HJ1/Hp隨母材強度提升而減小?？梢?，針對目前現(xiàn)場焊接和熱處理設(shè)備而言，強度等級高（≥1 280 MPa）、母體材料硬度值高（≥380 HB）的鋼軌材料，難以穩(wěn)定達到TB/T 1632《鋼軌焊接》標準所規(guī)定的HJ1/Hp≥0.8的要求[12-13]。

3.2 冷卻條件與軟化區(qū)關(guān)系分析

根據(jù)表6、表7試驗結(jié)果，在不同冷卻條件下，U95Cr鋼軌焊接接頭軟化區(qū)寬度和硬度變化趨勢如圖3所示。

（1）冷卻速度對接頭軟化區(qū)寬度的影響。

①在單邊噴風(fēng)試驗中，冷速最快的A6噴風(fēng)側(cè)（冷速3.61 ℃/s）軟化區(qū)比A0（冷速0.65 ℃/s）軟化區(qū)寬度減少16.2 mm （60%）。

②在單邊噴霧試驗中，A2間斷式噴霧側(cè)（冷速0.87 ℃/s）軟化區(qū)寬度相比A0軟化區(qū)。減少9.6 mm（35.5%），A3連續(xù)式噴霧側(cè)（冷速2.60 ℃/s）軟化區(qū)寬度相比A0軟化區(qū)。減少14.1 mm （52.2%）。

③改變噴風(fēng)風(fēng)壓、風(fēng)量，對比A1（冷速0.90 ℃/s）與A6接頭軟化區(qū)寬度數(shù)據(jù)，A6較A1減少3.6 mm（26.5%）。改變噴風(fēng)風(fēng)壓大小，對比B5（冷速1.17 ℃/s）與B6（冷速1.43 ℃/s）接頭軟化區(qū)寬度數(shù)據(jù)，B6較B5減少6.1 mm （26.4%）。

④分析對比A4、A5、A6接頭軟化區(qū)寬度數(shù)據(jù)，這些接頭的冷卻速度都大于等于1.5 ℃/s，其差異不明顯。

可見，采用常用的冷卻工藝方法，改善接頭冷卻條件，冷卻速度控制在0～1.5 ℃/s，其軟化區(qū)寬度隨著冷卻速度加快變窄，效果較為顯著。但在冷卻速度達到或超過1.5 ℃/s后，其效果不明顯。

（2）冷卻速度對接頭軟化區(qū)平均硬度和最軟點硬度值的影響。

①在單邊噴風(fēng)試驗中，A6軟化區(qū)平均硬度值較A0軟化區(qū)平均硬度值提升了23 HB（7.8%），最軟點硬度值提升了20 HB （7.5%）。

②在單邊噴霧試驗中，接頭噴霧側(cè)軟化區(qū)硬度值較A0空冷接頭差距不大，A2最軟點硬度值提升9 HB （3.4%），A3試樣最軟點硬度值提升13 HB（4.9%），軟化區(qū)平均硬度值提升14 HB （4.7%）。

③改變噴風(fēng)風(fēng)量大小，A6接頭軟化區(qū)硬度較A1提高12 HB（3.9%），B6接頭軟化區(qū)硬度較B5提高20 HB （6.3%）。

可見，雖然增大噴風(fēng)風(fēng)壓、風(fēng)量可提高冷卻速度，減小軟化區(qū)寬度，但對提升軟化區(qū)最軟點硬度值及軟化區(qū)平均硬度值沒有顯著效果。試驗結(jié)果顯示，增大冷卻速度，軟化區(qū)最軟點硬度值的提升幅度僅為3%～10%。

（3）定幅和變幅冷卻方式對軟化區(qū)的影響。

對比噴風(fēng)變幅（窄到寬）和定幅冷卻兩種方式下B1（冷速1.42 ℃/s）與B2（冷速1.52 ℃/s）、B3（冷速1.43 ℃/s）與B4（冷速1.51 ℃/s）接頭軟化區(qū)試驗結(jié)果可見，焊態(tài)B1和B2接頭，定幅擺動冷卻接頭軟化區(qū)寬度較變幅減小了2 mm（21.6%）;正火態(tài)B3和B4接頭，定幅擺動冷卻接頭軟化區(qū)寬度相比變幅減小2.5 mm（16.7%）。因此，噴風(fēng)冷卻中定幅冷卻方式在改善軟化區(qū)寬度方面優(yōu)于變幅冷卻方式。

由圖3可知，接頭軟化區(qū)硬度值與最軟點硬度值變化不大，軟化區(qū)寬度在0.6～1.5 ℃/s范圍內(nèi)隨冷卻速度的加快而迅速變窄，繼續(xù)增大冷卻速度，軟化區(qū)寬度變窄趨勢減緩，其曲線呈“ 半U型 ”。軟化區(qū)硬度值與軟化區(qū)最軟點硬度值緊密聯(lián)系，加快冷卻速度對軟化區(qū)硬度值無明顯提升效果，軟化區(qū)整體硬度值難以提升。

3.3 氣壓焊接頭硬度分布與組織關(guān)系

U95Cr鋼軌氣壓焊接頭硬度曲線及對應(yīng)顯微組織形貌如圖4、圖5所示，母材與焊縫中心位置組織均為片狀珠光體組織，焊縫中心與母材硬度水平一致，相變重結(jié)晶位置為細片狀珠光體組織，軟化區(qū)最軟點位置為粒狀珠光體組織，粒狀珠光體組織導(dǎo)致軟化區(qū)硬度較低。

4 結(jié)論

（1）接頭冷卻過程采用噴風(fēng)、噴霧等方式提高冷卻速度（在0～1.5 ℃/s范圍內(nèi)），能夠有效縮小高強耐磨鋼軌氣壓焊接頭軟化區(qū)寬度。冷卻速度大于等于1.5 ℃/s，接頭軟化區(qū)寬度可控制在11～14 mm范圍內(nèi)。

（2）高強耐磨鋼軌氣壓焊接頭軟化區(qū)硬度最軟點具有隨母材強度升高而升高的規(guī)律，但其提高程度有限（約10%）。

（3）鋼軌材料強度越高，接頭最軟點與母體硬度的比值下降程度越大。對強度等級≥1 280 MPa的鋼軌材料，其接頭軟化區(qū)硬度（HJ1）與母材硬度比值很難穩(wěn)定達到TB/T 1632《鋼軌焊接》標準要求（≥0.8），建議修改或降低指標要求。

參考文獻：

張文鉞.焊接冶金學(xué)（基本原理）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

李煒，宋偉軍，戴安，等.兩種焊接工藝下過共析鋼軌接頭沖擊磨損性能[J/OL].西南交通大學(xué)學(xué)報：1-11.

蔣文娟，向鵬程，丁昊昊，等.U71Mn 鋼軌氣壓焊焊接接頭滾動磨損與損傷性能研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2020，40（5）：24-30.

鄒定強.鋼軌失效分析和傷損圖譜[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

周清躍，張建峰，郭戰(zhàn)偉，等.重載鐵路鋼軌的傷損及預(yù)防對策研究[J].中國鐵道科學(xué)，2010，31（1）：27-31.

趙艷麗，戴虹，周世恒.正火熱處理對鋼軌焊接接頭表面硬度的影響[J].熱加工工藝，2016，45（3）：217-219.

鐘元，戴虹，周世恒，等. 75 kg/m U78CrV 熱軋鋼軌與熱處理鋼軌氣壓焊質(zhì)量研究[J].熱加工工藝，2016，46（15）：190-198.

李中原. GAAS80 焊機焊接U76CrRe鋼軌工藝研究[J].內(nèi)蒙古科技大學(xué)學(xué)報，2014，33（2）：200-204.

田甜，高文會.不同鋼種鋼軌焊接接頭的力學(xué)性能研究[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2016（2）：66-68.

中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所.攀鋼鋼軌移動式閃光焊接頭[R].北京：中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，2011-2016.

田瑞杰.鋼軌閃光焊接頭組織及性能研究[D].四川：西南交通大學(xué)，2016.

TB/T 1632.2—2014，鋼軌焊接第2部分：閃光焊接[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

TB/T 1632.4—2014，鋼軌焊接第4部分：氣壓焊接[S].北京：中國鐵道出版社，2014.