高錳鋼轍叉焊接工藝研究

姜麗麗，李向前，尉小明，李 忙

(鐵科(北京)軌道裝備技術(shù)有限公司，北京 102202)

由于高錳鋼具備優(yōu)秀的加工硬化性能，采用高錳鋼制造的轍叉在受到?jīng)_擊后表面會(huì)產(chǎn)生明顯的加工硬化現(xiàn)象，保證了轍叉工作的穩(wěn)定性[1-3]。高錳鋼轍叉被廣泛應(yīng)用于馬來西亞、印度尼西亞等東南亞國家及其他海外區(qū)域的道岔產(chǎn)品上，因此其制造技術(shù)是我國道岔廠家開拓海外市場(chǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文基于鐵科(北京)軌道裝備技術(shù)有限公司承接的新加坡高鐵項(xiàng)目，進(jìn)行高錳鋼轍叉焊接工藝的研究。

高錳鋼屬單相奧氏體鋼，這種組織有較高的熱裂紋敏感性，在熱影響區(qū)極易誘發(fā)液化裂紋，因此焊接時(shí)應(yīng)減少受熱程度和受熱時(shí)間[4-6]。而鋼軌含碳量高，焊接時(shí)為防止焊接裂紋的產(chǎn)生，需焊接前預(yù)熱，焊接后緩冷。將高錳鋼轍叉和高碳鋼鋼軌直接進(jìn)行焊接，無論是焊接工藝還是焊接材料的選擇難度都比較大。因此目前世界上比較先進(jìn)的技術(shù)就是選擇一種焊接性能好的材料作為中間介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)2種材料的焊接連接[7-9]。以前只有奧地利、法國等少數(shù)幾個(gè)國家掌握了該項(xiàng)焊接技術(shù)，后來包括我國在內(nèi)的世界各國科研工作者經(jīng)過不懈的努力，利用閃光對(duì)焊的方法將高錳鋼轍叉和高碳鋼鋼軌成功地焊接在一起。本文通過試驗(yàn)，比較采用2種不銹鋼介質(zhì)的焊接接頭性能，從而判定2種介質(zhì)的優(yōu)劣，優(yōu)選出較為合適的不銹鋼焊接介質(zhì)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試件分別為R350HT鋼軌和高錳鋼轍叉。不銹鋼介質(zhì)采用單相奧氏體不銹鋼及雙相不銹鋼，2種介質(zhì)的化學(xué)成分和機(jī)械性能見表1。

表1 不銹鋼介質(zhì)的化學(xué)成分和機(jī)械性能

1.2 接頭形式及試驗(yàn)方案

每個(gè)焊接接頭均由2次焊接完成。首先進(jìn)行鋼軌和不銹鋼介質(zhì)的焊接，焊接完成后對(duì)焊接接頭介質(zhì)側(cè)進(jìn)行劃線鋸切，正火后再進(jìn)行高錳鋼轍叉與介質(zhì)的焊接。分別使用單相不銹鋼和雙相不銹鋼2種不銹鋼介質(zhì)進(jìn)行焊接試驗(yàn)，接頭形式如圖1所示。

圖1 焊接接頭形式示意

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

使用2種不銹鋼介質(zhì)各焊接7個(gè)接頭后，進(jìn)行靜彎強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度測(cè)試、無損探傷及顯微組織檢驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下。

2.1 靜彎強(qiáng)度測(cè)試

靜彎強(qiáng)度測(cè)試在智能型電液伺服 3 000 kN 鋼軌靜彎試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，支座間距1 m。各檢測(cè)5根靜彎試件，結(jié)果見表2。可知2種不銹鋼介質(zhì)焊接接頭靜彎強(qiáng)度均滿足要求。

表2 靜彎試驗(yàn)結(jié)果

注:標(biāo)準(zhǔn)要求破斷載荷≥880 kN。

2.2 拉伸強(qiáng)度測(cè)試

拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果見表3，可知單相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長率均滿足標(biāo)準(zhǔn)，雙相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭平均抗拉強(qiáng)度及斷裂伸長率不合格。

表3 拉伸試驗(yàn)結(jié)果

注：標(biāo)準(zhǔn)要求平均抗拉強(qiáng)度Rm≥520 MPa，平均斷裂伸長率A≥8%。

2.3 無損探傷

對(duì)采用2種介質(zhì)焊接的靜彎試件進(jìn)行著色探傷檢驗(yàn)。單相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭探傷結(jié)果見圖2，可知表面無缺陷顯示，符合要求。雙相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭探傷結(jié)果見圖3，可知軌頭踏面中間位置出現(xiàn)沿鋼軌橫向分布的裂紋，不滿足要求。

圖2 單相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭探傷結(jié)果

圖3 雙相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭探傷結(jié)果

2.4 顯微組織檢驗(yàn)

2.4.1 雙相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭

將其中1個(gè)出現(xiàn)裂紋的雙相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭軌頭部位進(jìn)行鋸切取樣,其宏觀形貌見圖4，接頭總長度約為40 mm，將軌頭切成3部分，分別標(biāo)記為1#—3#。在2#試塊的不銹鋼焊接介質(zhì)區(qū)域內(nèi)，軌頭踏面靠近中間位置可見一條沿鋼軌橫向分布的表面裂紋。為觀察2#試塊不銹鋼焊接介質(zhì)的顯微組織，對(duì)2#試塊的金相磨樣浸蝕后，宏觀形貌見圖5。

圖4 焊接接頭宏觀形貌

圖5 2#試塊金相磨樣的宏觀形貌

圖6為2#試塊不銹鋼焊接介質(zhì)裂紋的典型形態(tài)及顯微組織，可見裂紋較寬處已形成孔洞或裂縫。裂紋及其附近區(qū)域的顯微組織為奧氏體+鐵素體不銹鋼顯微組織，基本為奧氏體組織分布在鐵素體基體上，奧氏體與鐵素體交替分布,呈條帶狀，大部分區(qū)域的條帶狀變形較為嚴(yán)重。

2#試塊不銹鋼焊接介質(zhì)裂紋及其附近區(qū)域在掃描電鏡下的微觀形貌見圖7,能譜分析結(jié)果見表4。可知,靠近裂紋端部(能譜1位置)含有大量的 Cr 元素(質(zhì)量百分比約為30%)，應(yīng)是在奧氏體鐵素體相界上析出的富鉻σ相。能譜 2 為裂紋附近奧氏體組織的能譜分析結(jié)果，顯示該處的 Cr元素含量偏高(質(zhì)量百分比約為21%)，其形貌呈凸起光滑態(tài)。在奧氏體與奧氏體鐵素體相界上均存在少量間斷分布的細(xì)小凹坑(能譜3,4位置)，凹坑處的 Cr 元素含量同樣偏高(質(zhì)量百分比約為20%)，分析認(rèn)為該凹坑所在位置應(yīng)為富鉻的σ相。能譜 5 為裂紋附近鐵素體組織的能譜分析結(jié)果，顯示該區(qū)域的Cr含量約為 16%，明顯低于奧氏體及奧氏體鐵素體相界處的 Cr 含量，其形貌呈相對(duì)平坦態(tài)。

圖6 2#試塊不銹鋼焊接介質(zhì)裂紋的典型形態(tài)及顯微組織

圖7 2#試塊不銹鋼焊接介質(zhì)裂紋及其附近區(qū)域微觀形貌

表4 2#試塊不銹鋼焊接介質(zhì)能譜分析結(jié)果

2.4.2 單相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭

單相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭未出現(xiàn)裂紋，其顯微組織及晶粒度見圖8。可知單相不銹鋼介質(zhì)為單一奧氏體組織，晶粒度在6～8級(jí)。

綜上分析認(rèn)為：雙相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭的軌頭踏面居中位置存在沿鋼軌橫向分布的裂紋，裂紋是由雙相不銹鋼介質(zhì)Cr偏析導(dǎo)致的;單相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭未出現(xiàn)裂紋，可能是由于此介質(zhì)為單一奧氏體組織，且晶粒度級(jí)別較高。

圖8 單相不銹鋼介質(zhì)顯微組織及晶粒度

3 結(jié)論

1)單相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭表面質(zhì)量良好，探傷后表面無缺陷顯示，各項(xiàng)力學(xué)性能符合要求。

2)雙相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭抗拉強(qiáng)度不符合要求。著色探傷發(fā)現(xiàn)雙相不銹鋼介質(zhì)焊接接頭的軌頭踏面接近中心位置存在裂紋，不滿足要求，分析認(rèn)為該裂紋是由介質(zhì)本身Cr偏析導(dǎo)致的。并且雙相不銹鋼介質(zhì)呈鐵素體、奧氏體交替分布的帶狀組織，帶狀組織的存在會(huì)使金屬的力學(xué)性能呈各向異性。

3)由單相不銹鋼介質(zhì)焊接工藝試驗(yàn)確定的焊接參數(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用于新加坡高鐵項(xiàng)目的轍叉焊接中，效果良好。