預熱溫度對U75V激光熔覆成形性能的影響

寇榮魁， 朱加雷， 焦向東， 童佟， 李叢偉

(北京石油化工學院，北京 102600)

0 前言

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，到“十三五”期末，我國投入使用的高鐵線路總長超過3.8萬公里，位居世界第一[1]。隨著運行線路和建設(shè)里程的持續(xù)增多，軌道出現(xiàn)了側(cè)磨、剝離、擦傷、硌傷等損傷[2]。根據(jù)TB/T 3119—2005《鐵道舊軌使用和整修技術(shù)條件》規(guī)定，可使用激光熔覆進行修復，獲得熔覆層后通過切削加工的方式重新實現(xiàn)舊軌的修整再使用[3-4]。

激光熔覆存在極熱極冷的“淬火”特性，導致鋼軌的熔覆區(qū)與熱影響區(qū)極易出現(xiàn)大量的馬氏體組織，不符合鋼軌修復時禁止馬氏體出現(xiàn)的要求[5-6]。根據(jù)研究[7-11]可知，溫度對馬氏體組織的轉(zhuǎn)變影響很大。彭謙等人[12]研究預熱對激光熔覆12CrNi2合金鋼組織、硬度和拉伸性能的影響，結(jié)果表明,未預熱的單層熔覆層組織為板條馬氏體，多層熔覆層組織為回火馬氏體和貝氏體混合組織，而預熱的單層熔覆層組織為貝氏體，多層熔覆層組織主要為粒狀貝氏體，預熱比未預熱的截面硬度分布更均勻。Hu等人[13]研究10Ni3CrMoV鋼在室溫和不同預熱溫度下的焊接性能，結(jié)果表明，在120 ℃下，粗晶區(qū)和熔合區(qū)組織具有較高的抗冷裂性和良好的沖擊韌性，在120 ℃下獲得的焊接接頭具有良好的力學性能，能夠滿足造船工業(yè)的技術(shù)要求。Su等人[14]研究了預熱對42CrMo4/38MnVS6激光焊接接頭組織和力學性能的影響，結(jié)果表明，未預熱的焊縫組織為片狀馬氏體；隨著預熱溫度的升高，焊縫中的片狀馬氏體開始向板條馬氏體轉(zhuǎn)變，并再生鐵素體和貝氏體。與不預熱相比，預熱后的焊接接頭抗拉強度有所提高。Cai等人[15]利用有限元程序分析了不同預熱溫度下的溫度場和組織轉(zhuǎn)變的變化規(guī)律，結(jié)果表明，當預熱溫度為20～300 ℃時，隨著預熱溫度的升高，熔覆層中貝氏體含量逐漸增加，鐵素體和馬氏體含量逐漸減少；但當預熱溫度高于300 ℃時，隨著預熱溫度的升高，熔覆層的冷卻速率急劇下降，鐵素體含量增加，貝氏體含量減少。

文中擬通過對熔覆試件進行不同溫度下的預熱處理，研究不同預熱溫度下熔覆層的成形效果，并分析最佳預熱溫度下熔覆層的微觀組織、硬度及與母材性能的匹配程度。旨在通過預熱處理降低冷卻速度，改變激光熔覆極冷極熱的“淬火”特性，以達到減少或者杜絕馬氏體組織產(chǎn)生的目標，這對于進一步優(yōu)化鋼軌熔覆修復具有重要意義。

1 試驗材料與研究方法

1.1 激光填絲熔覆工藝

母材采用10 mm厚度的U75V鋼軌片狀基板， 焊絲采用直徑1.2 mm的AFEW6-86合金鋼絲材,母材與焊絲的具體成分見表1。使用RFL-C6000X光纖激光器和JR-P32-001激光頭進行試驗。根據(jù)前期試驗，得到了優(yōu)化的單層激光熔覆工藝參數(shù)見表2。

表1 U75V鋼軌和AFEW6-86鐵基合金的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 激光熔覆工藝參數(shù)

1.2 預熱工藝

將母材放在CT-946B微電腦控溫加熱板進行加熱，達到指定溫度后停止加熱。通過對母材在50～200 ℃溫度梯度內(nèi)預熱，取值25 ℃為溫度差，研究不同預熱溫度下熔覆層成形效果及性能變化。

2 試驗材料與研究方法

2.1 熔覆層高度的研究分析

以5層5道為試驗基礎(chǔ)，利用操作平臺向上抬升z軸逐層堆積，熔覆層高度分別為0.8 mm，1.0 mm，1.2 mm，1.4 mm，研究高度變化與成形質(zhì)量的影響，為研究預熱對多層多道激光熔覆的影響提供基礎(chǔ)。選擇不同的熔覆層高度下多層熔覆層的成形效果如圖1所示。

圖1 不同熔覆層高度下多層熔覆層的成形效果

由圖1分析可知，當抬升高度小于單層熔覆層高度1.1 mm時，焊絲受激光能量影響較大，圖1a和圖1b的外部邊緣位置隨著堆積層數(shù)的增加出現(xiàn)了一定程度的熔池下淌，整個熔覆層高低不一。當熔覆層高度為1.2 mm時，熔覆層外觀平滑明亮且邊緣無塌陷，熔覆層頂層平整度較高，熔覆層邊界呈現(xiàn)圓弧形。當熔覆層高度過大時，熔覆層與下層之間結(jié)合性會越來越差，導致熔池的流淌，形成圖1d所示的凹坑缺陷。選用熔覆層高度為1.2 mm進行多層堆積成形效果良好，表面平整光滑。

2.2 預熱處理對熔覆層成形的影響

50～200 ℃預熱溫度梯度內(nèi)單層熔覆層的成形效果如圖2所示，熔覆層尺寸變化如圖3所示。由圖2中各宏觀截面圖分析可知，當預熱溫度較小時，溫度與最佳參數(shù)之間的匹配度較差，熔覆層出現(xiàn)了較大的孔洞和熔深分布不均勻的缺陷，熔覆層整體尺寸波動較大?？锥吹漠a(chǎn)生原因是低溫板材在熔覆過程中金屬元素蒸發(fā)變快，促進了小孔的渦流作用，使得更多氬氣進入，導致形成孔洞。熔深分布不均勻的原因是低溫板材在熔覆過程中熔池中低熔點的元素揮發(fā)速度加快，形成的等離子云團阻礙了部分母材受到激光作用能量，不能形成完整的熔池。

圖2 不同預熱溫度下熔覆層成形

對比圖3分析可知，當預熱溫度大于125 ℃后，熔覆層的各尺寸變化平穩(wěn)，但預熱溫度過大容易使熔覆層往一邊塌陷。因此，125 ℃為最佳預熱溫度，熔覆層熔寬和余高分別為4.8 mm和1.6 mm。

圖3 預熱溫度對熔覆尺寸影響

根據(jù)圖4分析可知，最佳參數(shù)與最佳預熱溫度下堆積的多層熔覆層的成形效果良好，各道之間的熔合良好、搭接效率較高，且熔覆層的表面平整光滑、無缺陷存在。

圖4 最佳預熱多層熔覆層

2.3 金相分析

圖5為熔覆層組織圖，圖5a中熔覆區(qū)主要為魏氏組織。魏氏組織會減弱熔覆層的沖擊韌性和塑性，且增強材料的脆性，使熔覆區(qū)容易產(chǎn)生脆斷。圖5b中熱影響區(qū)主要為針狀馬氏體。珠光體受到激光熱量傳導后發(fā)生了奧氏體轉(zhuǎn)化，但激光作用時間較短，隨后基材又迅速散熱降溫，導致馬氏體呈現(xiàn)爆發(fā)式的轉(zhuǎn)變。圖5c中熔覆區(qū)主要為下貝氏體。基板預熱后溫度一直保持在125 ℃，熔覆層溫度不會冷卻降至125 ℃以下。隨著熔覆層冷卻速度降低，下貝氏體組織增多。下貝氏體由鐵素體與碳化物構(gòu)成，具有較高的強度和韌性。圖5d中熱影響區(qū)仍存在較多馬氏體組織，靠近熔合線的熱影響區(qū)與熔池溫差較大，受到熱量散發(fā)的影響產(chǎn)生馬氏體組織，預熱對該區(qū)域組織成分的影響較小。但隨著遠離熔合線，馬氏體逐漸減少甚至不再出現(xiàn)。圖5e中熔覆區(qū)主要為粒狀貝氏體。多層堆積時下層的余溫導致上層堆積的熔覆區(qū)的冷卻變慢，奧氏體發(fā)生中溫轉(zhuǎn)變?yōu)榱钬愂象w。粒狀貝氏體能為材料提供較大的強度和韌性，較為適應鋼軌修復后的性能需求。圖5f中熱影響區(qū)主要為片狀馬氏體。多層堆積引起的回火作用分解了適量馬氏體組織，馬氏體組織大小與密度顯著減少，粗針狀馬氏體的數(shù)量和聚集程度嚴重下降。圖6為最佳預熱溫度多層熔覆層。

圖5 熔覆層組織圖

圖6 最佳預熱溫度多層熔覆層

2.4 硬度分析

由圖7分析可知，無論是否預熱，單層的熱影響區(qū)的硬度值遠大于多層，由于單層熔覆層的熱影響區(qū)存在的片狀馬氏體極大地提高了硬度，而多層熔覆層因搭接后的回火作用分解了大部分針狀馬氏體。多層與單層熔覆區(qū)之間的硬度值差距大幅度下降。原因是未預熱與預熱后單層的熔覆區(qū)中分別存在魏氏組織與下貝氏體，都提高了材料的硬度。而無預熱多層的熔覆區(qū)中存在的粒狀貝氏體硬度較小，預熱多層的熔覆區(qū)中存在的等軸晶與柱狀晶對硬度變化影響較小。

圖7 各位置硬度變化曲線

綜上所述，預熱工藝雖然使激光熔覆后試板的冷卻速度降低，但對馬氏體組織的轉(zhuǎn)變影響較小，需通過回火后處理消除馬氏體，降低硬度值。

3 結(jié)論

(1)選擇過大或過小的熔覆層厚度進行多層熔覆層堆積都會引起熔覆層邊緣塌陷、熔池流淌的缺陷，單層熔覆層厚度為1.2 mm時成形的熔覆層質(zhì)量較好，表面光滑無缺陷。

(2)預熱溫度低于125 ℃時，熔覆層出現(xiàn)了孔洞和熔深分布不均勻的缺陷，整體尺寸波動較大，125 ℃預熱成形的多層熔覆層成形質(zhì)量較好，無明顯缺陷。

(3)單層熔覆層在母材預熱后熔覆區(qū)組織由魏氏組織變化為下貝氏體，熱影響區(qū)仍存在較多馬氏體，主要為粗晶馬氏體，硬度變化較小。

(4)預熱的單層和多層熔覆層在熔覆區(qū)的硬度值均大于未預熱的熔覆層，熱影響區(qū)與之相反。單層熔覆層熱影響區(qū)和熔覆區(qū)的硬度值均大于多層熔覆層，且熱影響區(qū)與熔覆區(qū)之間的差距較大。