組合轍叉心軌的堆焊修復(fù)

王曉軍，張本朋，夏天東，郭鐵坤

（1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 前言

近年來(lái)，為了滿(mǎn)足現(xiàn)代鐵路重載、快速的發(fā)展要求，鐵路轍叉及鋼軌已發(fā)展和應(yīng)用高性能、長(zhǎng)壽命的貝氏體組合轍叉和貝氏體鋼軌[1]。世界各國(guó)都開(kāi)展了對(duì)高強(qiáng)度、高硬度、韌性和耐磨性能好、綜合力學(xué)性能強(qiáng)的貝氏體鋼的研究[2-3]。

1 合金鋼組合轍叉心軌失效分析

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

某工務(wù)段貝氏體鋼轍叉心軌在補(bǔ)焊前出現(xiàn)了局部損傷，隨后對(duì)損傷的部位進(jìn)行打磨和清理，磁粉檢測(cè)發(fā)現(xiàn)沒(méi)有裂紋，然后采用專(zhuān)用焊條進(jìn)行焊條電弧焊堆焊修補(bǔ)。補(bǔ)焊修復(fù)后使用不久就又出現(xiàn)裂紋。裂紋源位于轍叉心軌表面大約7～8 mm的部位。由于裂紋源的存在，逐步轉(zhuǎn)入橫向發(fā)展，向上逐步擴(kuò)展到心軌頂面，向下逐步擴(kuò)展到40 mm的深處。

1.2 組織檢驗(yàn)

堆焊層形貌如圖1所示。從圖1可知，堆焊層明顯的分為兩層，左側(cè)的顏色較深，右側(cè)的顏色較淺。在1 000倍下選擇三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行EDS分析。焊縫熱影響區(qū)和母材由于碳含量較高而合金元素含量較低，顏色較深。

圖1 堆焊層形貌

1.3 綜合分析

焊接形成的微區(qū)平面狀缺陷在應(yīng)力作用下逐步形成了微裂紋，隨著微裂紋的逐步長(zhǎng)大，在彎曲應(yīng)力的作用下又逐步橫向擴(kuò)展，結(jié)果形成了宏觀(guān)裂紋。

缺陷的形成原因是由于焊接工藝執(zhí)行不當(dāng)造成。最直接的原因可能是焊接時(shí)電弧電壓過(guò)高，運(yùn)條擺動(dòng)速度過(guò)快、寬度過(guò)大，結(jié)果導(dǎo)致焊道之間的金屬未達(dá)到良好的熔合，也可能是微小的焊渣未能浮出焊縫而形成夾渣，造成缺陷。解決上述問(wèn)題的主要方法是焊接時(shí)應(yīng)使電弧電壓保持在焊接工藝要求的范圍內(nèi)，不要超過(guò)設(shè)定值。如果焊工不能有效控制電弧電壓，應(yīng)對(duì)其進(jìn)一步培訓(xùn)。表面堆焊，運(yùn)條時(shí)也不宜大范圍的擺動(dòng)，這樣才能確保焊縫金屬與焊道表面金屬能夠良好熔合。

2 合金鋼組合轍叉心軌焊接性分析

2.1 焊材的選擇

按照國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)的碳當(dāng)量公式計(jì)算碳當(dāng)量為0.86%，其可焊性非常不理想，淬硬傾向較大，熱影響區(qū)極易產(chǎn)生冷裂紋。因此必須采用嚴(yán)格的工藝措施，嚴(yán)格控制線(xiàn)能量、預(yù)熱及后熱溫度，以防止冷裂紋和結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生。

2.2 焊接規(guī)范及焊接工藝

在經(jīng)過(guò)處理的轍叉心軌表面用時(shí)代脈沖氬弧焊機(jī)（WSM-200）堆焊三層，焊絲為韓國(guó)現(xiàn)代焊絲SC-350H，堆焊方法采用TIG焊，鎢極材料為鈰鎢極，氬氣純度99.95%。焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 鎢極氬弧焊（TIG）焊接參數(shù)

2.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)GB/T 2653-2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》，彎曲試樣均沒(méi)有裂紋。說(shuō)明堆焊層的塑性比較好，滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

參照 GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》，發(fā)現(xiàn)堆焊層的沖擊韌性隨著焊接熱輸入的增加有所下降。當(dāng)焊接熱輸入為115 A時(shí)沖擊韌性最差，但也高于母材。

測(cè)試不同電流堆焊的試樣硬度，從基體開(kāi)始向堆焊層方向測(cè)試硬度，每隔1mm測(cè)試一次，得到如圖2所示的硬度分布，由圖2可知，硬度呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，在熔合區(qū)達(dá)到最大值，到堆焊層硬度又開(kāi)始下降。基體處硬度越來(lái)越高，是因?yàn)榫嚯x焊縫越來(lái)越近，受到熱影響大，晶粒變大，導(dǎo)致硬度上升。

圖2 不同電流堆焊試樣的硬度分布

隨著堆焊線(xiàn)能量的增加，基體硬度也隨之增加，因?yàn)槭艿降臒嵊绊懘螅Я４执螅捕壬仙Ｔ谌酆蠀^(qū)過(guò)冷度過(guò)大，形成一些比較硬脆的組織，硬度最高，高于堆焊層和基體。堆焊層一開(kāi)始因?yàn)橄♂屄实挠绊懀瑢?dǎo)致硬度偏高，隨著堆焊層數(shù)的增加，硬度趨于正常。但是整體堆焊的硬度高于常溫下母材的硬度。

隨著電流增加，在其他條件不變的前提下，堆焊層的厚度隨著電流的增加而減小。這是因?yàn)榫€(xiàn)能量增加，導(dǎo)致熔池變深，而導(dǎo)致了堆焊層厚度的減小；線(xiàn)能量增加，合金焊絲受到的熱影響大，在基材表面鋪的很寬，而導(dǎo)致堆焊層厚度減小。

2.4 斷裂形貌

115 A堆焊后的沖擊試樣斷裂形貌如圖3a所示，缺口位置在下方。母材呈韌性斷裂特征，在沖擊斷口纖維區(qū)有等軸韌窩形貌（見(jiàn)圖3b）。在熔合區(qū)的斷口是剪切狀的韌窩（見(jiàn)圖3c）。堆焊層上是沖擊斷口剪切唇區(qū)中拋物線(xiàn)形韌窩形貌（見(jiàn)圖3d），且韌窩較小，說(shuō)明材料的韌性較好。對(duì)圖3d進(jìn)行EDS分析，發(fā)現(xiàn)Cr，Ni相對(duì)較高，由于這兩種元素的存在，所以此處的韌性良好，而且耐腐蝕性也很好。

2.5 摩擦磨損試驗(yàn)

對(duì)115A的堆焊層進(jìn)行加工取樣10mm×10mm×4mm。對(duì)比母材和堆焊層的摩擦因數(shù)，如圖4、圖5所示，滑動(dòng)磨損的開(kāi)始階段為粘著磨損，摩擦副之間發(fā)生粘著，磨損開(kāi)始階段滑動(dòng)摩擦因數(shù)急劇升高，摩擦因數(shù)達(dá)到最大值后，隨著滑動(dòng)距離的增長(zhǎng)，磨削數(shù)量的增加，摩擦副表面發(fā)生粘著的傾向變小，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。當(dāng)同取時(shí)間200 s時(shí)發(fā)現(xiàn)，堆焊層的摩擦因數(shù)變化比母材心軌的變化大。

圖3 115 A堆焊后的沖擊試樣斷裂形貌

圖4 心軌鋼的摩擦因數(shù)

采用三維造型軟件進(jìn)行心軌母材和堆焊層的二維和三維的微觀(guān)形貌造型（圖6為堆焊層微觀(guān)形貌）。母材的 z向范圍是-20～20 μm，而堆焊層的z向范圍是-20～10 μm，說(shuō)明堆焊層的耐磨性比心軌母材要好。

2.6 堆焊層組織分析

電流為115A的堆焊合金層的顯微組織如圖7所示。由圖7可知，合金層中有一個(gè)非常狹小的熔合區(qū)，熔合區(qū)附近枝晶呈粒狀和小球狀，遠(yuǎn)離熔合區(qū)，枝晶呈現(xiàn)出一種軸狀，中心大致垂直于熔合線(xiàn)，在軸狀大枝晶周?chē)稚L(zhǎng)出許多細(xì)小的枝晶組織，在枝晶組織之間的空隙處又有很多顏色相對(duì)于枝晶組織更深的組織。從圖7可以看出，熔合線(xiàn)并不是一條平坦的曲線(xiàn)，且熔合區(qū)寬度不一致，說(shuō)明焊層金屬與基材金屬之間的元素濃度梯度大，擴(kuò)散作用強(qiáng)，在形成熔池的過(guò)程中，元素相互擴(kuò)散，在凝固過(guò)程中形成了非常好的冶金結(jié)合。

圖5 堆焊層的摩擦因數(shù)

堆焊層區(qū)域在熱源的作用下，由于液態(tài)金屬的成分起伏比較大，在局部區(qū)域冷卻速度不同，從而使組織呈現(xiàn)明顯的不均勻性。熔合區(qū)左側(cè)隨著液相溫度梯度減小，成分過(guò)冷增大，晶核迅速長(zhǎng)大，從而形成了柱狀晶組織。柱狀晶的生長(zhǎng)方向順著熱流的方向，垂直于熔合線(xiàn)方向。圖8a為堆焊層遠(yuǎn)離熔合線(xiàn)位置的組織，由于溫度梯度不大，形成的一次晶主干很短，組織呈現(xiàn)顆粒狀；圖8b為靠近熔合線(xiàn)附近的柱狀晶相圖，可以很明顯的看到柱狀晶。

圖6 堆焊層微觀(guān)形貌

圖7 堆焊層組織

圖8 堆焊層及熔合線(xiàn)組織

3 結(jié)論

（1）彎曲試驗(yàn)證明堆焊層的韌性良好，母材和堆焊層的沖擊試驗(yàn)證明了堆焊層的沖擊功要大于母材的沖擊功。

（2）隨著電流增加，在其他條件不變的前提下，堆焊層的厚度幾乎隨著電流成線(xiàn)性減小。

（3）硬度試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)線(xiàn)能量影響熔合線(xiàn)和堆焊層的硬度，熱輸入大某種程度上堆焊層硬度也有所提高，但是電流過(guò)大容易導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

（4）摩擦磨損試驗(yàn)證明堆焊的耐磨性比母材好。

（5）金相組織分析證明，母材與堆焊層冶金結(jié)合良好。

[1]黃衛(wèi)國(guó).鋼軌無(wú)逢線(xiàn)路焊接技術(shù)現(xiàn)狀[J].焊接學(xué)報(bào)，2006（3）：37-39.

[2]Kevin Sawley，MitonScholl.The development of bainiticsteels for rails[C].Iron and Steel Society/AIME，39 th Mechanical Working，1998.

[3]BruceL，Bramfitt.Themetallurgicalcharacteristics of bainitic frogs for HALservice[J].RailwayTrack&Structures，1997（12）：14-16.