U20Mn鋼軌鋼線性摩擦焊接頭組織與力學性能研究

鄭霄 譚克利 戴虹

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

關鍵詞：U20Mn鋼軌;線性摩擦焊;顯微組織;力學性能

中圖分類號：TG407文獻標志碼：A文章編號：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，對鋼軌的要求也越來越高，理論研究證明傳統珠光體鋼軌的力學性能已接近極限，具有更高強韌性、耐磨性的貝氏體鋼軌成為研究熱點[1-2]。北京特冶與包鋼聯合研制生產的U20Mn貝氏體鋼軌具有硬度高、抗疲勞和沖擊韌性強的優點，但與傳統珠光體鋼軌相比，貝氏體鋼合金元素成分高、物理性能參數差異大，導致其焊接較為困難，制約了貝氏體鋼軌的推廣應用[3-4]。

目前國內關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時易出現偏析、熱裂紋和灰斑[7-8];氣壓焊為外熱源加熱，U20Mn鋼導熱系數低使得其加熱過程中斷面溫度不均勻，完成全斷面交互結晶較困難[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運動在摩擦面及其附近區域產生摩擦熱和塑性變形，當待焊面附近區域溫度上升到接近但一般低于熔點的溫度區間，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，伴隨材料產生塑性變形及流動，通過界面的分子擴散和再結晶而實現焊接的固態焊接方法[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性能。

1 試驗條件和方法

1.1 試驗材料

試驗鋼軌為包鋼生產的U20Mn貝馬復相鋼軌，其化學成分和主要力學性能如表1所示。

1.2 試樣制備

以60 kg/m的U20Mn鋼軌為基礎，截取待焊界面尺寸如圖1所示的試件，采用線性摩擦焊進行焊接，焊接參數為：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。焊后在室溫下進行空冷得到焊態接頭，焊件實物如圖3所示。并按照圖4所示截取小試樣進行試驗：其中焊態試樣包含金相試樣1個，拉伸試樣3個，沖擊試樣2個;同時截取相同數目的試樣進行正火（850 ℃，保溫10 min）熱處理后進行試驗。

1.3 顯微組織觀察和力學性能測試

金相試樣焊縫處經機械研磨拋光、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;采用硬度計進行硬度試驗，以焊縫中心為零點，沿垂直焊縫中心線左右兩側每間隔0.5 mm取測試點，共25個測試點，試驗條件為HBW10/3000;拉伸試樣和沖擊試樣尺寸分別如圖5、圖6所示。

2 試驗結果與分析

2.1 接頭組織特征

U20Mn鋼軌鋼線性摩擦焊接頭成型良好，在整個焊縫乃至邊緣的飛邊區域均未發現微裂紋等缺陷。焊縫形狀如圖7a所示，存在兩側較寬、逐漸向焊縫心部收窄的特點，其主要原因為：在摩擦初始期間，熱量主要儲存在飛邊中，隨著摩擦的進行，飛邊以及攜帶的熱量主要向兩側擠出，同時在隨后的冷卻過程中，飛邊中的絕大多數熱量又通過熱傳導形式傳給了焊接件，最終導致焊縫中心區域和邊緣兩側區域存在差異。由圖7b、7c體式顯微鏡觀察結果可知，兩側焊縫區寬度約5.69 mm，心部焊縫區域寬度約4.88 mm。

在焊接過程中，焊縫及附近區域受到焊接溫度、摩擦力和頂鍛力三種因素的交叉影響，導致焊接接頭存在明顯的組織差異，可分為母材區（BM）、熱機械影響區（HMAZ）和中心焊縫區（WZ），如圖8所示。其中BM區基本未受到焊接過程影響，在低倍下可以發現水平方向的偏析流線得以保存，深腐蝕后大小規則且較為均勻的原奧氏體晶界（見圖9a）清晰可見;HMAZ區域在一定程度上受到力和溫度的雙重影響，BM區的白色偏析流線在靠近待焊界面一端中斷，同時在與BM區交界處因受到WZ區熱塑性金屬熱傳導的溫度影響，晶粒組織會發生一定的長大（見圖9b）;WZ區域在焊接過程中受摩擦壓力和振動件往復運動的影響最大，焊縫界面之間的高溫熱塑性金屬發生劇烈且連續的熱塑性變形，并隨著往復運動不斷被擠出到兩側形成飛邊，同時由于焊接頻率高，焊接速度極快（僅3～5 s），中心熱塑性金屬來不及發生再結晶和晶粒長大，使WZ區域內細小的晶粒和組織（見圖9c）在焊接停止后被保留下來，而且在一定程度上減少或消除了該區域的偏析流線，在深腐蝕后可以發現組織為比母材更加細小的貝馬復相組織。

1號金相試樣在箱式電阻爐進行850 ℃、保溫10 min和空冷的正火處理后，宏觀觀察發現原有的BM、HMAZ、WZ分界不再明顯（見圖10），原本BM區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。經深腐蝕后發現HMAZ和WZ區域均為形狀細小、致密的貝馬復相組織（見圖11），焊縫區域處組織趨于更加均勻連續。

焊態和正火態硬度試驗測試結果如圖12所示?？梢钥闯?，焊態接頭存在明顯的軟化區，其中最軟點硬度低至276.6 HB，母材—焊縫—母材區域硬度變化跨度大，這主要是焊態接頭組織大小存在差異所致：WZ區域通過擠壓破碎形成的細小組織產生細晶強化，因而硬度較高，而HMAZ與BM交界處因存在一定過熱導致晶粒長大使得硬度有所下降。經正火熱處理后，WZ區域組織發生一定程度的長大，硬度下降，而HMAZ與BM交界處的過熱區組織又得到一定程度的細化，硬度提高，各區域組織和性能趨于均勻一致。

2.2 沖擊和拉伸性能

沖擊試驗結果如圖13、圖14所示，焊態和正火態接頭沖擊功數值差異不大。焊態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交界處存在強韌性較差的粗晶區，撕裂路徑發生偏移，未能反映出焊態接頭焊縫的真實沖擊韌性;正火態試樣沿缺口從焊縫撕開，剪切唇區明顯。

拉伸試驗結果如圖15～圖17所示。可以看出，焊態接頭斷裂位置均在HMAZ與BM區交界區域，且斷裂處頸縮不明顯，這是由于該處組織因過熱發生一定程度上的長大，表現出焊縫區強韌性降低。由圖17可知，焊態時抗拉強度平均值為1 325 MPa，延伸率較低，僅5.5%;經正火后，軟化區得到改善，焊縫區組織均勻連續，斷裂位置均離焊縫較遠，拉伸強度表現為正火后的母材性能，正火態接頭拉伸試樣斷裂前集中塑性變形明顯，斷口呈纖維狀，色澤發暗，試驗最大力高，具有較好的強韌性，抗拉強度為1 634 MPa（比焊態提高23.3%），延伸率為10.0%（提高81.8%）。對焊態和正火態接頭進行SEM分析發現，焊態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;正火態接頭斷口主要表現為韌窩特征（見圖18b），韌性較好。

3 結論

（1）在參數為頻率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缺陷的焊縫，接頭成型良好，接頭焊縫區寬度為4.88～5.69 mm。

（2）U20Mn鋼線性摩擦焊焊態接頭焊縫區可分為母材（BM）、熱機械影響區（HMAZ）、焊縫中心區（WZ）。WZ由于受摩擦擠壓作用形成了細小的貝馬復相組織，HMAZ與BM交界處由于過熱出現明顯的軟化現象。

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

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