奧貝體鋼軌和珠光體鋼軌氣壓焊接頭界面行為及力學性能分析

謝 航，戴 虹，唐 充

西南交通大學 材料科學與工程學院，四川 成都 610031

0 前言

隨著重載線路的運量和軸重不斷增加，對鋼軌的性能要求也隨之攀升，而珠光體鋼軌理論上的力學性能極限已無法滿足當下需求。貝氏體鋼軌具有較高的強度、良好的韌性與塑性，并且表現出極好的強韌性配合，其韌性尤為突出，是珠光體鋼軌的2～5倍［1-2］。

目前貝氏體鋼軌應用于轍叉的較多，還未有大規模鋪設于運輸正線線路的實例，其原因：一是相比于珠光體鋼軌，貝氏體鋼軌合金含量較高，生產工藝復雜；二是焊接接頭質量不高，目前還沒有成熟的焊接及熱處理方式能夠完全消除焊接缺陷［3-4］。我國近10年間對貝氏體鋼軌焊接研究主要集中在鋁熱焊和閃光焊，在焊接工藝和焊后熱處理工藝等方面均有所成果［5-8］，國內將氣壓焊應用于貝氏體鋼軌焊接的研究還較少［9］。氣壓焊屬于固相焊，不同于熔化焊，其接頭不會形成鑄態組織和氣孔，能夠完成同種及異種鋼軌對焊、同種材質不同狀態鋼軌對焊［10］。但氣壓焊接頭外觀質量較差，平面缺陷是鋼軌氣壓焊接頭中最常見的缺陷，極易在焊縫處發生突然斷裂或疲勞斷裂，嚴重影響行車安全。

貝氏體鋼與珠光體鋼之間的焊接屬于異種鋼焊接，由于其本身的化學成分、熱物理性能和線膨脹系數不同，使得焊后的接頭存在組織不均勻性和接頭殘余應力，從而導致接頭韌塑性和強度下降，一般都會有焊后的熱處理工序。本文對火焰正火前后的貝氏體鋼軌與珠光體鋼軌氣壓焊混焊的可焊性以及混焊接頭組織和力學性能進行探究，通過光學顯微鏡（OM）、掃描電鏡（SEM）、沖擊、拉伸、硬度等常規力學試驗，探究異種鋼鋼軌氣壓焊接頭焊縫界面的冶金結合特征與力學性能水平，為生產一線從事異種鋼軌焊接的技術人員提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

試驗材料為60 kg/m U75V珠光體鋼軌和U26 Mn2Si2CrNiMo奧貝體鋼軌（下文簡稱U26Mn鋼軌），鋼軌化學成分和主要力學性能如表1、表2所示。

表1 U26Mn鋼軌和U75V鋼軌化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of U26Mn rails and U75V rails（wt.%）

表2 U26Mn鋼軌和U75V鋼軌力學性能Table2 Mechanical properties of U26Mn rails and U75V rails

1.2 試驗方法及設備

試驗采用GPW-1200氣壓焊軌機進行U26Mn鋼軌與U75V鋼軌焊接，焊接參數：焊接加熱350 s，加熱器擺幅4 mm，乙炔/氧氣流量為96/94 SLM、90/88 SLM、82/80 SLM，在加熱至220 s、300 s時改變流量，最小保壓壓力5.5 MPa，頂鍛量30 mm，冷卻階段風冷時間200 s，風壓0.35 MPa；同時設置900℃±20℃正火態接頭對照試驗組，正火工藝為：正火時間200 s，氣體流量74/68 SLM，加熱器擺幅5～26 mm，冷卻階段風冷時間200 s，風壓0.3 MPa，加熱器擺幅20～30 mm由窄到寬漸變。

（1）采用蔡司Alm光學顯微鏡（OM）、JSM-IT500掃描電鏡（SEM）觀察分析接頭顯微組織形貌。

（2）拉伸試驗依據TB/T 1632.4規定，試樣采用d0=10 mm，l0=5d0的比例，軌頭軌腰軌底各取樣3個，在DNS300電子萬能試驗機上進行，記錄抗拉強度及斷后延伸率，并計算平均值。

（3）沖擊試驗依據TB/T 1632.4規定，采用夏比U型缺口試樣，缺口直徑2 mm位于焊縫中心，在軌頭、軌腰、軌底各取樣3個，室溫下在JBN-300擺錘式沖擊試驗機上進行，記錄沖擊功，并計算平均值。

（4）軌頂面硬度根據TB/T 1632.4要求，以接頭焊縫為中心，兩側大于110 mm長度的鋼軌為硬度測試試樣，采用OU2100里氏硬度計時測量軌頂面硬度，以加密測試點數量的測試方法減小誤差，在兩側熱影響區與母材交界線范圍內每間隔2.5 mm測量一個硬度值，交界線范圍外母材硬度每間隔7.5 mm測量一個位置，每個位置測5次后計算平均值。焊接接頭實物與取樣位置示意如圖1所示。

圖1 氣壓焊接頭與取樣位置示意Fig.1 Schematic diagram of gas pressure welding joint and sampling position

2 試驗結果

2.1 接頭宏觀與微觀特征

U26Mn與U75V異種鋼鋼軌氣壓焊焊態接頭與正火態接頭金相組織如圖2所示。焊縫左側為U75V鋼軌，組織為珠光體+少量鐵素體，右側為U26Mn鋼軌，組織為貝氏體+殘余奧氏體。焊態接頭的貝氏體組織中存在頂鍛時產生的塑性變形流線（見圖2a），經正火工藝后消除了形變流線，使接頭組織均勻化（見圖2b）。

圖2 U26Mn鋼軌與U75V鋼軌氣壓焊焊態、正火態接頭金相組織Fig.2 Metallographic microstructure of as-welded joint and normalized joint of U26Mn rail and U75V rail

圖3a～圖3f為焊態接頭SEM圖。圖3a中，焊縫界面上貝氏體與珠光體組織結合致密，未見明顯的裂紋，能觀察到垂直于焊縫方向生長的等軸狀珠光體過渡層，寬度約5 μm，其片層間距明顯小于熱影響區珠光體片層間距；圖3b中，焊縫位置存在長度約4 μm的橢球狀夾雜物，夾雜物周圍存在空隙，其周圍沒有明顯的過渡層組織。在焊態接頭軌底腳最邊緣位置（見圖3d、3e），該區域存在大量條狀夾雜、微裂紋以及脫碳層，焊縫處存在未焊合的缺陷，表明軌底腳最邊緣位置結合情況較差。圖3g～圖3i為正火態接頭SEM圖，對比焊態與正火態接頭熱影響區組織，正火態接頭珠光體熱影響區晶粒尺寸更小；焊態貝氏體熱影響區殘余奧氏體以粗條狀居多，而正火態貝氏體熱影響區的薄膜狀殘余奧氏體增多。

圖3 U26Mn鋼軌與U75V鋼軌氣壓焊焊態、正火態接頭顯微組織Fig.3 SEM of as-welded joint and normalized joint of U26Mn rail and U75V rail

2.2 拉伸試驗結果

拉伸試驗結果如表3所示，焊態接頭1#～7#試樣的斷口位于焊縫位置，其中軌腰的平均強度最低，為1 077 MPa，軌頭平均強度最高，為1 116 MPa，相差3.6%；焊態接頭總體平均強度為1 101 MPa，高于U75V母材強度標準（980 MPa），達到U26Mn母材強度的86%。焊態接頭總體平均延伸率低于TB/T 1632.4規定標準A≥6%。

表3 拉伸試驗結果Table 3 Results of tensile test

正火態接頭1～4#的斷口位于珠光體HAZ，斷裂位置距離焊縫約5～10 mm，表明正火后焊縫位置的抗拉強度不低于珠光體熱影響區。軌底位置的平均強度最高，軌頭最低，相差6.1%，接頭總體平均強度提高到1 156 MPa，相較于焊態接頭提高約5.0%，達到U26Mn母材強度的90%。正火態接頭各位置的平均延伸率相較焊態接頭均有所提高，且總體平均延伸率滿足標準要求。

2.3 沖擊試驗結果

沖擊試驗結果如表4所示。焊態接頭軌頭平均沖擊功最高，軌底三角區最低，相差18.9%；焊態接頭總體平均沖擊吸收功為4.0 J。正火態接頭軌腰平均沖擊吸收功最高，與最低的軌頭部分相差8.7%；正火態接頭總體平均沖擊功為4.7 J，相較焊態接頭，正火處理對接頭沖擊功提升17.5%。但焊態與正火態接頭的沖擊性能均與母材有很大差距，僅達到U75V母材的40%～47%，均未滿足TB/T 1632.4標準要求KV≥6.5 J。

表4 沖擊試驗結果Table 4 Results of impact test

2.4 軌頂面硬度

焊態與正火態接頭軌頂面硬度測試結果如表5、圖4所示，由于是異種鋼軌焊接，所以焊縫兩側的數據計算以各自母材為標準。由圖4可見，貝氏體鋼軌接頭硬度明顯高于珠光體鋼軌。焊態接頭貝氏體一側最高硬度為541 HB，軟化區最軟點為242 HB，正火態接頭貝氏體一側最高硬度為561 HB，軟化區最軟點最低為296 HB。經900℃±20℃正火處理后，接頭平均硬度與軟點平均硬度變化不大，變化幅度在1%～4%之間，軟化區寬度有較明顯下降，貝氏體側與珠光體側的軟化區寬度分別減小26%和34%。根據鐵道標準TB/T 1632.4中氣壓焊質量要求規定：鋼軌氣壓焊接頭軌頂面硬度應滿足HJ≥0.9HP，HJ1≥0.8HP，ω≤20 mm。除正火態接頭兩側軟點/母材的數值略低于標準，其余均符合標準要求。

表5 焊態接頭與正火態接頭軌頂面硬度測試結果Table 5 Hardness test results of rail top surface of as-welded joint and normalized joint

圖4 焊態接頭與正火態接頭軌頂面硬度曲線Fig.4 Hardness curve of top rail surface of as-welded joint and normalized joint

3 分析與討論

3.1 接頭冶金結合模型

圖5是U26Mn與U75V鋼軌氣壓焊接頭冶金結合過程的模型。當接頭溫度低于700℃時（見圖5a），兩側鋼軌均處于Ac1溫度之下，在加熱與外加壓力下，接頭界面發生塑性變形，界面上的微孔逐漸縮小，接觸面積不斷擴大；當接頭溫度達到700℃～800℃時（見圖5b），接頭組織奧氏體化并發生晶界遷移，界面兩側元素相互擴散，使微孔消除，界面逐漸形成牢固結合層；當接頭溫度達到850℃以上時（見圖5c），接頭組織完全奧氏體化，元素擴散速率增大，結合層組織在高溫下長大，氣孔完全消除；在頂鍛階段中（見圖5d），接頭在外加壓力下發生大量塑性變形，形成可靠連接，同時界面處的組織在高溫與壓力作用下發生動態再結晶（DRX），形成一層細晶組織；在冷卻過程中（見圖5e），U75V一側的細晶層轉變為珠光體垂直于焊縫界面生長，U26Mn一側的細晶層則在界面上轉變為貝氏體，其鐵素體片條尺寸小于熱影響區的貝氏體鐵素體，兩側組織在界面上交互結晶，最后形成致密的焊縫。

圖5 U26Mn鋼軌與U75V鋼軌氣壓焊接頭冶金結合模型Fig.5 Metallurgical combination model of U26Mn rail and U75V rail gas pressure welding joint

3.2 接頭界面元素擴散行為

焊態接頭焊縫位置以及夾雜位置的線掃描結果見圖6。觀察焊縫位置線掃結果（線數據1），在焊縫界面兩側4～10 μm的范圍，C、Mn、Si、Cr元素的含量呈現大致的線性變化趨勢，表明兩側鋼軌中的元素在焊縫界面附近發生了擴散，C元素從U75V一側向U26Mn擴散，Mn、Si、Cr元素從U26Mn一側向U75V擴散，其擴散方向與兩側元素含量的梯度相符合，這說明頂鍛過程發生動態再結晶的同時，兩側組織在焊縫界面上還發生了交互結晶，形成冶金結合。觀察夾雜位置處線掃結果（線數據2），能明顯觀察到在夾雜物位置處S、Mn元素含量出現峰值，同時Fe、Si、Cr元素含量出現峰谷，判斷夾雜類型為MnS，可能原因是：Mn在界面擴散過程中與S結合生成金屬間化合物。夾雜物的存在阻隔了焊縫兩側金屬組織的聯系，導致兩側組織未能接觸，焊縫界面上的元素擴散與組織交互結晶受阻，在焊縫界面上形成微孔，出現部分未焊合的缺陷。

3.3 沖擊及拉伸試樣斷口分析

圖7為焊態接頭與正火態接頭拉伸試樣斷口的宏觀形貌。焊態斷口宏觀形貌主要為顆粒狀的穿晶斷裂形貌，在試樣斷口的局部區域中存在纖維狀的暗灰色斷口形貌（見圖7a、7b），面積約10 mm2，其宏觀形貌上呈現出平坦、光滑且沒有反光顆粒。正火態接頭宏觀斷口宏觀上為顆粒狀的穿晶裂紋（見圖7c），在斷口中并未觀察到暗灰色纖維狀區域。

圖7 U26Mn鋼軌與U75V鋼軌氣壓焊接頭拉伸試樣斷口宏觀形貌Fig.7 Macroscopic morphology of tensile specimen fracture of U26Mn rail and U75V rail gas pressure welded joints

圖8為焊態拉伸試樣斷口SEM圖。A區域微觀形貌為河流花樣+部分晶粒狀斷口（見圖8a），是穿晶與沿晶斷裂混合形貌，能觀察到沿晶裂紋區域存在數個橢圓狀夾雜。根據能譜結果分析夾雜物為MnS（見圖8c），可能是Mn元素在晶界上偏析，形成的夾雜破壞了晶界的連續性，在受力時易萌生裂紋，成為裂紋源，最終沿晶界斷裂。B區域（見圖8b）微觀形貌為小韌窩+撕裂棱，是微孔聚合型斷裂特征，表明該位置組織存在交互結晶［11］。

圖8 U26Mn鋼軌與U75V鋼軌氣壓焊焊態接頭拉伸試樣斷口微觀形貌Fig.8 Microscopic morphology of tensile specimen fracture of U26Mn rail and U75V rail gas pressure welded joints

圖9為焊態與正火態接頭沖擊斷口宏觀形貌，圖10為焊態與正火態接頭沖擊斷口微觀形貌。焊態試樣沖擊斷口存在條狀暗灰色纖維狀區域，總面積約為75 mm2，其中C、D區域的微觀形貌均為沿晶斷裂形貌特征（見圖10a、10b）。斷裂面上存在連續分布球狀夾雜物，能譜分析結果為MnS（見圖10c）。正火態試樣沖擊斷口纖維狀斷口形貌面積約160mm2，其中E區域SEM樣貌為小韌窩（見圖10d），是微孔聚合型斷口；F區域SEM樣貌則是河流狀花樣，是穿晶斷裂特征（見圖10e）。

圖9 U26Mn鋼軌與U75V鋼軌氣壓焊接頭沖擊試樣斷口宏觀形貌Fig.9 Macroscopic morphology of impact specimen fracture of U26Mn rail and U75V rail gas pressure welded joints

圖10 U26Mn鋼軌與U75V鋼軌氣壓焊接頭沖擊試樣斷口微觀形貌Fig.10 Microscopic morphology of impact specimen fracture of U26Mn rail and U75V rail gas pressure welded joints

綜合沖擊與拉伸的試驗數據，可得硫化物對于焊接接頭性能影響具有各向異性。硫化物對接頭橫向的強度沒有顯著影響，接頭強度仍然可達到貝氏體母材的80%以上；對接頭縱向的沖擊韌性有著很大的影響，無論焊態還是正火態接頭，其沖擊韌性均未滿足TB/T 1632《鋼軌焊接》的標準要求。

4 結論

（1）U26Mn鋼軌與U75V鋼軌氣壓焊接頭焊縫界面兩側存在元素擴散，焊縫界面金屬在熱機循環作用下發生了交互結晶和再結晶，表明兩種鋼軌通過氣壓焊工藝能夠冶金結合（除軌底腳位置外）。

（2）U26Mn鋼軌與U75V鋼軌氣壓焊焊態及正火態接頭的抗拉強度均高于珠光體鋼軌母材，正火態接頭平均強度達到貝氏體鋼軌母材強度的90%，抗拉強度良好；焊態與正火態接頭的沖擊性能較差，未滿足標準要求；焊態接頭的軌頂面硬度、軟化區硬度的平均值以及軟化區的寬度能夠達到標準要求。正火處理對接頭的抗拉強度以及沖擊韌性的提升不明顯，對降低軟化區寬度有較好的效果。

（3）焊接接頭中的硫化物夾雜對于接頭性能影響是各向異性的。對接頭橫向的強度沒有顯著影響，對接頭縱向的沖擊韌性有著很大負面影響。