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中频感应正火对贝氏体钢与U75V 钢轨闪光对焊接头组织与性能的影响

 GXF360 2019-11-07

随着铁路运输量不断增加,为满足运输要求,国内铁路正向着高速重载方向发展。目前,国内时速160km以下线路道岔广泛使用合金钢组合辙叉,其心轨采用高耐磨、高强韧性的贝氏体钢整体锻造成形,并与其后叉跟轨拼接而成,大大提高辙叉使用寿命。贝氏体合金钢道岔和U75V钢轨因耐磨性能好、抗剥离、抗波浪磨耗以及综合使用性能优良而得到了广泛应用。但是,在无缝线路的建设中,需要对贝氏体合金钢道岔与U75V钢轨进行焊接,与其他焊接方法相比,闪光对焊由于加热时间短、焊接过程不需要填充金属、冶金过程简单、焊接热影响区小、容易获得质量较高的焊接接头,而且闪光焊既能用于工厂焊接长轨,又能采用焊轨列车在现场进行钢轨或道岔的焊接,所以在世界各国无缝线路的连接中都得到了广泛的应用。为了确保贝氏体合金钢与U75V钢轨闪光焊接头的性能,闪光焊后一般均进行中频感应加热处理。

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1. 试验材料及试验方法

(1)试验材料 选用60kg/m的U75V钢和贝氏体钢,试件长度600mm,其化学成分和力学性能分别如表1和表2所示。

(2)试验方法 闪光对焊工艺试验:贝氏体合金钢道岔与U75V钢在GAA100/580道岔闪光焊机上进行闪光对焊试验,焊后对焊接接头进行中频感应正火处理,中频感应正火处理规范为加热900℃±20℃,保温时间10min。

力学性能试验:①拉伸试验。依据铁道部标准TB/T3120-AT钢轨焊接-2005焊接规定焊接性能指标,圆棒拉伸试验在WE-30液压万能试验机上进行。②冲击试验。依据铁道部标准TB/T3120-AT钢轨焊接-2005焊接规定焊接性能指标,试验采用10mm×10mm×55mm的标准冲击试件,试验设备为JB-30B冲击试验机,常温下进行试验。③静弯试验。依据铁道部标准TB/T3120-AT钢轨焊接-2005焊接规定焊接性能指标,静弯试验在JW-300型静弯试验机上进行,支座间距1m。

表1 试验材料的化学成分(质量分数) (%)

材料 C Mn Si Ni Cr Mo Al Cu Ti V Nb P S贝氏体钢0.18~0.28 1.50~2.50 0.90~1.90≤0.50 0.30~1.00 0.10~0.60≤0.004 0.15 0.025 — 0.01≤0.025≤0.015 U75V 0.72~0.82 0.70~1.05 0.60~0.90— —— — — —0.05~0.12— ≤0.04≤0.04

表2 试验材料的力学性能

材料 Rm/MPa Rp0.2/ MPa A(%) Z(%) AKU/J HRC贝氏体钢 ≥1280 ≥1030 ≥12 ≥40 轨头≥60 ≥37.0 U75V ≥1200 ≥800 ≥10 — 15.0~24.0 ≥30

组织分析与硬度测试:采用4X1型光学显微镜观察接头各区的显微组织,并对接头分别进行洛氏硬度试验,试验条件为HRC-150A。

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2. 试验结果及分析

(1)拉伸及冲击试验 拉伸试验结果如表3所示。对比表3试验结果可以看出,经正火与未正火贝氏体钢与U75V钢抗拉强度和塑性稍有差别,但断裂位置明显不同,在正火前接头断裂位置为贝氏体钢侧,在正火后接头断裂位置为U75V钢侧,这就表明接头的抗拉性能有了明显提高,同时表3中的数据较好地反应了贝氏体钢与U75V钢轨闪光对焊接头的力学性能,接头强度接近母材,证明了利用贝氏体钢与U75V钢轨直接焊接是可行的,并且性能达到了铁道部TB/T3120-AT钢轨焊接-2005焊接规定标准。同时经正火处理后试件各位置的冲击吸收能量有明显提高,提升幅度明显。由此可见,在贝氏体钢辙叉生产过程中,先进行闪光对焊后采用正火这一热处理方式,完全可以消除焊接过程带来的接头性能下降的影响,使焊缝两侧的热影响区冲击韧性重新恢复到母材水平,明显提高了接头的力学性能。

(2)静弯试验 经正火处理后,贝氏体钢与U75V钢闪光对焊接头的静弯破断载荷达到了2470kN,远高于铁道部标准TB/T3120-AT钢轨焊接-2005焊接规定焊接性能指标1425kN,挠度30.8mm,也远高于国外加介质接头的标准挠度≥18mm。

(3)金相试验 U75V钢的金相组织为珠光体,而贝氏体钢与U75V钢闪光对焊接头的各区显微组织如图1所示。可以看出,未正火贝氏体钢母材区和热影响区为交替排列的黑色粗大板条束贝氏体铁素体组织,同时奥氏体晶界处碳化物析出较多,这是由于在未发生奥氏体转变的组织中,含碳量较低的贝氏体铁素体板条并未完全溶解,但含碳量较高的残余奥氏体薄膜分解成细小的碳化物并聚集到晶界处,该细小碳化物的存在,成了变形中启裂源,严重降低了组织的冲击韧性。而将接头加热到900℃±20℃保温10min后进行正火处理,如图1a和图1b所示,贝氏体铁素体板条束尺寸变的细小且密集,生成大量的针状贝氏体铁素体束,组织比较均匀,同时晶界处碳化物析出明显减少,这也提高了组织的冲击韧性。未正火贝氏体焊缝区为粒状、条状贝氏体铁素体束和粗大块状珠光体混合组织,这是由于焊缝处相当于一个铸造过程,同时焊缝中心是最后一个凝固过程,冷速较慢,所以不但奥氏体晶粒粗大,而且奥氏体转变成珠光体团尺寸也会比较粗大。在经正火处理后,如图1c所示,焊缝发生了重新奥氏体化过程,随后的冷却过程在高温停留时间短,所得的晶粒尺寸细小且分布比较均匀;未正火U75V钢热影响区珠光体团尺寸较大,在经正火处理后如图1d所示,珠光体团尺寸明显减小,晶粒细化,组织更加致密。

(4)硬度试验 贝氏体钢与U75V钢轨异种钢接头的洛氏硬度分布如图2所示,每隔5mm打一个点,其中GT是轨头的硬度分布曲线,GY是轨腰硬度分布曲线,GD是轨底硬度分布曲线。从图2a容易看出,U75V钢侧轨头和轨底硬度较为平缓,变化不大,在15~20mm处出现软化区,轨头软点硬度26HRC,软化区宽度约5mm。轨腰母材硬度明显偏低,这是由于钢轨焊后残余应力大小依次是轨腰、轨底、轨头,轨腰受较大的垂直方向残余拉应力,故硬度偏低。贝氏体钢轨侧在热影响区0~25mm内硬度波动较大,轨腰最高硬度43.5HRC;贝氏体钢侧在20~30mm处出现软化区,轨头软点硬度28HRC,软化区宽度约10mm;贝氏体钢一侧母材平均硬度37~38HRC。

对比式(1)与式(7)可知,修正后的比例谐振控制器相比于理想的比例谐振控制器多增加了一个参数ωc用于调整控制器基波频率附近的增益和带宽,由式(7)可以看出系统性能由Kp、KR以及ωc共同决定。选修正后的比例谐振控制器参数为:ωc=5,Kp=1,KR=100,该参数下的控制器Bode图如图3~图5所示。图中可以看出,在基波频率处系统增益为40 dB,完全可以实现对输入电流指令的无静差跟踪。同时具有很好的稳态裕度和暂态性能[10]。

表3 贝氏体钢与U75V钢轨闪光对焊接头拉伸与冲击试验结果

位置 焊接接头热处理状态 拉断部位 Rm/MPa/MPa(%)Rp0.2 U型缺口开口位置A 冲击吸收能量AKU/J轨头未正火 贝氏体钢距焊缝29.6mm 1031 917 4.7 22正火 U75V钢距焊缝18.5mm 1057 764 5.6 40轨腰未正火 贝氏体钢距焊缝28mm 1019 866 4.4 7正火 U75V钢距焊缝14.7mm 993 726 7.0 26焊缝熔合区轨底未正火 贝氏体钢距焊缝32.2mm 1044 891 5.9 9正火 U75V钢距焊缝21.3mm 1070 968 5 28

图1 贝氏体钢与U75V钢闪光对焊接头各微区显微组织

从图2b可以看出,经正火处理后U75V钢侧轨腰在距焊缝40mm处轨腰硬度值明显偏低,根据标准GB/T230—1991,焊接接头的硬度应大于母材硬度的90%,焊缝处最低硬度28HRC,为母材中硬度较低的U75V钢平均硬度(29HRC)的97%,符合铁道部标准要求;贝氏体钢侧硬度分布较均匀。通过对正火和未正火接头的硬度进行对比,发现经正火处理后,原软化区硬度有所提高,而硬度偏高的热影响区的过热区,硬度下降,并基本与母材硬度持平,可见,正火对焊接接头各区的硬度分布具有良好的均匀化作用。

图2 贝氏体钢与U75V钢异种钢接头洛氏硬度分布

3. 结语

(1)经中频感应正火处理的贝氏体钢轨与U75V钢闪光对焊接头,具有良好的静弯性能,其静弯载荷和扰度均远高于标准TB3120-AT钢轨焊接-2005规定。

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(2)贝氏体钢与U75V钢闪光对焊接头的焊缝区组织为贝氏体+珠光体+铁素体,贝氏体钢一侧热影响区为板条贝氏体,在板条间分布着铁素体;U75V钢一侧为珠光体和铁素体的混合组织。接头经900℃±20℃正火处理后焊缝和热影响区晶粒细化且分布比较均匀,具有优良的综合力学性能。

(3)接头最高硬度出现在热影响区,焊缝处硬度最低且存在软化区,而经正火处理后接头硬度分布比较平顺,软化区消失,对接头硬度均匀化有良好作用。

(4)进行正火热处理后,焊接接头的冲击韧性和抗拉强度都得到了明显的改善。

参考文献:

[1] 胡志华,栾道成.贝氏体钢轨辙叉专用焊条接头组织和力学性能[J].西华大学学报,2006(9):30-32.

[2] 周志良,朱平,刘书华.高强贝氏体钢轨与钢轨钢焊接热模拟过热区组织与性能[J].大连铁道学院学报,2000(3):20-21.

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