高錳鋼轍叉焊接工藝研究

姜麗麗，李向前，尉小明，李 忙

(鐵科(北京)軌道裝備技術有限公司，北京 102202)

由于高錳鋼具備優(yōu)秀的加工硬化性能，采用高錳鋼制造的轍叉在受到沖擊后表面會產生明顯的加工硬化現(xiàn)象，保證了轍叉工作的穩(wěn)定性[1-3]。高錳鋼轍叉被廣泛應用于馬來西亞、印度尼西亞等東南亞國家及其他海外區(qū)域的道岔產品上，因此其制造技術是我國道岔廠家開拓海外市場的關鍵技術之一。本文基于鐵科(北京)軌道裝備技術有限公司承接的新加坡高鐵項目，進行高錳鋼轍叉焊接工藝的研究。

高錳鋼屬單相奧氏體鋼，這種組織有較高的熱裂紋敏感性，在熱影響區(qū)極易誘發(fā)液化裂紋，因此焊接時應減少受熱程度和受熱時間[4-6]。而鋼軌含碳量高，焊接時為防止焊接裂紋的產生，需焊接前預熱，焊接后緩冷。將高錳鋼轍叉和高碳鋼鋼軌直接進行焊接，無論是焊接工藝還是焊接材料的選擇難度都比較大。因此目前世界上比較先進的技術就是選擇一種焊接性能好的材料作為中間介質，實現(xiàn)2種材料的焊接連接[7-9]。以前只有奧地利、法國等少數(shù)幾個國家掌握了該項焊接技術，后來包括我國在內的世界各國科研工作者經過不懈的努力，利用閃光對焊的方法將高錳鋼轍叉和高碳鋼鋼軌成功地焊接在一起。本文通過試驗，比較采用2種不銹鋼介質的焊接接頭性能，從而判定2種介質的優(yōu)劣，優(yōu)選出較為合適的不銹鋼焊接介質。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試件分別為R350HT鋼軌和高錳鋼轍叉。不銹鋼介質采用單相奧氏體不銹鋼及雙相不銹鋼，2種介質的化學成分和機械性能見表1。

表1 不銹鋼介質的化學成分和機械性能

1.2 接頭形式及試驗方案

每個焊接接頭均由2次焊接完成。首先進行鋼軌和不銹鋼介質的焊接，焊接完成后對焊接接頭介質側進行劃線鋸切，正火后再進行高錳鋼轍叉與介質的焊接。分別使用單相不銹鋼和雙相不銹鋼2種不銹鋼介質進行焊接試驗，接頭形式如圖1所示。

圖1 焊接接頭形式示意

2 試驗結果及分析

使用2種不銹鋼介質各焊接7個接頭后，進行靜彎強度和拉伸強度測試、無損探傷及顯微組織檢驗。試驗結果如下。

2.1 靜彎強度測試

靜彎強度測試在智能型電液伺服 3 000 kN 鋼軌靜彎試驗機上進行，支座間距1 m。各檢測5根靜彎試件，結果見表2?？芍?種不銹鋼介質焊接接頭靜彎強度均滿足要求。

表2 靜彎試驗結果

注:標準要求破斷載荷≥880 kN。

2.2 拉伸強度測試

拉伸強度測試結果見表3，可知單相不銹鋼介質焊接接頭平均抗拉強度及斷裂伸長率均滿足標準，雙相不銹鋼介質焊接接頭平均抗拉強度及斷裂伸長率不合格。

表3 拉伸試驗結果

注：標準要求平均抗拉強度Rm≥520 MPa，平均斷裂伸長率A≥8%。

2.3 無損探傷

對采用2種介質焊接的靜彎試件進行著色探傷檢驗。單相不銹鋼介質焊接接頭探傷結果見圖2，可知表面無缺陷顯示，符合要求。雙相不銹鋼介質焊接接頭探傷結果見圖3，可知軌頭踏面中間位置出現(xiàn)沿鋼軌橫向分布的裂紋，不滿足要求。

圖2 單相不銹鋼介質焊接接頭探傷結果

圖3 雙相不銹鋼介質焊接接頭探傷結果

2.4 顯微組織檢驗

2.4.1 雙相不銹鋼介質焊接接頭

將其中1個出現(xiàn)裂紋的雙相不銹鋼介質焊接接頭軌頭部位進行鋸切取樣,其宏觀形貌見圖4，接頭總長度約為40 mm，將軌頭切成3部分，分別標記為1#—3#。在2#試塊的不銹鋼焊接介質區(qū)域內，軌頭踏面靠近中間位置可見一條沿鋼軌橫向分布的表面裂紋。為觀察2#試塊不銹鋼焊接介質的顯微組織，對2#試塊的金相磨樣浸蝕后，宏觀形貌見圖5。

圖4 焊接接頭宏觀形貌

圖5 2#試塊金相磨樣的宏觀形貌

圖6為2#試塊不銹鋼焊接介質裂紋的典型形態(tài)及顯微組織，可見裂紋較寬處已形成孔洞或裂縫。裂紋及其附近區(qū)域的顯微組織為奧氏體+鐵素體不銹鋼顯微組織，基本為奧氏體組織分布在鐵素體基體上，奧氏體與鐵素體交替分布,呈條帶狀，大部分區(qū)域的條帶狀變形較為嚴重。

2#試塊不銹鋼焊接介質裂紋及其附近區(qū)域在掃描電鏡下的微觀形貌見圖7,能譜分析結果見表4?？芍?靠近裂紋端部(能譜1位置)含有大量的 Cr 元素(質量百分比約為30%)，應是在奧氏體鐵素體相界上析出的富鉻σ相。能譜 2 為裂紋附近奧氏體組織的能譜分析結果，顯示該處的 Cr元素含量偏高(質量百分比約為21%)，其形貌呈凸起光滑態(tài)。在奧氏體與奧氏體鐵素體相界上均存在少量間斷分布的細小凹坑(能譜3,4位置)，凹坑處的 Cr 元素含量同樣偏高(質量百分比約為20%)，分析認為該凹坑所在位置應為富鉻的σ相。能譜 5 為裂紋附近鐵素體組織的能譜分析結果，顯示該區(qū)域的Cr含量約為 16%，明顯低于奧氏體及奧氏體鐵素體相界處的 Cr 含量，其形貌呈相對平坦態(tài)。

圖6 2#試塊不銹鋼焊接介質裂紋的典型形態(tài)及顯微組織

圖7 2#試塊不銹鋼焊接介質裂紋及其附近區(qū)域微觀形貌

表4 2#試塊不銹鋼焊接介質能譜分析結果

2.4.2 單相不銹鋼介質焊接接頭

單相不銹鋼介質焊接接頭未出現(xiàn)裂紋，其顯微組織及晶粒度見圖8。可知單相不銹鋼介質為單一奧氏體組織，晶粒度在6～8級。

綜上分析認為：雙相不銹鋼介質焊接接頭的軌頭踏面居中位置存在沿鋼軌橫向分布的裂紋，裂紋是由雙相不銹鋼介質Cr偏析導致的;單相不銹鋼介質焊接接頭未出現(xiàn)裂紋，可能是由于此介質為單一奧氏體組織，且晶粒度級別較高。

圖8 單相不銹鋼介質顯微組織及晶粒度

3 結論

1)單相不銹鋼介質焊接接頭表面質量良好，探傷后表面無缺陷顯示，各項力學性能符合要求。

2)雙相不銹鋼介質焊接接頭抗拉強度不符合要求。著色探傷發(fā)現(xiàn)雙相不銹鋼介質焊接接頭的軌頭踏面接近中心位置存在裂紋，不滿足要求，分析認為該裂紋是由介質本身Cr偏析導致的。并且雙相不銹鋼介質呈鐵素體、奧氏體交替分布的帶狀組織，帶狀組織的存在會使金屬的力學性能呈各向異性。

3)由單相不銹鋼介質焊接工藝試驗確定的焊接參數(shù)目前已經應用于新加坡高鐵項目的轍叉焊接中，效果良好。