周宇通，朱騰輝，馬傳平，陳 輝，車小莉

(1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084，E-mail:tony006@163.com; 2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都610031)

插銷法研究自保護(hù)焊U75V鋼軌的冷裂敏感性

周宇通1，2，朱騰輝2，馬傳平2，陳 輝2，車小莉2

(1.清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京100084，E-mail:tony006@163.com; 2.西南交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，成都610031)

采用插銷試驗(yàn)法研究了JDHS－38#自保護(hù)藥芯焊絲焊接U75V鋼軌的冷裂敏感性，評(píng)估了預(yù)熱溫度、線能量、焊道數(shù)3個(gè)因素對(duì)U75V鋼軌臨界斷裂應(yīng)力的影響.結(jié)果表明，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鋼軌施焊時(shí)，采取250℃的預(yù)熱溫度，14 kJ/cm左右的線能量，雙層焊等措施可以使鋼軌接頭熱影響區(qū)少產(chǎn)生甚至不產(chǎn)生焊接冷裂紋，使其臨界斷裂應(yīng)力達(dá)646 MPa，與抗拉強(qiáng)度相當(dāng).若采用其他工藝參數(shù)，臨界斷裂應(yīng)力較低，且當(dāng)拘束拉伸應(yīng)力高于抗拉強(qiáng)度時(shí)，于熱影響區(qū)發(fā)生氫致斷裂.焊接接頭過(guò)熱區(qū)組織主要為馬氏體、貝氏體，斷口顯微形貌主要為河流花樣、泥狀花樣及爪狀花樣.

U75V鋼軌;自保護(hù)藥芯焊絲;插銷試驗(yàn);冷裂敏感性

我國(guó)鋼軌修復(fù)采用傳統(tǒng)焊條電弧焊補(bǔ)技術(shù)，效率低，焊接質(zhì)量不穩(wěn)定，易出現(xiàn)斷軌等質(zhì)量問(wèn)題，不能保障鐵路運(yùn)行安全［1］.自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊無(wú)需保護(hù)氣體，焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶，抗風(fēng)性能、抗銹性能優(yōu)良，熔敷效率高，是一種特別適合野外施工環(huán)境作業(yè)的焊接技術(shù).王慶偉等人的研究表明［2］，在鋼軌焊補(bǔ)修復(fù)中采用該技術(shù)能有效地提高接頭的焊補(bǔ)質(zhì)量，證明采用自保護(hù)藥芯焊絲修復(fù)鋼軌具有可行性.

U75V鋼軌含碳量高，焊接性差，焊接過(guò)程中熱影響區(qū)容易產(chǎn)生馬氏體組織并形成較大的焊接應(yīng)力，從而導(dǎo)致冷裂紋的產(chǎn)生［3－4］.本文采用插銷冷裂紋試驗(yàn)法，研究自保護(hù)藥芯焊絲堆焊U75V鋼軌的冷裂紋敏感性及特征，以期為該工藝方法在現(xiàn)場(chǎng)施工的應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及焊接材料

試驗(yàn)材料為 U75V鋼軌，其抗拉強(qiáng)度為1065 MPa，屈服強(qiáng)度為687 MPa.試驗(yàn)焊接材料為JDHS－38#型自保護(hù)藥芯焊絲，規(guī)格為Φ1.6 mm，其熔敷金屬的化學(xué)成分見(jiàn)表1.

表1 JDHS－38#熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 試驗(yàn)方法

采用插銷試驗(yàn)方法研究氫致延遲裂紋的敏感性.插銷試樣按照GB9446－88的規(guī)定加工，缺口形式為螺形，缺口深度0.5 mm.試驗(yàn)設(shè)備為HCL－2型五頭插銷式冷裂紋試驗(yàn)機(jī).

考慮到鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊補(bǔ)的施焊道數(shù)可能為多道，試驗(yàn)分別在預(yù)熱250℃單層焊，預(yù)熱150℃雙層焊及預(yù)熱250℃雙層焊3種條件下進(jìn)行焊接.雙層焊時(shí)，第二道焊在第一道焊結(jié)束后立即進(jìn)行.焊接設(shè)備為NB－350IGBT型焊接電源，進(jìn)行半自動(dòng)焊接.焊接參數(shù)為:焊接電流220 A，電弧電壓24 V，焊接速度170～240 mm/min，焊接極性為直流反極性接法.

通過(guò)熱電偶測(cè)定焊接接頭的熱循環(huán)參數(shù)，經(jīng)過(guò)控制軟件的處理，得到焊接接頭的冷卻時(shí)間t8/5，t5/1.焊后待插銷試樣冷卻至150℃加載，并保持恒定載荷進(jìn)行試驗(yàn).載荷保持24 h不斷的最大應(yīng)力，即為臨界斷裂應(yīng)力σcr.

取部分插銷試樣，在斷口附近的熱影響區(qū)截取30 mm長(zhǎng)的銷子，沿縱向磨取截面，用2%的硝酸酒精腐蝕，在光學(xué)顯微鏡上觀察HAZ的顯微組織.另取斷裂的插銷，用掃描電鏡分析斷口形貌.

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 臨界斷裂應(yīng)力

2.1.1 預(yù)熱250℃單層焊

預(yù)熱250℃單層焊的試驗(yàn)結(jié)果列于表2.

表2 預(yù)熱250℃單層焊試驗(yàn)結(jié)果

由表2可以看到，預(yù)熱250℃單層焊情況下U75V鋼軌的臨界斷裂應(yīng)力σcr約為420 MPa，抗冷裂性能不理想.

2.1.2 預(yù)熱150℃雙層焊

預(yù)熱150℃雙層焊的試驗(yàn)結(jié)果列于表3.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可得:預(yù)熱150℃雙層焊情況下U75V鋼軌的臨界斷裂應(yīng)力低于390 MPa.將線能量提高到大于18 kJ/cm后，抗冷裂性能上升，臨界斷裂應(yīng)力約為430 MPa.

表3 預(yù)熱150℃雙層焊試驗(yàn)結(jié)果

2.1.3 預(yù)熱250℃雙層焊

預(yù)熱250℃，雙層焊的試驗(yàn)結(jié)果列于表4，可以看到，預(yù)熱250℃雙層焊時(shí)即使應(yīng)力值已經(jīng)接近屈服強(qiáng)度(680 MPa)，U75V鋼軌也沒(méi)有出現(xiàn)斷裂失效.因此，該條件下U75V鋼軌的抗冷裂性能良好.

表4 預(yù)熱250℃雙層焊試驗(yàn)結(jié)果

2.2 HAZ金相組織

插銷試樣斷口HAZ的典型金相組織主要有馬氏體、珠光體及下貝氏體，如圖1所示.隨著焊接線能量的升高，雙層焊方法的采用，冷卻速度的下降，HAZ組織由馬氏體(圖1(a))向珠光體和下貝氏體的混合組織(圖1(b))轉(zhuǎn)變，這與U75V鋼軌的臨界斷裂應(yīng)力隨著冷卻速度的下降而增加的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符合.

2.3 斷口顯微形貌

典型的插銷試件宏觀斷口平齊而光亮，大部分區(qū)域呈結(jié)晶狀，肉眼可見(jiàn)許多有金屬光澤的小平面.整個(gè)斷口沒(méi)有發(fā)生縮頸，不存在韌性斷口的特征，基本沒(méi)有發(fā)生塑性變形，為典型的脆性斷口形貌.部分?jǐn)嗫谝泊嬖谝恍┟娣e很小，表面呈暗灰色的區(qū)域，可能與試件高溫氧化有關(guān).具體的斷口顯微形貌見(jiàn)圖2.

圖1 HAZ金相組織

圖2 插銷試件掃描電鏡圖片

3 分析與討論

3.1 工藝條件對(duì)冷裂敏感性的影響

影響焊接冷裂紋的因素很多，也很復(fù)雜，其中主要因素有鋼種的化學(xué)成分，焊接時(shí)的拘束應(yīng)力或拘束度，以及焊接工藝條件等［5］.本文著重討論焊接工藝參數(shù)對(duì) U75V鋼軌冷裂敏感性的影響.

3.1.1 焊接線能量

從不同預(yù)熱溫度、不同焊接線能量的插銷試驗(yàn)結(jié)果可以看出，線能量和預(yù)熱溫度的交互作用對(duì)U75V鋼軌焊接冷裂紋的臨界應(yīng)力有較大影響.試驗(yàn)過(guò)程中在預(yù)熱150℃雙層焊的條件下選擇了 3種不同級(jí)別的線能量，11.5，15及18 kJ/cm進(jìn)行了比較.這3個(gè)試件的熱循環(huán)參數(shù)，雙層焊兩次t8/5都隨著焊接線能量的增大而增大，具體時(shí)間先分別從6 s及9 s提高到7 s及13 s，然后又上升為10 s及24 s，且時(shí)間增加的幅度也隨著焊接線能量的增大而增大.試驗(yàn)結(jié)果顯示只有20號(hào)試件未發(fā)生斷裂，說(shuō)明適當(dāng)提高焊接線能量可以提高試樣的抗冷裂性能.

3.1.2 預(yù)熱溫度

焊前預(yù)熱可有效地防止冷裂紋.本次試驗(yàn)選擇了150，250℃兩個(gè)焊接預(yù)熱溫度進(jìn)行比較.在同樣雙層焊的情況下，預(yù)熱溫度的不同使試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生了巨大的差異.比較5號(hào)試件和6號(hào)試件可得，焊接線能量同約為14 kJ/cm時(shí)，6號(hào)試件在載荷為480.3 MPa時(shí)發(fā)生斷裂，而5號(hào)試件加載626.0 MPa未斷裂.預(yù)熱溫度的上升也使t8/5從9，18 s上升到14，23 s.試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著預(yù)熱溫度的升高，t8/5延長(zhǎng)，臨界應(yīng)力提高.

在焊接加熱與冷卻過(guò)程中，高溫階段的冷卻速度決定了熱影響區(qū)的相變組織.對(duì)于一般低合金鋼來(lái)說(shuō)，800℃到500℃的溫度區(qū)間是發(fā)生組織轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期.依據(jù)連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線圖(CCT圖)可知t8/5的大小決定了熱影響區(qū)的室溫組織，也即決定了接頭的冷裂敏感性.冷速較慢的冷卻曲線可以有效地避開(kāi)馬氏體生成區(qū)，從而生成韌塑性較好的珠光體等其他組織.有研究者指出，t8/5及t5/1直接影響接頭中氫的擴(kuò)散溢出，較高的預(yù)熱溫度增加了氫溢出的時(shí)間，使部分氫及時(shí)溢出［6－7］.綜上，提高焊前預(yù)熱溫度能夠顯著提高U75V鋼軌的抗冷裂性能，在焊接U75V鋼軌時(shí)十分有必要執(zhí)行.

3.1.3 多層焊

多層焊由于后層對(duì)前層有消氫和改善熱影響區(qū)組織的作用，因此，能夠獲得組織性能較好的接頭.考慮到鋼軌現(xiàn)場(chǎng)的施焊條件，對(duì)單層焊和雙層焊進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn).比較17號(hào)試件和5號(hào)試件，發(fā)現(xiàn)在焊接線能量差異不大的條件下，17號(hào)插銷承載 418.2 MPa時(shí)發(fā)生斷裂，5號(hào)插銷加載626.0 MPa未斷裂.可見(jiàn)，雙層焊大大提高了U75V鋼軌的臨界斷裂應(yīng)力σcr.這兩個(gè)試件的熱循環(huán)參數(shù)顯示雙層焊的平均t8/5要比單層焊多出3～5 s.所以，多層焊也是能夠減少冷裂紋產(chǎn)生甚至避免冷裂紋的方法之一，建議現(xiàn)場(chǎng)采用.

此外，研究發(fā)現(xiàn)進(jìn)行第二層焊接時(shí)的底板溫度，即層間溫度對(duì)插銷最終形成的室溫組織有很大影響.預(yù)熱250℃雙層焊條件下焊接第二道焊縫時(shí)的初始溫度都在400℃以上，所以能夠在之后較慢的冷卻過(guò)程中(t5/1平均為1 200 s左右)形成塑性韌性較好的下貝氏體，而預(yù)熱150℃雙層焊條件下焊接第二道焊縫時(shí)的初始溫度大約在320℃，甚至低至300℃，這促使試件加快冷卻速度(t5/1平均為1 000 s左右)，形成部分板條馬氏體，降低試件抗冷裂性能.因此，現(xiàn)場(chǎng)堆焊修復(fù)時(shí)有必要控制焊接的層間溫度.

3.2 斷口顯微組織分析

分析試件發(fā)現(xiàn)，大部分?jǐn)嗫诖嬖诘湫偷暮恿骰?如圖2(a)所示)，證明試件在斷裂過(guò)程中發(fā)生了解理斷裂.除了河流花樣，晶粒還存在一些短小、筆直、鋒利的二次裂紋，根據(jù)斷口的宏微觀特征，可以判斷冷裂紋性質(zhì)為典型的氫致延遲裂紋［8－9］.通常認(rèn)為延遲裂紋的形成機(jī)理是氫在應(yīng)力的誘導(dǎo)下向應(yīng)力區(qū)擴(kuò)散富集，當(dāng)局部氫濃度達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋向前擴(kuò)展.此外，斷口也存在非常典型的泥狀花樣(如圖2(b)所示)，標(biāo)志著斷面發(fā)生了腐蝕.考慮試驗(yàn)的過(guò)程，初步判斷顆粒狀的小?？赡転楦邷貢r(shí)氧化腐蝕形成的氧化物，隨后通過(guò)能譜分析的結(jié)果證實(shí)了腐蝕物為氧化物的判斷.在斷口的部分區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)沿晶斷裂形成的冰糖狀斷口(如圖2(c)所示)，并且可以在圖中的解理刻面上發(fā)現(xiàn)爪狀花樣，可證明該區(qū)域發(fā)生了氫致準(zhǔn)解理斷裂.組織敏感性不同及擴(kuò)散氫含量不均勻很可能是造成這種混合型斷口的主要原因.根據(jù)MAGUDEESWARAN G等人的研究成果，板條馬氏體最易于產(chǎn)生氫致裂紋，而抗冷裂性能比較理想的組織為經(jīng)奧氏體化過(guò)程的回火馬氏體或回火貝氏體［10－11］.此外，該區(qū)域中部的擴(kuò)散氫含量很可能高于周圍部分，因此，在組織及擴(kuò)散氫含量?jī)蓚€(gè)因素的作用下，分別發(fā)生準(zhǔn)解理斷裂及沿晶脆性斷裂.韌窩也存在于斷口的部分區(qū)域(如圖2(d)所示).韌窩是微孔形核和聚合在斷口上留下的圓形或橢圓形痕跡，它的存在證明雖然插銷宏觀上為脆性斷裂，但在局部區(qū)域內(nèi)也有可能出現(xiàn)塑性變形.

斷口分析結(jié)果表明，U75V鋼軌很可能在最薄弱的HAZ失效斷裂，斷裂性質(zhì)為典型的氫致裂紋斷裂，斷裂模式為解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂以及沿晶斷裂.

4 結(jié)論

1)現(xiàn)場(chǎng)用JDHS－38#自保護(hù)藥芯焊絲電弧焊對(duì)U75V鋼軌進(jìn)行堆焊修復(fù)需預(yù)熱至250℃，采取雙層焊的焊接方式，并保證14 kJ/cm左右的焊接線能量.試驗(yàn)結(jié)果表明此工藝條件下接頭的冷裂敏感性較小，臨界斷裂應(yīng)力達(dá)646 MPa，與其抗拉強(qiáng)度相當(dāng).

2)預(yù)熱250℃單層焊及預(yù)熱150℃雙層焊工藝條件下，焊接接頭過(guò)熱區(qū)存在馬氏體等淬硬組織，焊縫中的擴(kuò)散氫含量較高，斷口具有典型的氫致延遲裂紋斷裂特征，抗冷裂性能較差.

3)在高拉伸拘束應(yīng)力條件下，U75V鋼軌可能在最薄弱的HAZ失效斷裂，斷裂模式為解理斷裂、準(zhǔn)解理斷裂及沿晶斷裂.斷口顯微形貌主要為河流花樣、二次裂紋、泥狀花樣及高強(qiáng)鋼氫脆斷裂的主要特征——解理刻面上的爪狀花樣.但在局部區(qū)域內(nèi)也出現(xiàn)了塑性變形，可觀察到韌窩.

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Study of cold cracking sensibility of self-shielded flux cored arc welded U75V rail using implant test

ZHOU Yu-tong1，2，ZHU Teng-hui2，MA Chuan-ping2，CHEN Hui2，CHE Xiao-li2
(1.Dept.of Mechanical Enginerring，Tsinghua University，Beijing 100084，China，E-mail:tony006@163.com; 2.School of Material Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China)

Implant tests were carried out to study the cold cracking sensibility of U75V steel welded by JDHS-38#self-shielded flux cored wire.The influence of preheat temperature，heat input and number of weld passes on the critical press of U75V rail was studied.Results indicate that different methods should be taken to protect the HAZ from the influence of welding cold cracking，such as preheating the rail to 250℃，keeping heat input around 14 kJ/cm，using multi-layer welding method.Therefore，the critical fracture stress could reach 646 MPa，which is equivalent to its tensile stress.If adopting other processing parameters，the critical fracture stresses are much lower，and when the restraint stress is higher than tensile strength，the expiration break would happen in HAZ.The breaking nature is typical hydrogen-induced crack.The microstructures of superheat section are martensite and bainite，while the fracture appearances are mainly river pattern，pulpy pattern and ungular pattern.

U75V rail;self-shielded flux cored wire;implant test;cold cracking sensibilit

TG444.73 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005－0299(2012)02－0030－05

2011－11－29.

國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2009BAG12A07).

周宇通(1987－)，男，博士研究生.

(編輯 呂雪梅)