王曉軍，張本朋，夏天東，郭鐵坤

（1.蘭州理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2.徐州徐工施維英機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004）

0 前言

近年來，為了滿足現(xiàn)代鐵路重載、快速的發(fā)展要求，鐵路轍叉及鋼軌已發(fā)展和應(yīng)用高性能、長壽命的貝氏體組合轍叉和貝氏體鋼軌[1]。世界各國都開展了對高強(qiáng)度、高硬度、韌性和耐磨性能好、綜合力學(xué)性能強(qiáng)的貝氏體鋼的研究[2-3]。

1 合金鋼組合轍叉心軌失效分析

1.1 實驗材料

某工務(wù)段貝氏體鋼轍叉心軌在補(bǔ)焊前出現(xiàn)了局部損傷，隨后對損傷的部位進(jìn)行打磨和清理，磁粉檢測發(fā)現(xiàn)沒有裂紋，然后采用專用焊條進(jìn)行焊條電弧焊堆焊修補(bǔ)。補(bǔ)焊修復(fù)后使用不久就又出現(xiàn)裂紋。裂紋源位于轍叉心軌表面大約7～8 mm的部位。由于裂紋源的存在，逐步轉(zhuǎn)入橫向發(fā)展，向上逐步擴(kuò)展到心軌頂面，向下逐步擴(kuò)展到40 mm的深處。

1.2 組織檢驗

堆焊層形貌如圖1所示。從圖1可知，堆焊層明顯的分為兩層，左側(cè)的顏色較深，右側(cè)的顏色較淺。在1 000倍下選擇三個點進(jìn)行EDS分析。焊縫熱影響區(qū)和母材由于碳含量較高而合金元素含量較低，顏色較深。

圖1 堆焊層形貌

1.3 綜合分析

焊接形成的微區(qū)平面狀缺陷在應(yīng)力作用下逐步形成了微裂紋，隨著微裂紋的逐步長大，在彎曲應(yīng)力的作用下又逐步橫向擴(kuò)展，結(jié)果形成了宏觀裂紋。

缺陷的形成原因是由于焊接工藝執(zhí)行不當(dāng)造成。最直接的原因可能是焊接時電弧電壓過高，運(yùn)條擺動速度過快、寬度過大，結(jié)果導(dǎo)致焊道之間的金屬未達(dá)到良好的熔合，也可能是微小的焊渣未能浮出焊縫而形成夾渣，造成缺陷。解決上述問題的主要方法是焊接時應(yīng)使電弧電壓保持在焊接工藝要求的范圍內(nèi)，不要超過設(shè)定值。如果焊工不能有效控制電弧電壓，應(yīng)對其進(jìn)一步培訓(xùn)。表面堆焊，運(yùn)條時也不宜大范圍的擺動，這樣才能確保焊縫金屬與焊道表面金屬能夠良好熔合。

2 合金鋼組合轍叉心軌焊接性分析

2.1 焊材的選擇

按照國際焊接學(xué)會(IIW)的碳當(dāng)量公式計算碳當(dāng)量為0.86%，其可焊性非常不理想，淬硬傾向較大，熱影響區(qū)極易產(chǎn)生冷裂紋。因此必須采用嚴(yán)格的工藝措施，嚴(yán)格控制線能量、預(yù)熱及后熱溫度，以防止冷裂紋和結(jié)晶裂紋的產(chǎn)生。

2.2 焊接規(guī)范及焊接工藝

在經(jīng)過處理的轍叉心軌表面用時代脈沖氬弧焊機(jī)（WSM-200）堆焊三層，焊絲為韓國現(xiàn)代焊絲SC-350H，堆焊方法采用TIG焊，鎢極材料為鈰鎢極，氬氣純度99.95%。焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 鎢極氬弧焊（TIG）焊接參數(shù)

2.3 力學(xué)性能試驗

依據(jù)GB/T 2653-2008《焊接接頭彎曲試驗方法》，彎曲試樣均沒有裂紋。說明堆焊層的塑性比較好，滿足試驗要求。

參照 GB/T 2650-2008《焊接接頭沖擊試驗方法》，發(fā)現(xiàn)堆焊層的沖擊韌性隨著焊接熱輸入的增加有所下降。當(dāng)焊接熱輸入為115 A時沖擊韌性最差，但也高于母材。

測試不同電流堆焊的試樣硬度，從基體開始向堆焊層方向測試硬度，每隔1mm測試一次，得到如圖2所示的硬度分布，由圖2可知，硬度呈現(xiàn)上升趨勢，在熔合區(qū)達(dá)到最大值，到堆焊層硬度又開始下降。基體處硬度越來越高，是因為距離焊縫越來越近，受到熱影響大，晶粒變大，導(dǎo)致硬度上升。

圖2 不同電流堆焊試樣的硬度分布

隨著堆焊線能量的增加，基體硬度也隨之增加，因為受到的熱影響大，晶粒粗大，硬度上升。在熔合區(qū)過冷度過大，形成一些比較硬脆的組織，硬度最高，高于堆焊層和基體。堆焊層一開始因為稀釋率的影響，導(dǎo)致硬度偏高，隨著堆焊層數(shù)的增加，硬度趨于正常。但是整體堆焊的硬度高于常溫下母材的硬度。

隨著電流增加，在其他條件不變的前提下，堆焊層的厚度隨著電流的增加而減小。這是因為線能量增加，導(dǎo)致熔池變深，而導(dǎo)致了堆焊層厚度的減??；線能量增加，合金焊絲受到的熱影響大，在基材表面鋪的很寬，而導(dǎo)致堆焊層厚度減小。

2.4 斷裂形貌

115 A堆焊后的沖擊試樣斷裂形貌如圖3a所示，缺口位置在下方。母材呈韌性斷裂特征，在沖擊斷口纖維區(qū)有等軸韌窩形貌（見圖3b）。在熔合區(qū)的斷口是剪切狀的韌窩（見圖3c）。堆焊層上是沖擊斷口剪切唇區(qū)中拋物線形韌窩形貌（見圖3d），且韌窩較小，說明材料的韌性較好。對圖3d進(jìn)行EDS分析，發(fā)現(xiàn)Cr，Ni相對較高，由于這兩種元素的存在，所以此處的韌性良好，而且耐腐蝕性也很好。

2.5 摩擦磨損試驗

對115A的堆焊層進(jìn)行加工取樣10mm×10mm×4mm。對比母材和堆焊層的摩擦因數(shù)，如圖4、圖5所示，滑動磨損的開始階段為粘著磨損，摩擦副之間發(fā)生粘著，磨損開始階段滑動摩擦因數(shù)急劇升高，摩擦因數(shù)達(dá)到最大值后，隨著滑動距離的增長，磨削數(shù)量的增加，摩擦副表面發(fā)生粘著的傾向變小，摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段。當(dāng)同取時間200 s時發(fā)現(xiàn)，堆焊層的摩擦因數(shù)變化比母材心軌的變化大。

圖3 115 A堆焊后的沖擊試樣斷裂形貌

圖4 心軌鋼的摩擦因數(shù)

采用三維造型軟件進(jìn)行心軌母材和堆焊層的二維和三維的微觀形貌造型（圖6為堆焊層微觀形貌）。母材的 z向范圍是-20～20 μm，而堆焊層的z向范圍是-20～10 μm，說明堆焊層的耐磨性比心軌母材要好。

2.6 堆焊層組織分析

電流為115A的堆焊合金層的顯微組織如圖7所示。由圖7可知，合金層中有一個非常狹小的熔合區(qū)，熔合區(qū)附近枝晶呈粒狀和小球狀，遠(yuǎn)離熔合區(qū)，枝晶呈現(xiàn)出一種軸狀，中心大致垂直于熔合線，在軸狀大枝晶周圍又生長出許多細(xì)小的枝晶組織，在枝晶組織之間的空隙處又有很多顏色相對于枝晶組織更深的組織。從圖7可以看出，熔合線并不是一條平坦的曲線，且熔合區(qū)寬度不一致，說明焊層金屬與基材金屬之間的元素濃度梯度大，擴(kuò)散作用強(qiáng)，在形成熔池的過程中，元素相互擴(kuò)散，在凝固過程中形成了非常好的冶金結(jié)合。

圖5 堆焊層的摩擦因數(shù)

堆焊層區(qū)域在熱源的作用下，由于液態(tài)金屬的成分起伏比較大，在局部區(qū)域冷卻速度不同，從而使組織呈現(xiàn)明顯的不均勻性。熔合區(qū)左側(cè)隨著液相溫度梯度減小，成分過冷增大，晶核迅速長大，從而形成了柱狀晶組織。柱狀晶的生長方向順著熱流的方向，垂直于熔合線方向。圖8a為堆焊層遠(yuǎn)離熔合線位置的組織，由于溫度梯度不大，形成的一次晶主干很短，組織呈現(xiàn)顆粒狀；圖8b為靠近熔合線附近的柱狀晶相圖，可以很明顯的看到柱狀晶。

圖6 堆焊層微觀形貌

圖7 堆焊層組織

圖8 堆焊層及熔合線組織

3 結(jié)論

（1）彎曲試驗證明堆焊層的韌性良好，母材和堆焊層的沖擊試驗證明了堆焊層的沖擊功要大于母材的沖擊功。

（2）隨著電流增加，在其他條件不變的前提下，堆焊層的厚度幾乎隨著電流成線性減小。

（3）硬度試驗發(fā)現(xiàn)線能量影響熔合線和堆焊層的硬度，熱輸入大某種程度上堆焊層硬度也有所提高，但是電流過大容易導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。

（4）摩擦磨損試驗證明堆焊的耐磨性比母材好。

（5）金相組織分析證明，母材與堆焊層冶金結(jié)合良好。

[1]黃衛(wèi)國.鋼軌無逢線路焊接技術(shù)現(xiàn)狀[J].焊接學(xué)報，2006（3）：37-39.

[2]Kevin Sawley，MitonScholl.The development of bainiticsteels for rails[C].Iron and Steel Society/AIME，39 th Mechanical Working，1998.

[3]BruceL，Bramfitt.Themetallurgicalcharacteristics of bainitic frogs for HALservice[J].RailwayTrack&Structures，1997（12）：14-16.