許　鑫，王樹青，詹新偉（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京　100081；中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京　100081）

細(xì)化U71Mn鋼軌焊接接頭晶粒度的焊后熱處理工藝優(yōu)化研究

許鑫1，2，王樹青2，詹新偉2
（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京100081；2中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

焊軌基地利用原感應(yīng)加熱線圈對U71Mn鋼軌焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，部分接頭出現(xiàn)了軌底三角區(qū)溫度高、軌底角邊側(cè)溫度低而導(dǎo)致的晶粒粗化現(xiàn)象。針對此問題對原感應(yīng)加熱線圈進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并提出了使用此新型感應(yīng)加熱線圈對焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理的最佳工藝參數(shù)：加熱溫度880 ±10℃；加熱時(shí)間＞130 s；風(fēng)壓0.06～0.10 MPa；噴風(fēng)時(shí)間150 s。使用新型感應(yīng)加熱線圈在上述工藝參數(shù)下進(jìn)行焊后熱處理后，接頭踏面與母材硬度的比值為1.01，軌頭、軌底三角區(qū)及2個軌底角晶粒得到細(xì)化，晶粒度級別可達(dá)9級以上。

U71Mn鋼軌；焊接接頭；焊后熱處理；晶粒度；感應(yīng)加熱線圈；優(yōu)化

隨著鐵路運(yùn)輸向重載、高速方向發(fā)展，對鋼軌焊接接頭的性能提出了更高的要求。我國無縫線路鋼軌焊接廣泛采用閃光焊技術(shù)，由于受到焊接高溫的影響，焊縫附近晶粒粗化，塑性、韌性大幅度下降，脆性增大，容易產(chǎn)生接頭低塌、馬鞍形磨耗、波浪磨耗等問題，從而影響無縫線路的使用性能和壽命。為解決上述問題，鋼軌焊接后必須對焊接接頭進(jìn)行焊后熱處理，以改善接頭的使用性能，達(dá)到與鋼軌母材的合理匹配，滿足無縫線路的使用要求［1-4］。

鑒于目前焊軌基地U71Mn鋼軌焊接接頭出現(xiàn)了軌底三角區(qū)晶粒粗大、軌底角晶粒未細(xì)化的現(xiàn)象，中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所對原中頻感應(yīng)加熱線圈進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并使用此新型中頻感應(yīng)加熱線圈對U71Mn鋼軌焊接接頭進(jìn)行了焊后熱處理工藝試驗(yàn)，以優(yōu)化工藝參數(shù)，細(xì)化焊接接頭晶粒度，進(jìn)而指導(dǎo)U71Mn鋼軌焊接接頭的焊后熱處理。

1　目前U71Mn鋼軌焊后熱處理存在的問題

1.1軌底三角區(qū)晶粒粗大

U71Mn鋼軌在焊軌基地焊后熱處理后，通過對焊接接頭晶粒度的測試，發(fā)現(xiàn)軌底三角區(qū)易出現(xiàn)晶粒粗大現(xiàn)象（見圖1（a））。焊后熱處理時(shí)，在U71Mn鋼軌焊接接頭軌頭、軌腰、軌底三角區(qū)、軌底角4個部位的溫度中，軌底三角區(qū)溫度通常最高。當(dāng)加熱溫度＞850℃，軌底三角區(qū)晶粒長大趨勢十分明顯，而當(dāng)加熱溫度＞950℃，軌底三角區(qū)奧氏體晶粒度級別會粗于6級。

1.2軌底角晶粒未細(xì)化

為解決U71Mn鋼軌焊接接頭焊后熱處理導(dǎo)致的軌底三角區(qū)晶粒粗大問題，通常選擇降低感應(yīng)加熱線圈的頻率，而由此帶來的弊端是焊接接頭的軌底角晶粒未細(xì)化（見圖1（b）），探傷產(chǎn)生異波。

圖1　焊接接頭焊后熱處理后部分區(qū)域晶粒粗大

因此，為確保U71Mn鋼軌焊接接頭在焊后熱處理后，軌底三角區(qū)晶粒細(xì)化的同時(shí)軌底角晶粒細(xì)化，需要對現(xiàn)有的感應(yīng)加熱線圈及焊后熱處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2　細(xì)化U71Mn鋼軌焊接接頭晶粒度的方案

2.1感應(yīng)加熱線圈的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

正火機(jī)所使用的原中頻感應(yīng)加熱線圈（見圖2）存在以下缺點(diǎn)：感應(yīng)加熱線圈頻率高時(shí)，焊后熱處理過程中軌底三角區(qū)溫度會超過950℃，造成軌底三角區(qū)晶粒粗化；而通過降低感應(yīng)加熱線圈頻率可以解決軌底三角區(qū)晶粒粗化現(xiàn)象，但軌底角溫度因此降低到800℃以下，由于未達(dá)到完全奧氏體化溫度，焊縫原粗大晶粒沒有重新細(xì)化，造成軌底角兩側(cè)的粗大晶粒保留。

為解決這一技術(shù)難題，優(yōu)化設(shè)計(jì)了新型中頻感應(yīng)加熱線圈，見圖3。新型中頻感應(yīng)加熱線圈通過改變軌底中線圈位置，增加軌底中心加熱寬度，進(jìn)而改變軌底三角區(qū)磁場強(qiáng)度，降低軌底三角區(qū)加熱速度，從而有效地保證了鋼軌焊接接頭的軌頭、軌腰、軌底角、軌底三角區(qū)的溫度控制在 850～950℃內(nèi)，加熱曲線見圖4。

圖2　原中頻感應(yīng)加熱線圈

圖3　新型中頻感應(yīng)加熱線圈

圖4　新型中頻感應(yīng)加熱線圈加熱曲線

2.2焊后熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化

有研究表明，U71Mn鋼軌焊接接頭焊后熱處理溫度控制在850～950℃內(nèi)，其晶粒度可達(dá)到6級以上；850℃時(shí)得到的焊接接頭沖擊吸收功最高，950℃時(shí)得到的焊接接頭沖擊吸收功最低。因此，應(yīng)將焊后熱處理的溫度控制在850～900℃。

冷卻速度方面，焊接接頭通過噴風(fēng)冷卻，噴風(fēng)后的軌頭硬度比母材高，因此冷卻速度的選擇既要保證硬度上的良好匹配，還要避免冷卻速度過快導(dǎo)致出現(xiàn)馬氏體等異常組織。

為了優(yōu)化U71Mn鋼軌焊接接頭熱處理工藝，設(shè)定了不同的焊接接頭焊后熱處理工藝參數(shù)，軌頭加熱溫度為860，880，900℃，功率為62，65 kW，風(fēng)壓為0.06，0.11 MPa，噴風(fēng)時(shí)間150 s。共測試攀鋼 U71Mn鋼軌焊接接頭9組，并測得左右軌底角溫度，見表1。

表1　工藝參數(shù)設(shè)定及軌底角溫度測得值

3　U71Mn鋼軌焊接接頭的工藝優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

3.1硬度及軟化區(qū)寬度

按照《鋼軌焊接第2部分：閃光焊接》（TB/T 1632.2—2014）［5］要求，對9組經(jīng)不同焊后熱處理工藝后的U71Mn焊接接頭的軌頭縱斷面進(jìn)行洛氏硬度測試（鋼軌軌頭踏面下5 mm），由此得到的縱斷面硬度統(tǒng)計(jì)結(jié)果及軟化區(qū)寬度見表2。

表2　縱斷面硬度統(tǒng)計(jì)結(jié)果及軟化區(qū)寬度

由表2可知，9組不同焊后熱處理工藝下的焊接接頭的硬度滿足TB/T 1632.2—2014規(guī)定的技術(shù)要求（軌頂面 Hj≥0.90Hp，Hj1≥0.80Hp，軟化區(qū)寬度 ω≤20 mm）。9組焊接接頭硬度與母材硬度的比值在0.98～1.03內(nèi)，焊接接頭與母材硬度達(dá)到良好匹配，進(jìn)而減少使用過程中出現(xiàn)低塌現(xiàn)象導(dǎo)致的馬鞍形磨耗和波浪磨耗，從而提高鐵路的行車安全。這9組焊后熱處理工藝中，2#，4#，8#，9#焊接接頭在硬度及與母材匹配上較為理想。

3.2金相組織及晶粒度

U71Mn鋼軌經(jīng)閃光焊焊接后，其接頭焊縫處晶粒度為2～3級，鋼軌焊接接頭經(jīng)上述9種工藝熱處理后，對軌頭、軌底三角區(qū)、兩軌底角4個位置進(jìn)行了金相組織及晶粒度檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3可知，原過熱區(qū)奧氏體晶粒得到細(xì)化，晶粒度可達(dá)到8～9.5級，焊接接頭軌頭軌底側(cè)焊縫及熱影響區(qū)的金相組織均為珠光體加少量鐵素體，其典型組織見圖5。

表3　不同熱處理工藝、不同位置的奧氏體晶粒級別

圖5　焊接接頭熱處理后典型組織

由表3可知，9組焊后熱處理工藝都能顯著細(xì)化奧氏體晶粒，尤其是焊接接頭容易出現(xiàn)粗化現(xiàn)象的軌底三角區(qū)和軌底角。在采用新型感應(yīng)加熱線圈后，軌底三角區(qū)和軌底角溫度得到有效控制，晶粒度級別可達(dá)到8級以上。這9組焊接接頭金相檢驗(yàn)結(jié)果表明，1#和8#試樣的晶粒度最細(xì)，其中8#試樣4部位晶粒度見圖6。

圖6　8#試樣4部位晶粒度

4　分析和討論

1）造成目前焊軌基地U71Mn鋼軌焊接接頭軌底三角區(qū)晶粒粗化的主要原因是鋼的冶煉方式的改變。傳統(tǒng)的鋼軌生產(chǎn)是采用模鑄技術(shù)，在煉鋼過程中加入Al作為脫氧劑，而現(xiàn)代鋼軌生產(chǎn)則采用連鑄技術(shù)，在冶煉過程中，一般采用 Si-Ca復(fù)合合金脫氧劑進(jìn)行脫氧，以控制鋼軌中的 Al2O3夾雜。這2種不同的冶煉方式，使得鋼軌的晶粒度差別顯著，如表4所示。在使用模鑄生產(chǎn)的鋼軌時(shí)，鋼軌接頭焊后熱處理只有達(dá)到1 100℃以上時(shí)，才有可能發(fā)生奧氏體晶粒粗化，所以焊軌基地不會發(fā)生鋼軌接頭晶粒粗化現(xiàn)象。而使用連鑄生產(chǎn)的鋼軌，達(dá)到950℃以上時(shí)，就有可能發(fā)生奧氏體晶粒粗化。

表4　2種冶煉方式下晶粒度對比

2）控制U71Mn鋼軌焊接接頭軌頭、軌腰、軌底三角區(qū)、軌底角的加熱溫度在850～950℃是焊后熱處理的關(guān)鍵。當(dāng)焊后熱處理工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，軌底角邊側(cè)溫度低于800℃時(shí)，由于未達(dá)到U71Mn鋼軌的完全奧氏體化溫度，原焊接接頭中的粗大晶粒未能重新細(xì)化而得到保留，造成軌底角晶粒粗化。所以，U71Mn鋼軌接頭焊后熱處理的軌底角邊側(cè)溫度必須控制在800℃以上。由表4結(jié)果可知，U71Mn鋼軌焊縫處晶粒粗化隨溫度上升十分明顯，晶粒度由850℃時(shí)的8.5級改變?yōu)? 050℃的5級。通常在一定溫度下，當(dāng)晶粒長大到一定尺寸后，即使延長保溫時(shí)間，晶粒也并不會繼續(xù)長大，但升高溫度后晶粒又會繼續(xù)長大［6-8］。由于鋼軌接頭進(jìn)行焊后熱處理時(shí)，軌底三角區(qū)加熱溫度最高，因此加熱溫度必須控制在950℃以下，鋼軌接頭才不會發(fā)生奧氏體晶粒粗化現(xiàn)象。所以，U71Mn鋼軌焊后熱處理的溫度應(yīng)控制在850～900℃。

5　結(jié)論

1）使用新型加熱感應(yīng)線圈對U71Mn鋼軌焊接接頭焊后熱處理，8#工藝（軌頭加熱溫度880℃，加熱時(shí)間138 s，風(fēng)壓0.06 MPa，噴風(fēng)時(shí)間150 s左右）為最佳工藝。此時(shí)，接頭硬度比Hj/Hp=1.01，Hj1/Hp=0.88，軌頭、軌底三角區(qū)及兩軌底角晶粒度可達(dá)9級以上。

2）考慮到焊后熱處理過程中加熱溫度、風(fēng)壓、加熱時(shí)間等工藝參數(shù)的波動，建議U71Mn鋼軌焊接接頭焊后熱處理最佳工藝參數(shù)為：軌頭加熱溫度880± 10℃，加熱時(shí)間 ＞130 s，風(fēng)壓0.06～0.10 MPa，噴風(fēng)時(shí)間150 s。

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（責(zé)任審編周彥彥）

Optimization Study of Post-weld Heat Treatment Process to Refine U71Mn Rail Welded Joints Grain Size

XU Xin1，2，WANG Shuqing2，ZHAN Xinwei2
（1.Postgraduate Department，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China；
2.Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T he temperature of some rail flanges was high in triangle areas and low in the corners，which made crystalline grain coarsening，during post-weld heat treatment process to U71M n rail welded joints via former induction heating coil.T o solve this problem，optimized induction heating coil was designed and following parameters were put out：Heating temperature 880±10℃，heating time＞130 s，wind pressure 0.06～0.10 M Pa，air spray time 150 s.T he ratio of joint surface to the base material was 1.01.T he crystalline grain sizes of the railhead，the triangle area and two corners of rail flange were refined，crystalline grain sizes were up to level 9.

U71M n rail；W elded joints；Post-weld heat treatment process；Crystalline grain size；Induction heating coil；Optimization

U213.4+6

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.36

1003-1995（2016）08-0145-04

2016-03-14；

2016-05-17

中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所基金（1552JH0101）

許鑫（1987— ），女，助理研究員，工程碩士研究生。