CN103898310B - 一种贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法，该方法包括：将焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头进行第一冷却至第一温度，然后将第一冷却后的焊接接头加热至第二温度，然后再进行第二冷却，其中，所述第一温度不高于450℃，所述第二温度高于所述第一温度且不高于510℃。本发明提供的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法操作简单，且能够显著提高贝氏体钢轨焊接接头的冲击韧性，降低贝氏体钢轨焊接接头中的马氏体组织的含量，从而保证铁路安全运行。

Description

一种贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法

技术领域

本发明涉及铁路钢轨焊接技术领域，具体地，涉及一种贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法。

背景技术

贝氏体钢轨是近年来研发的新品种，主要应用于生产铁路用户使用的钢轨和道岔，因其具有抗拉强度大、硬度高、抗疲劳性能好和耐磨性能优异等优点，日益受到制造厂家和铁路用户的关注。钢轨一般都需要进行焊接（无论是焊轨基地闪光焊接，还是铁路现场铝热焊接，或气压焊接）以形成无缝线路，以及提高铁路的平顺性和保证列车的平稳运行。多年数据统计表明，钢轨焊接接头发生伤损断轨事故的概率远大于钢轨母材本身，所以钢轨焊接接头的质量历来是铁路工务部门关心的重大技术问题，它关系到整个铁路运输的安全。

马氏体组织为一种硬而脆组织，它的存在将降低焊接接头的韧塑性，所以在中华人民共和国铁道行业标准系列标准TB/T1632.2-2005《钢轨焊接第二部分：闪光焊接》、TB/T1632.3-2005《钢轨焊接第三部分：铝热焊接》、TB/T1632.4-2005《钢轨焊接第四部分：气压焊接》中均明确要求珠光体钢轨焊接接头中的焊缝、热影响区不应出现马氏体及魏氏组织。而目前，对贝氏体钢轨还没有标准规定，因贝氏体钢轨中的马氏体带状组织显微硬度高达570HV，因此需要尽量降低马氏体组织面积百分比含量。

贝氏体钢轨的化学成分通常为：碳含量0.20-0.30重量％，Si含量1.4-2.0重量％，Mn含量1.5-2.5重量％，Cr含量0.30-1.20重量％，Mo含量0.20-0.60重量％。由于其中所含的合金元素含量较高（达到5%以上），当贝氏体钢轨在焊接后采取空冷或者在普通的焊后将焊接接头区域加热到900℃左右后的正火热处理工艺后，在焊接热影响区仍然存在马氏体组织。特别是在钢轨轨头与轨腰的过渡三角区、轨腰与轨底的过渡三角区，因Mn偏析而导致的马氏体偏析带状组织严重，从而导致钢轨的韧塑性降低，冲击功降低到钢轨母材的50%左右，极大地降低了贝氏体钢轨焊接接头区域的力学性能，给铁路安全运行带来了潜在的危害。

目前国内钢轨闪光或气压焊焊接后通常按TB/T1632标准要求在900℃左右进行焊后正火热处理工艺，采用中频感应电加热或氧乙炔火焰加热至900℃的峰温后空冷至室温，甚至在正火后采取风冷工艺以进一步提高踏面硬度。焊后正火热处理一方面可以提高钢轨接头的力学性能，特别是使得冲击韧性提高显著；另一方面是显著降低焊接接头应力，避免在焊接接头出现裂纹伤损时呈“S”型扩展，从而保障焊接接头的安全性能。作为珠光体类型的钢轨（如U71Mn、U75V、U78CrV等钢轨）均采用了焊后900℃左右峰温加热后冷却的工艺，对铁路行车安全提供了保障。而作为合金含量较高的贝氏体钢轨，在同样的焊后热处理工艺条件下空冷至室温，在正常焊后空冷和焊后正火冷却工艺中高Mn偏析带将会在钢轨轨头与轨腰的过渡三角区、轨腰与轨底的过渡三角区产生马氏体组织转变，形成带状脆硬的马氏体组织，导致韧塑性降低。

综上所述，市场上亟需找到一种操作简单且能够显著降低贝氏体钢轨焊接接头中的马氏体组织含量的焊后热处理方法，以提高钢轨焊接接头的冲击韧性并保证铁路安全运行。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种新的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法，该方法操作简单，且能够显著提高贝氏体钢轨焊接接头的冲击韧性、降低贝氏体钢轨焊接接头中的马氏体组织的含量，从而保证铁路安全运行。

为了实现上述目的，本发明提供了一种贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法，该方法包括：将焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头进行第一冷却至第一温度，然后将第一冷却后的焊接接头加热至第二温度，然后再进行第二冷却，其中，所述第一温度不高于450℃，所述第二温度高于所述第一温度且不高于510℃。

通过本发明的上述贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法所得到的钢轨焊接接头中的马氏体组织分布均匀，而且马氏体组织的面积百分含量显著降低，显著地改善了贝氏体钢轨焊接接头的冲击韧性，从而保证铁路安全运行。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是采用实施例1中的方法所得到的贝氏体钢轨焊接接头的轨头三角区中的马氏体组织分布的面积和效果的图。

图2是采用实施例1中的方法所得到的贝氏体钢轨焊接接头的轨底三角区中的马氏体组织分布的面积和效果的图。

图3是采用对比例1中的方法所得到的贝氏体钢轨焊接接头的轨头三角区中的马氏体组织分布的面积和效果的图。

图4是采用对比例1中的方法所得到的贝氏体钢轨焊接接头的轨底三角区中的马氏体组织分布的面积和效果的图。

图5是本发明的钢轨的截面结构示意图。

附图标记说明

1—轨头 2—轨腰 3—轨底 101—钢轨踏面

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，所述“焊接接头”是指经焊接后得到的包含焊缝和/或正火热影响区在内长度约为100-120毫米的区域，该区域的中心线为两支焊接在一起的钢轨的焊缝处。在本发明中，所述“室温”是指0-45℃的温度范围。

根据本发明的一个目的，提供了一种贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法，其中，该方法包括：将焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头进行第一冷却至第一温度，然后将第一冷却后的焊接接头加热至第二温度，然后再进行第二冷却，其中，所述第一温度不高于450℃，所述第二温度高于所述第一温度且不高于510℃。

采用本发明的上述焊后热处理方法热处理焊接接头就能够显著降低焊接接头中的马氏体组织的面积百分含量，显著改善贝氏体钢轨焊接接头的冲击韧性，从而保证铁路安全运行。

优选情况下，在本发明所述的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法中，进行第一冷却至所述第一温度的方式包括以下方式中的任意一种：

（1）直接将所述焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头冷却至所述第一温度；

（2）将所述焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头先预冷至380-420℃，然后经正火后再冷却至所述第一温度。

在发明中，优选所述预冷的方法与第一冷却的方法相同。

在本发明中，所述正火一般是指采用常规的方法将工件加热至Ac3（加热时铁素体全部转变为奥氏体的终了温度）以上40-60℃，保温一段时间后，从炉中取出在空气中空冷、或喷雾、吹风冷却的金属热处理工艺。而焊接和通常的热处理工艺不一样，其加热速度很快（非平衡状态加热），钢轨焊接接头正火不可能在达到目标温度后进行保温（奥氏体化），一般采取比一般的正火温度稍高的峰温加热后再进行空冷或风冷，本发明优选正火的温度为880-920℃。

优选情况下，在本发明所述的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法中，所述将焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头进行第一冷却至所述第一温度的第一温度为320-380℃，进一步优选为340-360℃，更优选为350℃。

优选情况下，在本发明所述的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法中，所述将第一冷却后的焊接接头加热至所述第二温度的第二温度为450-505℃；进一步优选为480-500℃；更优选为500℃。

在本发明所述的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法中，所述将第一冷却后的焊接接头加热的方法可以有多种，本发明优选采用中频感应像形电加热器和/或氧-乙炔火焰像形加热器进行加热。

优选情况下，在本发明所述的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法中，将第一冷却后的焊接接头加热至所述第二温度时采用全断面的方式进行加热。在本发明中，所述采用全断面的方式进行加热是指对包含焊缝在内的长度约为100-120mm范围内的钢轨焊接接头整个截面进行加热的方式。

优选情况下，在本发明所述的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法中，将第一冷却后的焊接接头加热时，控制轨头与轨底脚的温度差不高于50℃；进一步优选控制轨头与轨底脚的温度差为30-40℃。所述控制的方法可以采用本领域内常规使用的方法，例如通过调节中频电加热感应器与钢轨间的距离和像形程度，或者调节氧乙炔火焰加热器的火孔直径等方法进行控制。本发明中，所述第二温度优选为使轨头加热时钢轨踏面达到的温度，即优选当轨头的踏面温度达到第二温度时，停止加热。本领域技术人员知悉，所述轨底脚是指轨底中远离轨腰垂直中轴线的两端区域。

优选情况下，在本发明所述的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法中，所述第一冷却和所述第二冷却的冷却方法可以采用空冷和风冷等冷却方法中的至少一种，为了减少焊接接头中马氏体组织的面积百分含量，本发明优选采用空冷的方法进行冷却。

本发明所述的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法可以用于各种温度的焊接后的（未冷却至室温的）贝氏体钢轨的焊接接头，本发明优选所述焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头的起始温度为1300-1380℃，进一步优选为1320-1350℃。

本发明所述的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法可以用于采用各种焊接方法获得的焊接后的（未冷却至室温的）贝氏体钢轨的焊接接头，本发明优选用于采用包括闪光焊接和气压焊接中的至少一种焊接方法获得的焊接后的（未冷却至室温的）贝氏体钢轨的焊接接头。

如图5所示，在本发明中，钢轨踏面101是指轨头顶面与车轮接触的部分，其中，轨头1包括钢轨踏面101；轨底3是指道岔轨底部；轨腰2是指连接道岔轨的轨头1与轨底3的部分。对此本领域技术人员均熟知，在此不再进行详细的描述。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实施例中，贝氏体钢轨的型号为PB2贝氏体钢轨，产自攀钢集团。

实施例1

将贝氏体钢轨采用闪光焊焊接后得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头进行空冷，当焊接接头从1350℃冷却至350℃时，再次采用中频感应像形电加热器对钢轨焊接接头区域实施全断面加热，保持轨头与轨底脚的温度差为35℃。当钢轨的踏面温度达到500℃时停止加热，然后让所得到的钢轨焊接接头再次空冷至室温（约为25℃），从而得到经本发明的焊后热处理的贝氏体钢轨焊接接头。

取适量本实施例得到的贝氏体钢轨的焊接接头区域中轨头三角区（即轨头和轨腰交界区，下同）和轨底三角区（即轨底和轨腰交界区，下同）的样本于光学金相显微镜下观察，其轨头中的马氏体组织分布的效果如图1（图中浅色区域为马氏体组织，深色区域为贝氏体组织，图2-图4中亦如此）所示，轨底中的马氏体组织分布的效果如图2所示。

由图1可以看出，采用本发明提供的焊后热处理方法处理焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头时，所得到的焊接接头的轨头中的马氏体组织分布均匀且明显较少。

由图2可以看出，采用本发明提供的焊后热处理方法处理焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头时，所得到的焊接接头的轨底中的马氏体组织分布均匀且明显较少。

实施例2

将贝氏体钢轨采用闪光焊焊接后得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头进行空冷，当焊接接头从1320℃冷却至360℃时，再次采用氧-乙炔火焰像形电加热器对钢轨焊接接头区域实施全断面加热，保持轨头与轨底脚的温度差为30℃。当钢轨的踏面温度达到480℃时停止加热，然后让所得到的钢轨焊接接头再次空冷至室温（约为25℃），从而得到经本发明的焊后热处理的贝氏体钢轨焊接接头。

取适量本实施例得到的贝氏体钢轨的焊接接头区域中轨头和轨底的样本于光学金相显微镜下观察，其轨头中的马氏体组织分布的效果与图1所示的效果相似，轨底中的马氏体组织分布的效果与图2所示的效果相似。

实施例3

将贝氏体钢轨采用气压焊焊接后得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头进行预冷（空冷），当焊接接头从1350℃冷却至400℃时，对该焊接接头进行正火热处理至900℃，然后进行空冷至340℃，再次采用中频感应像形电加热器对钢轨焊接接头区域实施全断面加热，保持轨头与轨底脚的温度差为40℃。当钢轨的踏面温度达到490℃时停止加热，然后让所得到的钢轨焊接接头再次空冷至室温（约为25℃），从而得到经本发明的焊后热处理的贝氏体钢轨焊接接头。

取适量本实施例得到的贝氏体钢轨的焊接接头区域中轨头和轨底的样本于光学金相显微镜下观察，其轨头中的马氏体组织分布的效果与图1所示的效果相似，轨底中的马氏体组织分布的效果与图2所示的效果相似。

实施例4

将贝氏体钢轨采用气压焊焊接后得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头进行预冷（空冷），当焊接接头从1350℃冷却至380℃时，对该焊接接头进行正火热处理至920℃，然后进行空冷至350℃，再次采用氧-乙炔火焰像形电加热器对钢轨焊接接头区域实施全断面加热，保持轨头与轨底脚的温度差为34℃。当钢轨的踏面温度达到500℃时停止加热，然后让所得到的钢轨焊接接头再次空冷至室温（约为25℃），从而得到经本发明的焊后热处理的贝氏体钢轨焊接接头。

取适量本实施例得到的贝氏体钢轨的焊接接头区域中轨头和轨底的样本于光学金相显微镜下观察，其轨头中的马氏体组织分布的效果与图1所示的效果相似，轨底中的马氏体组织分布的效果与图2所示的效果相似。

实施例5

按照实施例1的方法进行贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理，不同的是，当焊接接头从1350℃冷却至320℃（第一温度）时，然后再进行加热。

取适量本实施例得到的贝氏体钢轨的焊接接头区域中轨头和轨底的样本于光学金相显微镜下观察，其轨头中的马氏体组织的面积较实施例1中的多大约15%，轨底中的马氏体组织的面积较实施例1中的多大约20%。

实施例6

按照实施例3的方法进行贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理，不同的是，当钢轨的踏面温度达到440℃时停止加热。

取适量本实施例得到的贝氏体钢轨的焊接接头区域中轨头和轨底的样本于光学金相显微镜下观察，其轨头中的马氏体组织的面积较实施例3中的多大约20%，轨底中的马氏体组织的面积较实施例3中的多大约25%。

实施例7

按照实施例3的方法进行贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理，不同的是，轨头与轨底脚的温度差为50℃。

取适量本实施例得到的贝氏体钢轨的焊接接头区域中轨头和轨底的样本于光学金相显微镜下观察，其轨头中的马氏体组织的面积较实施例3中的多大约20%，轨底中的马氏体组织的面积较实施例3中的多大约25%。

对比例1

将贝氏体钢轨采用闪光焊焊接后得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头（1350℃）直接进行空冷至室温（约为25℃），从而得到贝氏体钢轨焊接接头。

取适量本对比例得到的贝氏体钢轨的焊接接头区域中轨头和轨底的样本于光学金相显微镜下观察，其轨头三角区中的马氏体组织分布的效果如图3所示，轨底中的马氏体组织分布的效果如图4所示。

由图3的结果可以看出，不采用本发明提供的焊后热处理方法处理焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头时，所得到的焊接接头的轨头中的马氏体组织分布不均匀，呈现明显较多的马氏体偏析带状组织。

由图4的结果可以看出，不采用本发明提供的焊后热处理方法处理焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头时，所得到的焊接接头的轨底中的马氏体组织分布不均匀，呈现明显较多的马氏体偏析带状组织。

对比例2

将贝氏体钢轨采用气压焊焊接后得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头进行预冷（空冷），当焊接接头从1350℃冷却至400℃时，对该焊接接头进行正火热处理至900℃，然后直接进行空冷至室温（约为25℃），从而得到贝氏体钢轨焊接接头。

取适量本对比例得到的贝氏体钢轨的焊接接头区域中轨头和轨底的样本于光学金相显微镜下观察，其轨头中的马氏体组织分布的效果与图3所示的效果相似，轨底中的马氏体组织分布的效果与图4所示的效果相似。

对比图1、图2和图3、图4中的马氏体组织的分布及面积可以看出：采用本发明提供的方法对贝氏体钢轨的焊接接头进行焊后热处理后可以显著降低所得到的钢轨焊接接头中的马氏体组织的面积百分含量，并提高贝氏体钢轨焊接接头的冲击韧性，从而保证铁路安全运行。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理方法，其特征在于，该方法包括：将焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头进行第一冷却至第一温度，然后将第一冷却后的焊接接头加热至第二温度，然后再进行第二冷却，其中，所述第一温度为320-380℃，所述第二温度高于所述第一温度且不高于510℃；将第一冷却后的焊接接头加热时，控制轨头与轨底脚的温度差不高于50℃，所述第一冷却和第二冷却的冷却方法为空冷。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，进行第一冷却至第一温度的方式包括以下方式中的任意一种：

(1)直接将所述焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头冷却至所述第一温度；

(2)将所述焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头先预冷至380-420℃，然后经正火后再冷却至所述第一温度。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度为340-360℃。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二温度为450-505℃。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第二温度为480-500℃。

6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，所述将第一冷却后的焊接接头加热的方法包括采用中频感应像形电加热器和/或氧-乙炔火焰像形加热器进行加热。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，将第一冷却后的焊接接头采用全断面加热的方式进行加热。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，将第一冷却后的焊接接头加热时，控制轨头与轨底脚的温度差为30-40℃。

9.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，所述焊接得到的待冷却的贝氏体钢轨的焊接接头的起始温度为1300-1380℃。

10.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，焊接所述贝氏体钢轨的焊接接头的方法包括闪光焊接和气压焊接中的至少一种。