CN110480140A - 控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺，属于钢轨闪光焊接技术领域。本发明为解决现有技术中易导致R350HT钢轨闪光焊接头出现马氏体组织的技术问题，提供了一种控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺，包括焊接工艺和焊后处理；焊接工艺中，控制焊接热输入为8.0～9.0MJ的脉动或预热闪光焊接，焊接顶锻量为15.0～15.8mm；焊后处理中，将接头自然冷却至550～580℃，然后保温冷却至≤250℃，最后自然冷却至室温。通过对钢轨化学成分、热轧工艺、焊接工艺、焊后冷却的综合控制，确保了钢轨闪光焊接头中无马氏体等异常组织，并同时保证接头力学性能。

Description

控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺

技术领域

本发明属于钢轨闪光焊接技术领域，具体涉及一种控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺。

背景技术

随着无缝线路技术在客运、货运以及高速、重载等铁路建设在世界范围内的快速发展，钢轨接头的质量越来越引起相关部门的重视。铁道线路作为列车运行的直接载体，其质量的可靠性是列车安全运行的关键。钢轨闪光焊接头属于整个线路的薄弱环节，其质量的好坏可直接影响铁路的安全性。而在钢轨闪光焊接头的基体中，马氏体组织属于硬脆相，具有很高的硬度和极低的韧性，是钢轨焊接生产过程中对母材与接头影响较为严重的异形组织，极易引起钢轨在线路上断裂、掉块甚至揭盖等现象的发生，严重影响列车的安全运行。

目前，国内外主流的钢轨闪光焊接标准和企业技术条件中，对接头中马氏体的形态及含量均做了不同程度的规定。欧标BS EN 14587-2:2009《Rail way applications-Track-Flash butt welding of rails.Part 2:New R220 R260 R260Mn and R350HTgrade rails by mobile welding machines at sites other than a fixedplant》标准中规定，采用光学显微镜在100×的放大倍数下进行观察，不能出现马氏体或贝氏体等有害组织，取样位置为钢轨垂直中心面，应在轨头及轨低取样，轨头位置取1个，试样大小20×20mm，两个轨底脚各取1个，试样大小10×20mm；欧标R350HT钢轨为EN 13674-1-2011《Railway applications-Track-Rail Part 1:Vignole railway rails 46kg/m andabove》标准中规定的热处理钢轨，其C含量为0.70～0.82％，Mn含量为0.65～1.25％，Si含量为0.13～0.60％，Cr含量≤0.15％，其力学性能为Rm≥1175MPa，A≥9％，踏面硬度≥350HB，广泛运用于国外国铁和地铁线路。并且，世界各国对钢轨闪光焊接头中马氏体的形态以及含量要求极高。如何通过焊接工艺以及焊后处理工艺来抑制和消除钢轨闪光焊接头中马氏体的产生是钢轨闪光焊接头质量是否达标的重要因素。

然而，EN标准的R350HT钢轨成分范围比较宽，常用高Mn的合金元素设计钢种化学成分，仅考虑钢轨热轧后的力学性能满足EN标准合格，未考虑到用户在使用过程中的焊接验收标准变化，导致在闪光焊接头踏面下中心面的金相显微组织检查总是存在马氏体组织，无法通过焊接型检。

目前，国内外常用的抑制和消除钢轨闪光焊接头马氏体组织的方法为焊后热处理，即将焊后冷却至较低温度的接头，采用电磁感应线圈或火焰加热装置，将接头焊缝区域重新加热至某一温度后，以一定的冷却速率将加热后的焊缝区域进行冷却。针对珠光体钢轨，铁标TB/T1632中规定，焊后热处理包括正火以及恢复轨头硬度而使用的焊后欠速淬火；固定式闪光焊的焊接接头应采用中频电感应方式加热，移动式闪光焊的焊接接头宜采用中频电感应方式，也可采用火焰加热器摆动方式加热；采用中频电感应方式加热时，轨头表面的起始温度应低于500℃，加热温度宜采用900±20℃；采用火焰加热器摆动方式加热时，轨头表面的起始温度应低于500℃，加热宽度50±10mm，加热温度宜采用850～950℃；轨头欠速淬火应采用喷射压缩空气冷却。而国内其他学者所采用的方法均为焊后热处理，即通过控制加热速率、加热的峰值温度、冷却速率以及强制冷却的终了温度来达到不同目的。国外只针对轨头强化热处理钢轨闪光焊接头，在接头焊后自然冷却的过程中，采用压缩空气对焊缝区域强制冷却，达到提高接头硬度的目的，而此种方法对马氏体的抑制和消除并无帮助，若控制不当，反而会增加接头中马氏体含量；而针对部分热处理钢轨以及全部热处理钢轨品种，均未采用任何焊后处理措施，即只焊后自然冷却。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有技术的焊接和热处理工艺，易导致R350HT钢轨闪光焊接接头出现马氏体组织。

本发明解决上述技术问题的技术方案是提供了一种控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺，其特征在于：包括焊接工艺和焊后处理；其中，R350HT钢轨母材Mn含量为1.10～1.20wt％；焊接工艺中，控制焊接热输入为8.0～9.0MJ的脉动或预热闪光焊接，焊接顶锻量为15.0～15.8mm。

其中，上述所述的控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺中，焊后处理中，在闪光焊接结束后，将焊接接头自然冷却至行车面焊缝中心位置的温度为550～580℃，然后保温冷却至行车面焊缝中心位置的温度≤250℃，最后自然冷却至室温。

其中，上述所述的控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺中，所述焊缝中心为接头熔合线两侧各150～200mm的区域。

其中，上述所述的控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺中，所述保温冷却采用厚度≥30mm硅铝酸纤维棉为隔热材料。

其中，上述所述的控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺中，所述R350HT钢轨母材C含量处于中下限，Si≤0.30wt％。

其中，上述所述的控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺中，所述R350HT钢轨母材采用万能轧制线以及在线热处理线生产，其力学性能满足Rm≥1175MPa，A≥9％，踏面硬度≥350HB。

本发明的有益效果：

本发明通过对上限Mn含量R350HT钢轨化学成分、热轧工艺、焊接工艺、焊后冷却的综合控制，使得R350HT钢轨成分Mn含量在1.10～1.20wt％的情况下，不需要将接头重新加热，确保了钢轨闪光焊接头中无马氏体等异常组织，并同时保证接头硬度、静弯以及疲劳性能满足满足EN 14587-2:2009标准的技术要求；本发明采用简易的保温装置进行保温冷却控制，较好的控制了焊后冷却速度；本发明控制工艺简单，对固定式闪光焊和移动式闪光焊均可适用，可配套解决R350HT钢轨推广和应用道路上的重大焊接技术问题，具有良好的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明R350HT钢轨闪光焊接接头金相组织图。

具体实施方式

具体的，控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺，包括以下步骤：包括焊接工艺和焊后处理；其中，R350HT钢轨母材Mn含量为1.10～1.20wt％；焊接工艺中，控制焊接热输入为8.0～9.0MJ的脉动或预热闪光焊接，焊接顶锻量为15.0～15.8mm。

钢轨在闪光焊接过程中，首先通过闪平阶段的过梁爆破，使得待焊钢轨截面平整清洁，为后续的闪光和加热提供相对均匀平整的有利条件；然后通过预热阶段高电流、低电压的闪光过程积累热量，在钢轨纵向形成一定的温度梯度，将钢轨的端面加热到足够的温度并为加速闪光的均匀化过程奠定条件；最后进行末期加速闪光烧化，在整个焊接区域形成防止端面氧化的保护气氛，最终形成合适的温度场分布，为顶锻提供条件。控制焊接热输入主要就是控制预热阶段高电流、低电压的闪光过程积累的热量，该热量直接影响钢轨端面的温度梯度。

在获得合适的温度梯度后，通过在钢轨上施加沿钢轨纵向的力，使两支钢轨靠拢。此时，具有塑性变形能力的钢轨被挤压变形。在顶锻前后，钢轨前段消耗的金属量就是顶锻量。一般说来，在热输入一定的情况下，顶锻力越大，顶锻量也就越大。经试验发现，当R350HT钢轨Mn含量处于上限(1.10～1.20wt％)，焊接热输入为8.0～9.0MJ和焊接顶锻量为15.0～15.8mm能够达到最佳匹配，此时钢轨接头的结合强度最高，接头质量最稳定。

钢轨在冶炼过程中，Mn元素易与S元素形成硫化锰，是良好的脱氧剂和脱硫剂，能在相当程度上降低硫在钢中的危害。同时Mn溶入铁素体中引起固溶强化，提高钢热轧后的硬度和强度。但Mn含量较高时，有较明显的回火脆性现象，同时Mn有促进晶粒长大的作用，使得钢对过热敏感，并且当Mn的质量分数超过1％时，会降低钢的焊接性能。而在钢轨闪光焊接头冷却的过程中，极易在Mn元素微观偏析的区域形成呈点状或条带状分布的马氏体，严重影响接头性能。一般来讲，钢中Mn元素的平均质量分数越高，其发生Mn的偏聚的概率越大，即Mn含量越高，越容易产生马氏体组织。

马氏体本质来说是碳在α-Fe中过饱和的间隙固溶体。马氏体的组织形态主要有两种：一种是板条状马氏体，另一种是片状马氏体(本发明中提及的马氏体主要为片状马氏体)。片状马氏体一般出现在C含量大于0.6％的高碳钢中，由于试样位相原因，有时候在光学显微镜下呈针状或竹叶状，故片状马氏体又称针状马氏体或竹叶状马氏体。片状马氏体的另一个重要特点就是存在大量显微裂纹，显微裂纹的存在增加了高碳钢件的脆性，在内应力的作用下显微裂纹将会逐渐扩展成宏观裂纹，可以导致接头开裂或是接头疲劳寿命明显下降。与其他固态相变一样，马氏体转变需要足够大的过冷度才能使相变驱动力大于相变阻力，以发生奥氏体向马氏体的转变，但不同的是其所需的过冷度较大，必须过冷到远低于T0的Ms点以下才能发生；马氏体是在无扩散的情况下进行的，在相当低的温度下其相变速度极快，表现为钢中奥氏体转变为马氏体时，仅由面心立方点阵改组为体心立方点阵，无成分变化；同时，马氏体转变是在一定温度范围内进行的。本发明中的R350HT钢轨钢中的马氏体转变是在连续(即变温)冷却过程中进行的，奥氏体以大于临界淬火速度的速度冷却都Ms点以下，立即形成一定数量的马氏体，随着温度的下降，又形成一定数量的马氏体，而先形成的马氏体不再长大，马氏体转变量随着温度的降低逐渐增加，直至低于Mf点以下。

本发明中涉及的马氏体组织，主要出现在沿钢轨垂直中心面，熔合线两侧5mm内，因为C、Mn为偏析元素，当钢轨中Mn含量提高至1.10～1.20wt％后，高Mn成分的钢轨母材势必导致Mn微区偏析，偏析区高含量的化学成分使CCT曲线严重右移，特别容易导致焊后接头空冷过程中出现点状马氏体组织。因此本发明在闪光焊接结束后，将焊接接头自然冷却至行车面焊缝中心位置的温度为550～580℃，然后保温冷却至行车面焊缝中心位置的温度≤250℃，最后自然冷却至室温，通过控制钢轨接头冷却过程中的冷却速度处于合适的范围，使其低于临界冷速，在不发生马氏体相变的同时，保证接头性能优良。

具体的热处理步骤为：在闪光焊接结束后，首先采用红外线测温仪对自然冷却的钢轨接头行车面焊缝中心位置进行测温，当温度下降到550～580℃时，立即采用隔热装置对焊缝区域进行保温；在此过程中继续监控接头温度，当行车面焊缝中心位置温度降至≤250℃时，拆除装置，最后将接头置于空气中自然冷却至室温；其中，焊缝中心为接头熔合线两侧各150～200mm的区域；保温冷却采用厚度≥30mm硅铝酸纤维棉为隔热材料。

高温段自然冷却速度快，其冷却速约为3～5℃/s，低温段自然冷却速度慢，其冷却速率约＜0.2℃/s；通过对保温起始温度、保温装置等控制，保温冷却时的速率是1～2℃/s。

本发明对C0.70～0.82wt％、Si0.13～0.60wt％的R350HT钢轨均适用；并且发明人在实践中发现，当R350HT钢轨母材C含量处于中下限(C含量一般为0.72～0.78wt％)，Si≤0.30wt％时，采用本发明方法能够更好的控制接头金相组织。

本发明采用的R350HT钢轨采用万能轧制线以及在线热处理线生产，其力学性能满足Rm≥1175MPa，A≥9％，踏面硬度≥350HB。

本发明中，所述含量均为质量百分含量。

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。

实施例中，钢轨静弯试验是目前国内外运用最广泛的钢轨接头整体性能评价方法，所有钢轨接头检验标准中都有规定，主要包括两项指标，即载荷和挠度。

静弯试验是采用三点或四点支撑的方法，以一定的加载速率，向钢轨接头施加载荷，直到载荷达到标准规定值不断，并且最大挠度大于标准规定值时，则判定接头静弯性能合格，不同的轨型对应不同的载荷与挠度值。各国的标准中，俄罗斯STO RZD 1.08.002:2009标准的质量要求最高，要求接头最低荷载和挠度分别不小于2100kN和30mm(65kg/m钢轨，轨头受压)，折算成60kg/m钢轨轨头受压时的最低载荷为1907kN和30mm。欧洲标准BSEN14587-2:2009要求接头最低荷载和挠度分别不小于1600KN和20mm(60kg/m钢轨，轨头受压)。澳标AS1085.20-2012要求接头轨底最小应力为900MPa，经折算后的最低荷载和挠度分别不小于1670KN和20mm(60kg/m钢轨，轨头受压)。我国对于静弯标准要求是破断载荷不小于1450kN(60kg/m，轨头受压)，对挠度不作要求。

静弯载荷主要体现了接头的结合强度、接头外观以及内部缺陷指标，挠度主要体现了接头强韧性指标。若接头焊接工艺不良，极有可能因为灰斑、未熔合或者过烧等缺陷导致接头在未达到标准规定的载荷值前断裂，或者因为接头热输入和顶锻量匹配不当、焊后处理方法不当导致接头偏硬或偏软，使接头挠度达不到标准要求。

钢轨实物疲劳性能和静弯试验类似，多采用三点或四点支撑的方法，以一定的频率和幅值向钢轨接头施加交变载荷，直到循环次数达到标准规定值不断，则判定接头静弯性能合格，不同的轨型对应不同的轨底最大应力。

实施例1

采用热输入为8.0MJ，顶锻量为15.0mm的闪光焊接工艺，对Mn的质量分数为1.10％的欧标R350HT热处理钢轨(C含量处于中下限，Si≤0.30wt％，Rm≥1175MPa，A≥9％，踏面硬度≥350HB)进行闪光焊接。在闪光焊接结束后，首先采用红外线测温仪对自然冷却的钢轨接头行车面焊缝中心位置进行测温，当温度下降到550℃时，立即采用厚度≥30mm的硅铝酸纤维棉隔热装置，对接头熔合线两侧各200mm的区域进行保温；在此过程中继续监控接头温度，当行车面焊缝中心位置温度低于250℃后拆除装置，最后将接头置于空气中自然冷却至室温。

按照EN 14587.2对采用以上焊接工艺和焊后处理方法得到的接头进行检验分析，接头中心面轨头以及轨底脚位置显微组织为珠光体，未见马氏体等有害组织；除软化区外的接头硬度均在母材平均硬度-30HV～+60HV范围内；三点弯曲静弯试验2000kN不断，最大挠度为27.0mm；三点支撑实物疲劳实验500万次未断，各项指标均满足EN标准要求。

实施例2

采用热输入为8.3MJ，顶锻量为15.3mm的闪光焊接工艺，对Mn的质量分数为1.20％的欧标R350HT热处理钢轨(C含量处于中下限，Si≤0.30wt％，Rm≥1175MPa，A≥9％，踏面硬度≥350HB)进行闪光焊接。在闪光焊接结束后，首先采用红外线测温仪对自然冷却的钢轨接头行车面焊缝中心位置进行测温，当温度下降到570℃时，立即采用厚度≥30mm的硅铝酸纤维棉隔热装置，对接头熔合线两侧各200mm的区域进行保温；在此过程中继续监控接头温度，当行车面焊缝中心位置温度低于250℃后拆除装置，最后将接头置于空气中自然冷却至室温。

按照EN 14587.2对采用以上焊接工艺和焊后处理方法得到的接头进行检验分析，接头中心面轨头以及轨底脚位置显微组织为珠光体，未见马氏体等有害组织；除软化区外的接头硬度均在母材平均硬度-30HV～+60HV范围内；三点弯曲静弯试验2000kN不断，最大挠度为27.1mm；三点支撑实物疲劳实验500万次未断，各项指标均满足EN标准要求。

实施例3

采用热输入为8.9MJ，顶锻量为15.8mm的闪光焊接工艺，对Mn的质量分数为1.15％的欧标R350HT热处理钢轨(C含量处于中下限，Si≤0.30wt％，Rm≥1175MPa，A≥9％，踏面硬度≥350HB)进行闪光焊接。在闪光焊接结束后，首先采用红外线测温仪对自然冷却的钢轨接头行车面焊缝中心位置进行测温，当温度下降到565℃时，立即采用厚度≥30mm的硅铝酸纤维棉隔热装置，对接头熔合线两侧各200mm的区域进行保温；在此过程中继续监控接头温度，当行车面焊缝中心位置温度低于250℃后拆除装置，最后将接头置于空气中自然冷却至室温。

按照EN 14587.2对采用以上焊接工艺和焊后处理方法得到的接头进行检验分析，接头中心面轨头以及轨底脚位置显微组织为珠光体，未见马氏体等有害组织；除软化区外的接头硬度均在母材平均硬度-30HV～+60HV范围内；三点弯曲静弯试验2000kN不断，最大挠度为27.5mm；三点支撑实物疲劳实验500万次未断，各项指标均满足EN标准要求。

实施例4

采用热输入为9.0MJ，顶锻量为15.8mm的闪光焊接工艺，对Mn的质量分数为1.18％的欧标R350HT热处理钢轨(C含量处于中下限，Si≤0.30wt％，Rm≥1175MPa，A≥9％，踏面硬度≥350HB)进行闪光焊接。在闪光焊接结束后，首先采用红外线测温仪对自然冷却的钢轨接头行车面焊缝中心位置进行测温，当温度下降到580℃时，立即采用厚度≥30mm的硅铝酸纤维棉隔热装置，对接头熔合线两侧各200mm的区域进行保温；在此过程中继续监控接头温度，当行车面焊缝中心位置温度低于250℃后拆除装置，最后将接头置于空气中自然冷却至室温。

按照EN 14587.2对采用以上焊接工艺和焊后处理方法得到的接头进行检验分析，接头中心面轨头以及轨底脚位置显微组织为珠光体，未见马氏体等有害组织；除软化区外的接头硬度均在母材平均硬度-30HV～+60HV范围内；三点弯曲静弯试验2000kN不断，最大挠度为27.6mm；三点支撑实物疲劳实验500万次未断，各项指标均满足EN标准要求。

Claims (6)

1.控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺，其特征在于：包括焊接工艺和焊后处理；其中，R350HT钢轨母材Mn含量为1.10～1.20wt％；焊接工艺中，控制焊接热输入为8.0～9.0MJ的脉动或预热闪光焊接，焊接顶锻量为15.0～15.8mm。

2.根据权利要求1所述的控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺，其特征在于：焊后处理中，在闪光焊接结束后，将焊接接头自然冷却至行车面焊缝中心位置的温度为550～580℃，然后保温冷却至行车面焊缝中心位置的温度≤250℃，最后自然冷却至室温。

3.根据权利要求2控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺，其特征在于：所述焊缝中心为接头熔合线两侧各150～200mm的区域。

4.根据权利要求2控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺，其特征在于：所述保温冷却采用厚度≥30mm硅铝酸纤维棉为隔热材料。

5.根据权利要求1控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺，其特征在于：所述R350HT钢轨母材C含量处于中下限，Si≤0.30wt％。

6.根据权利要求1～5任一项控制上限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺，其特征在于：所述R350HT钢轨母材采用万能轧制线以及在线热处理线生产，其力学性能满足Rm≥1175MPa，A≥9％，踏面硬度≥350HB。