U71Mn钢轨试样摩擦焊接接头显微组织性能研究.pdf

第 2 卷 第 3 期2 0 2 3 年 6 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.3June 2 0 2 3U71Mn钢轨试样摩擦焊接接头显微组织性能研究谭锦红1，2，姚 宁3，李力1，高振坤1，彭鹏1（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081；2.华南理工大学，广州 510641；3.国铁物资有限公司，北京 100097）摘要：采用摩擦焊接方法研究U71Mn钢轨试样的焊接性，通过金相、硬度、拉伸、冲击等试验以及断口扫描与组织观察，研究了U71Mn钢轨试样摩擦焊接接头的成分、组织和性能。结果表明：试样摩擦焊接接头成型良好，接头组织为母材区（BM）、热影响区（HAZ）、焊核区（WZ），不存在热机影响区（TMAZ）；焊核区由马氏体组织组成，晶粒尺寸远低于母材晶粒尺寸，焊核区存在MnS夹杂物；热影响区比较窄发生了部分马氏体转变。摩擦焊接过程中形成的马氏体导致了焊缝区域硬度过高，从而降低了接头韧性。接头横截面成分分析表明焊接过程未发生脱碳、合金元素烧损等现象，未出现明显的成分偏析。接头力学性能和断口分析表明大量的马氏体和MnS夹杂物是导致焊接接头性能下降的主要因素。关键词：U71Mn钢轨试样；摩擦焊；接头成分；接头组织；接头性能中图分类号：U213.4+6；TG453+.9 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.03.004现代铁路运输正向高速、重载、大运量方向发展，需要尽量减少限制行车速度的钢轨接头数量，因此无缝线路成为铁路线路的发展方向，无缝线路消除了普通线路的钢轨接头，降低列车运行过程中的振动和冲击，延长了轮轨部件的使用寿命，对列车的运行和行车安全提供了有力保障。目前国内外普遍采用的无缝钢轨焊接方法有：铝热焊、气压焊、窄间隙电弧焊和闪光焊，几乎所有的无缝钢轨均由这几种焊接方法焊接而成1-2。钢轨主要焊接方法是闪光焊和气压焊，闪光焊焊接温度较高，U71Mn 钢轨焊接过程中的低熔点元素（如C元素）容易出现烧损，从而导致在凝固后的接头中出现低C元素和合金元素的区域，导致出现软化层。闪光焊接虽然属于压力焊接，但是在焊接过程中存在材料的熔化和凝固过程，而且是非平衡凝固，因此容易出现偏析；在凝固过程中部分氧化物由于只受到垂直于对接面的挤压力，并不能顺利挤出焊接区域，从而在焊缝中形成灰斑缺陷3-4。气压焊为外热源加热，U71Mn钢轨导热系数低使得其加热过程中断面温度不均匀，完成全断面交互结晶较困难5。摩擦焊接技术是一种优质、高效、清洁、低耗的先进制造技术，与熔焊相比，摩擦焊主要具有以下优点：（1）接头质量高。线性摩擦焊接技术属于固相焊接，正常情况下，焊合区金属为锻造组织，不产生与熔化及凝固相关的焊接缺陷，压力与扭转的力学冶金效应使得晶粒细化，组织致密，夹杂物弥散分布。（2）自清洁能力。线性摩擦焊振动过程中，焊接界面上的氧化膜及油污可以通过飞边挤出，保证焊接质量。（3）环境清洁。线性摩擦焊不需要填充焊丝及保护气体，也不会产生弧光、烟尘及飞溅等，是一种绿色环保的焊接方法。（4）生产效率高。设备易于实现机械化、自动化，接头尺寸精度高6-7。在航空航天、机械制造、石油和汽车等行业都得了广泛的应用8-9。摩擦焊接技术具有焊接温度低、焊接过程中无熔化凝固过程、热输入低等特点，应用在钢轨领域可以进一步提高焊接接头的性能，提高无缝线路的可靠性。1 试验条件和方法 1.1试验材料试验材料为60 kg/m的U71Mn钢轨上截取的小试样，其化学成分如表1所示。1.2试样制备采用摩擦焊进行U71Mn钢轨小试样焊接，截取待焊试件截面尺寸为 10 mm20 mm，焊接参数为:频率50 Hz，顶锻量3 mm，顶锻力15 t，振幅1 mm。焊后在室温下进行空冷得到焊态接头。按 GB/T 2282002文章编号：2097-0846（2023）03002306收稿日期：20221202；修回日期：20230118基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所基金（2021XC03）第一作者：谭锦红（1981），男，高级工程师，博士研究生。E-mail：高速铁路新材料第 2 卷金属材料 室温拉伸试验方法 要求加工拉伸试样 3个，在室温条件下拉伸，拉伸速度为5 mm/min。按照GB/T 26502008 焊接接头冲击试验方法 要求加工V型缺口标准冲击试样 2个，尺寸为：10 mm10 mm55 mm（缺口在焊缝处）；另外制取金相试样1个。1.3显微组织观察和力学性能测试金相试样焊缝处经机械研磨抛光、体积分数 4%硝酸酒精腐蚀后，采用体式显微镜观察焊缝宏观形貌，采用金相显微镜、SEM电镜、能谱仪观察分析焊缝横截面断口形貌、显微组织特征及成分。采用显微硬度仪进行硬度试验，以焊缝中心为零点，沿垂直焊缝中心线左右两侧每隔0.1 mm取测试点，共20个测试点，试验条件为HV0.3。2 试验结果与分析 2.1接头组织特征U71Mn钢轨试样摩擦焊接头表面成型良好，焊缝形状如图1所示，焊缝两侧较宽、逐渐向心部收窄。由图 1 金相显微镜观察结果可知，两侧焊缝区宽度约1.2 mm，心部焊缝区域宽度约1.0 mm。产生这一现象的主要原因为在摩擦过程中界面均匀产热，但是飞边会从中心向边沿转移，从而导致边沿热量堆积，使得边沿具有更高的热量积累，形成边沿比中心更宽的焊缝，但是因为总体热输入较低，焊缝宽度还是远小于闪光焊。在整个焊缝乃至边缘的飞边区域均未发现微裂纹等缺陷；不存在闪光焊接过程中因C元素和合金元素烧损而存在的软化层，但是焊缝内部存在大量的夹杂物。主要是在摩擦焊接过程中，不存在母材熔化和凝固过程，因此不会产生熔化焊接过程中出现的气孔、裂纹等缺陷，由于摩擦焊接过程中焊接温度只达到0.8倍母材熔点温度，远低于闪光焊的焊接温度，因此在焊接过程中不会出现C元素烧损而导致的焊接软化层，但是在摩擦焊焊接初始阶段热输入较低，摩擦不充分，出现了界面摩擦破碎不充分的现象，从而导致焊缝内部出现了大量夹杂物。图2为接头微观金相组织，在焊接过程中，焊缝及附近区域受到焊接温度、摩擦力和顶锻力3种因素的影响，通常焊接接头存在明显的组织差异，包括母材区（BM）、热影响区（HAZ）、热机影响区（TMAZ）和焊核区（WZ）。焊接接头区域金相组织显示，U71Mn钢轨试样采用摩擦焊接只存在母材区（BM）、热影响区（HAZ）和焊缝中心区（WZ）。不同于传统材料的摩擦焊，由于摩擦不充分，所以摩擦机械影响导致的热机影响区并未形成。母材区为珠光体组织基本未受焊接过程影响。焊核区在焊接过程中受摩擦热和力的影响最大，焊缝界面之间的高温热塑性金属发生剧烈且连续的热塑性变形，并随着往复运动不断被挤出到两侧形成飞边，同时由于焊接频率高，焊接速度极快，中心热塑性金属来不及发生晶粒长大，焊核区域内基本看不到明显的晶界，晶粒尺度远小于母材区域的晶粒尺度，由于焊接过程焊核区温度高于母材的奥氏体化相变温度，焊核区发生了奥氏体转变，在焊接结束的快速冷却过程中发生了马氏体转变，形成了大量的马氏体相。在母材区与焊核区存在一个由焊接热作用形成的热影响区，靠近焊缝中心区，由于温度较高已经发生了完全的马氏体转变，主要由马氏体组织形成。靠近母材侧的热影响区由于温度逐渐降低只有部分组织发生了马氏体转变，因此主要由珠光体及亮白色马氏体混合而成。2.2接头显微硬度分析焊态硬度试验测试结果如图 3 所示。母材-焊缝-母材区域硬度变化跨度大，焊态接头硬度显著上图1焊接接头宏观金相表1U71Mn钢轨化学成分单位：%元素CSiMnSPVNbFe质量分数0.650.760.150.351.101.400.0300.0300.0300.010余量图2焊接接头微观金相组织24第 3 期谭锦红等：U71Mn钢轨试样摩擦焊接接头显微组织性能研究升了，焊核区和焊接热影响区的硬度均远远高于母材区，这主要是焊态接头焊核区通过挤压破碎形成的细小组织产生细晶强化，同时由于焊接温度超过了马氏体相变温度，在冷却过程中发生了马氏体相变，产生了大量马氏体组织，因而硬度较高；而焊接热影响区与母材区交界处并未出现过热导致的晶粒长大，但是由于温度超过了母材的奥氏体化相变温度，部分发生了奥氏体转变，在快速冷却过程中，焊接热影响区奥氏体发生了马氏体转变，出现了一定比例马氏体，而且是越靠近焊接中心区域马氏体转变比例越高，使得该区域的显微硬度上升，即越靠近焊接中心区硬度越高。焊缝上层、中层及下层显微硬度均具有相同的规律性。2.3接头成分分析在垂直于焊缝方向进行了元素成分分析，见图4，结果表明从母材区到热影响区再到焊核区无论是主要元素还是合金元素都是均匀分布，未出现明显的元素偏析现象，完全未出现C元素或合金元素的烧损等现象，因此在接头区域也未出现明显的软化层。焊缝区域也未出现比母材明显更高的O含量，证明在焊接过程中焊缝未出现明显的氧化现象。这一点完全不同于U71Mn钢轨闪光焊接接头成分分布。进一步进行了焊缝接头夹杂物的表征分析，结果见表2和图5，焊缝夹杂物含有较高的O含量及Mn含量，这与焊接初始阶段热输入不够从而导致界面局部氧化有关，焊接初始阶段形成的高熔点氧化，在后面的摩擦过程中未能有效破碎，形成了块状氧化夹杂。2.4冲击和拉伸分析冲击试验结果表明，试验平均冲击吸收能量为0.5 J，3个拉伸试样抗拉强度分别为570、595、639 MPa，拉伸断口延伸率均不到1%，接头抗拉强度、延伸率及冲击吸收能量都远远低于母材。图3接头金相及显微硬度测试图4焊接接头成分分析25高速铁路新材料第 2 卷针对接头冲击断口进行了表征及成分分析，见图6，结果表明冲击断口基本上由河流状解理花纹组成，属于脆性断裂。成分分析表明，断口区域各元素分布均匀，夹杂物位置存在S元素和Mn元素聚集，也就是钢轨轧制过程中普遍存在的MnS偏析。MnS偏析会导致钢轨在受力状态下微裂纹的产生，从而进一步降低接头的力学性能。针对冲击断口不同区域进行元素定量分析，见图7和表3、表4，结果表明，阴影部分（谱图1）物相成分对母材（谱图2）成分发生了元素偏析，其中S元素质量分数为7.97%，Mn元素含量也显著增高，谱图1和谱图2元素成分区别表明，U71Mn钢轨母材本身存在的MnS偏析会导致接头力学性能下降，需要进一步优化摩擦焊接工艺参数使成分均匀化。拉伸断口形貌宏观上无明显的塑性变形，断口平整，断裂处基本没有颈缩现象。拉伸断口微观形貌与冲击断口微观形貌类似，也呈现明显的河流状花纹及撕裂棱，极少看到韧窝，属于典型的脆性断裂，见图8。进一步的成分分析表明，断口表面也存在大量的MnS夹杂物，夹杂物之外的区域元素成分均匀。结合接头组织特征分析可知，由于焊接形成的大量马氏体及夹杂物极大地降低了接头冲击韧性和抗拉强度，导致了焊接接头力学性能的大幅度下降。表2接头夹杂物成分单位：%元素COSiMnFe质量百分比1.736.051.560.42余量原子百分比6.5417.172.530.35余量图6焊接接头冲击断口成分分析图5焊接接头夹杂物成分分析26第 3 期谭锦红等：U71Mn钢轨试样摩擦焊接接头显微组织性能研究图7焊接接头冲击断口夹杂物形貌及能谱曲线图8焊接接头拉伸断口成分分析表4冲击断口夹杂物成分（谱图2）单位：%元素CSiMnFe质量百分比1.790.930.75余量原子百分比7.761.720.71余量表3冲击断口夹杂物成分（谱图1）单位：%元素CSiSMnFe质量百分比2.120.767.979.54余量原子百分比8.611.3112.128.46余量27高速铁路新材料第 2 卷3 结论（1）U71Mn钢轨小试样采用摩擦焊可以获得良好的焊接成型，焊接过程中形成大量马氏体，线性摩擦过程并未使焊接区域存在的MnS夹杂物均匀化，因此降低了接头抗拉强度、塑性和韧性。（2）焊接接头可分为母材、热影响区、焊核区。焊核区由于受摩擦挤压作用形成了细小的马氏体组织，热影响区因焊接热输入导致部分马氏体转变使得接头区域硬度显著上升