CN112536547A - 一种重载钢轨焊接组织控制方法 - Google Patents

Abstract

一种重载钢轨焊接组织控制方法，属于铁路钢轨焊接领域。该控制方法是先根据采用的重载钢轨中各元素的质量百分比，以及拟采用的冷却速率，确定对应的马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2；在焊接结束后，先控制焊接接头处焊缝位置的冷却速率为3～10K/s，当温度冷却至K1+(30～60)K时，对焊接接头处焊缝位置进行控温，降低焊接接头处焊缝位置的冷却速率<1.0K/s；当温度继续冷却至K2时，让其自然冷却至环境温度。该方法基于不同成分的重载钢轨，通过控制钢轨焊接接头处焊缝位置的冷却速率以及K1、K2，有效抑制了钢轨焊接接头处焊缝位置生成异常马氏体组织，能够显著提升钢轨焊接接头处的组织均一性。

Description

一种重载钢轨焊接组织控制方法

技术领域

本发明属于铁路钢轨焊接技术领域，具体涉及一种重载钢轨焊接组织控制方法。

背景技术

目前，大秦铁路、瓦日铁路、蒙华铁路等重载线路构成了新的国家战略运输网，已成为我国经济社会发展的大动脉。同时，重载铁路输送能力的提升也对钢轨的平顺性、可焊性、耐磨性提出了更高的要求，即应建设长寿命运行的无缝铁路。此时，具有高强、高韧、高耐磨等优良综合机械性能的贝氏体钢轨、过共析钢轨等新型重载钢轨，逐步成为了我国重载铁路项目建设的首选。然而，在钢轨铺设的焊接过程中，由于焊后焊接接头处冷却速率控制不当，焊接接头处焊缝位置常常形成异常的马氏体组织，大运载工况下，重载钢轨内部的高应力状态极易在异常组织处构成内部裂纹源，极大减小重载钢轨的使用寿命，严重影响线路行车安全，制约着现阶段长寿命运行重载铁路的进一步发展。

对于重载钢轨焊接接头处焊缝位置的异常马氏体组织生成原因，广大研究者们普遍认为是凝固过程的微观偏析缺陷或冷却速率不均造成的，原因如下：首先，由于C、Mn元素的富集，将提高过冷奥氏体在转变区，特别是低温转变区的稳定性，将使连续冷却转变曲线(CCT)右移，导致发生马氏体相变的临界冷速降低，出现异常马氏体组织。所以，重载钢轨的局部溶质偏析缺陷也是导致钢轨焊接接头处焊缝位置出现异常马氏体组织的原因之一。其次，由于钢轨横断面是不规则的“工”字形，凝固过程中焊接接头处焊缝位置自身就存在冷却速率不均的情况，加之外界的焊后热处理过程不当，过大的冷却速率会促使焊接接头处焊缝位置高温组织迅速转变为马氏体组织，这也是重载钢轨焊接时焊接接头处焊缝位置出现异常马氏体组织的主导因素。这两种原因中，所焊接重轨钢轨母材材质的微观偏析缺陷问题，其在选材及后续制备过程中基本确定，钢轨铺设焊接过程中已经无法改变，而对于焊后冷却过程中冷却速率对重载钢轨焊接接头处焊缝位置异常马氏体组织的影响则成为主要因素。

研究者们在对重载钢轨焊接后的冷却工艺进行研究时，对于重载钢轨焊接接头处焊缝位置异常马氏体组织的控制措施并不全面，现阶段发表的技术也没有针对不同钢种成分下的重载钢轨的焊接问题进行研究，没有形成系统科学的解决方法。

因此，在上述研究内容的基础上，急需采用科学的手段，根据不同钢种成分下的重载钢轨，计算出对应的马氏体转变开始温度与马氏体转变结束温度，针对性的制定与优化焊接工艺以控制焊接接头处焊缝位置异常组织，改善重载钢轨焊缝质量，确保重载铁路安全、平稳、长寿化运行，对助力国家经济快速发展具有重要意义。

鉴于重载钢轨焊接过程中异常马氏体组织对重载铁路运行安全构成安全隐患，该领域已得到相关研究者的重视，并开展了部分科研工作。

中国专利CN201710664943.8公开了一种用于消除钢轨异常组织的在线热处理方法。其基于异常马氏体组织的产生与钢轨热处理冷却工艺控制之间的关系，得到有效抑制马氏体生成的钢轨轧制后的在线热处理工艺，使钢轨的使用寿命得到明显提升。但是，该项研究并未考虑重载钢轨在铁路铺设过程中的焊接问题，往往焊缝处的内部异常马氏体生成是影响重载铁路寿命的关键。

中国专利CN201810708275.9公开了一种钢轨闪光焊接头的热处理方法。通过对闪光焊焊接接头位置进行三阶段的焊后热处理，控制各个阶段内的焊缝冷却速率和温度，可以有效消除钢轨焊接接头内的异常马氏体组织，最终改善钢轨焊接接头处的异常磨损与疲劳断裂。然而，该专利技术并没有针对马氏体的转变温度区间，准确的给出钢轨焊接接头处形成异常马氏体组织的控制方法，从而为控制焊后接头处异常马氏体组织提供准确的工艺参数。

中国专利CN201910790059.8公开了一种控制中下限Mn含量R350HT钢轨闪光焊接接头组织的工艺。该专利技术通过钢轨母材Mn元素含量、焊接工艺及焊后热处理工艺的控制，实现闪光焊焊接接头处异常马氏体组织的控制，同时保证了接头处组织的机械性能。然而，该技术的焊后热处理工艺仅为接头置于空气中自然冷却，无法实现焊后冷却速率的控制，对于焊缝处异常马氏体组织的控制效果有待考察。

目前，已有众多关于控制钢轨母材或者焊接接头处形成异常马氏体组织的相关技术，但是，这些相关技术，并没有针对异常组织马氏体的转变温度制定准确的重载钢轨焊接组织的控制方法。这是因为钢轨成分与焊缝冷却条件都是异常组织马氏体形成的影响因素，准确确定马氏体组织转变温度十分困难。

发明内容

针对重载钢轨在焊接工艺实施之后，焊接接头处形成异常马氏体组织的控制方法上的研究不足，本发明提供了一种重载钢轨焊接组织控制方法。针对在重载铁路线路铺设过程中钢轨焊接接头处焊缝位置出现的异常马氏体组织，本发明的目的是提供一种科学的、准确的控制方法，通过准确确定异常马氏体组织的转变温度区间，在该区间内施加合适的冷却条件从而避免马氏体组织的形成，从而有效保障钢轨焊接接头处的组织均一性。系统研究钢轨焊接后冷却速率对焊接接头处焊缝位置异常马氏体组织的影响，对提升重载铁路钢轨焊接接头处组织均一性，保障我国重载铁路长寿化运行具有重大意义。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明的一种重载钢轨焊接组织控制方法，是在焊接重载钢轨接头后，在焊接接头冷却过程中，控制焊接接头处焊缝位置的冷却工艺；具体包括以下步骤：

步骤1：

根据采用的重载钢轨中各元素的质量百分比，以及拟采用的冷却速率，确定对应的马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2；

步骤2：

焊接结束后，先控制焊接接头处焊缝位置的冷却速率为3～10K/s，冷却过程中，实时对焊接接头处焊缝位置进行温度监控；

步骤3：

当温度冷却至马氏体转变开始温度K1+(30～60)K时，对焊接接头处焊缝位置进行控温，降低焊接接头处焊缝位置的冷却速率<1.0K/s；

步骤4：

当温度继续冷却至马氏体转变结束温度K2时，让其自然冷却至环境温度。

所述的步骤1中，确定对应的马氏体转变开始温度K₁和马氏体转变结束温度K2的方法为：

首先，利用变形热膨胀相变仪，得到所采用重载钢轨在不同冷却速率下的不同相转变CTT曲线，以得到对应元素成分下的马氏体转变开始温度与马氏体转变结束温度，之后根据重载钢轨成分和冷却速率，得到马氏体转变开始温度与马氏体转变结束温度的预测公式。

根据采用的重载钢轨中对应的各元素的质量百分比和拟采用的冷却速率，其预测公式如下：

K1＝399.8-11.5×(7.37x)^V1

K2＝259.5-14.1×(6.76x)^V2

其中，上述公式中，x＝C·Mn/12+Cr/35+Ni/21+Mo/20+Si/40-V/3-Al/21，x的计算公式中，各元素单位为其占总元素含量的质量百分比(wt％)；重载钢轨中，其他元素对K1和K2的影响忽略。

V1为焊接结束后冷却马氏体转变开始温度K1的冷却速率(K/s)，V1为3～10K/s；

V2为马氏体转变开始温度K1冷却至马氏体转变结束温度K2的冷却速率(K/s)，V2<1.0K/s；

通过上述公式，得到不同冷却速率下，不同元素成分的重载钢轨焊接接头处焊缝位置对应的马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2。

所述的步骤3中，钢轨焊后冷却过程的控温措施主要可以采用火焰烘烤、微波加热、电磁感应加热等方式中的一种或几种方式进行控温。

本发明的一种重载钢轨焊接组织控制方法，其有益效果为：

本发明针对的重载铁路钢轨焊接接头处出现异常马氏体组织是严重影响铁路的安全、稳定、长寿化运行的关键瓶颈难题，基于本发明提出的公式确定钢轨焊接接头在冷却过程中焊接接头处焊缝位置组织的马氏体转变开始温度(K1)与马氏体转变结束温度(K2)，揭示了焊接后钢轨元素成分与冷却速率对焊接接头处焊缝位置异常马氏体组织的影响，可以有效的针对该异常组织的形成温度区间施加合适的焊后冷却制度，通过控制钢轨焊接后焊接接头处焊缝位置的冷却速率，有效抑制钢轨焊接接头处焊缝位置生成异常的马氏体组织，提升钢轨焊接接头处的组织均一性，避免重载钢轨在大载荷、强冲击下于异常组织形成处出现裂纹源，保障了我国重载铁路的安全、平稳、长寿化运行。

此外，本发明也填补了重载钢轨在焊接后焊缝位置形成异常组织的研究空白，丰富了重载钢轨焊接工艺研究的理论体系。

并且，本发明最重要的是提供了一种针对重载钢轨焊接组织控制方法，针对重载钢轨焊后接头处出现异常马氏体组织的问题，相比于现有的奥氏体向珠光体转变的温度区间，本发明提供了一种严格控制异常马氏体组织形成的温度控制区间——马氏体转变开始温度(K1)与马氏体转变结束温度(K2)区间，该区间相比于奥氏体向珠光体转变的温度区间，具有能够精准判定焊接接头处异常马氏体组织形成过程的开始温度与结束温度的优点。该区间的确定方法靶向性的针对该异常组织的形成温度区间施加合适的焊后冷却制度，能够有效避免该异常马氏体组织的形成，其更接近实际情况。确定后的温度区间用于重载钢轨中焊接冷却工艺的控制，能够解决钢轨焊接接头处的组织异常缺陷，避免重载钢轨在铁路实际运行下由于接头内部存在马氏体而导致该处产生裂纹源，严重影响铁路线路行车安全。

同时，本发明的方法在知晓重载钢轨的实际各元素含量后，就可以对应得到其马氏体转变开始温度(K1)与马氏体转变结束温度(K2)区间，从而根据其控制方法进行实施，具有普适性。

附图说明

图1为贝氏体钢轨焊接接头处焊缝位置取样示意图。

图2为贝氏体钢轨焊接试验热循环曲线。

图3为实施例1制备的贝氏体钢轨中无马氏体组织金相组织图；(a)放大倍数为×1000，(b)放大倍数为×3000。

图4为对比例1制备的贝氏体钢轨中含马氏体组织金相组织图，图中，M为马氏体，B为是贝氏体。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例进行进一步详细具体的说明。

实施例1

贝氏体钢轨焊接接头处焊缝位置形成异常马氏体组织的研究：

针对贝氏体钢轨在焊接后，在焊接接头处焊缝位置出现异常马氏体组织的问题，本例以重载钢轨焊接后冷却速率对焊接接头处焊缝位置异常马氏体组织的影响作用研究为切入点，确定抑制焊接接头处焊缝位置异常马氏体组织生成的最佳焊后冷却制度。

首先，利用变形热膨胀相变仪DIL805，得到所采用重载钢轨在不同冷却速率下的不同相转变CTT曲线，以得到对应元素成分下的马氏体转变开始温度与马氏体转变结束温度，之后根据重载钢轨成分和冷却速率，得到马氏体转变开始温度与马氏体转变结束温度的预测公式；

得到的预测公式为马氏体转变开始温度K1＝399.8-11.5×(7.37x)^V1与马氏体转变结束温度K2＝259.5-14.1×(6.76x)^V2，其中，x＝C·Mn/12+Cr/35+Ni/21+Mo/20+Si/40-V/3-Al/21，x的计算公式中，各元素单位为其占总元素含量的质量百分比(wt％)，V1为焊接结束后冷却马氏体转变开始温度K1的冷却速率(K/s)，V1为4～6K/s，在计算中，V1＝5K/s，V2为马氏体转变开始温度K1冷却至马氏体转变结束温度K2的冷却速率(K/s)，V2＝0.8K/s；

以上公式是对重载钢轨成分和冷却速率对K1和K2的影响曲线，拟合得到的公式。

根据以上公式确定该贝氏体钢轨对应元素含量下的马氏体转变开始温度(K1)与马氏体转变结束温度(K2)。贝氏体钢轨的具体元素含量如表1所示。

表1贝氏体钢轨元素含量(wt％)

表1中贝氏体钢轨的具体元素含量确定后，经过计算，贝氏体重轨钢的马氏体转变开始温度K1为672.08K，马氏体转变结束温度K2为524.05K。

此时，确定最佳的贝氏体钢轨焊后焊接接头处焊缝位置的冷却工艺如下：

1.焊接接头处完成焊接之后，在焊接接头处焊缝位置冷却过程中，先控制焊接接头处焊缝位置的冷却速率为4～6K/s；降温过程实时对焊接接头处焊缝位置进行温度监控；

2.为了预留足够的温差，当温度降低至马氏体转变开始温度672.08K以上30～60K时，采取控温措施，控制焊接接头处焊缝位置的冷却速率小于1.0K/s，抑制焊接接头处焊缝位置的异常马氏体组织的产生；本实施例中，在焊接接头处焊缝位置采取火焰烘烤的控温措施。

3.当焊接接头处焊缝位置的温度降至马氏体转变结束温度524.05K时，取消焊接接头处焊缝位置的控温措施，自然冷却到环境温度。

为验证上述工艺是否有效，进行了实验室焊接热循环模拟实验。具体如下：

选取贝氏体钢轨的焊接接头处焊缝(轨头焊缝)不同取样区域的多个样品。样品为直径8mm、高12mm的小圆柱，取样位置如图1所示，记为试样一、试样二、试样三、试样四。此外，还在贝氏体钢轨母材上取了两个相同尺寸的样品(图1中的黑色块体)，用于进行对比试验，分别记为对比样一和对比样二。

使用Thermecmastor热模拟试验机对图1中的贝氏体钢轨试样一、试样二、试样三、试样四、对比样一和对比样二进行焊接热循环模拟实验，贝氏体钢轨焊接热循环模拟实验工艺如附图2所示。

将贝氏体钢轨试样一、试样二、试样三、试样四、对比样一和对比样二均以14K/s～15K/s的升温速率加热到1600～1650K保温10～12s以消除试样一、试样二、试样三、试样四、对比样一和对比样二内部的温度梯度。模拟在实际生产过程中的冷却条件，先以4～6K/s冷却至马氏体转变开始温度K1，然后再以冷却速率涵盖范围从0.42K/s～1.2K/s冷却至马氏体转变结束温度K2，具体的冷却条件如附图2所示。

最后，将热循环模拟实验处理后的试样一、试样二、试样三、试样四、对比样一和对比样二研磨、抛光，并使用电子探针扫描显微镜(EPMA)进行检测，观察不同热循环工艺处理后的金相组织，分析后得出焊接后冷却速率与钢轨母材元素偏析程度对焊接接头处焊缝位置异常马氏体组织的影响，详细结果如表2所示。

表2不同条件下组织中产生马氏体的比例

用ImageProPlus软件对不同条件下组织中产生马氏体的比例进行统计，其结果如表2所示。通过统计数据可以得出：当冷速小于1.0K/s时，热循环模拟实验冷却后的贝氏体钢轨试样组织中无马氏体异常组织的存在，如图3所示；当冷速大于或等于1.0K/s时，热循环模拟实验冷却后的贝氏体钢轨试样组织中都会出现异常马氏体。

所以，有效控制手段是实现钢轨焊接接头处焊缝位置在马氏体转变区间内的冷却速率小于1.0K/s，才能避免贝氏体钢轨焊接接头处焊缝位置出现异常马氏体组织，提升重载钢轨焊接接头处的组织均一性。

实施例2

过共析重载钢轨焊接接头处焊缝位置形成异常马氏体组织的研究：

利用公式K1＝399.8-11.5×(7.37x)^V1与K2＝259.5-14.1×(6.76x)^V2，其中，x＝C·Mn/12+Cr/35+Ni/21+Mo/20+Si/40-V/3-Al/21，V1为焊接结束后冷却马氏体转变开始温度K1的冷却速率(K/s)，V1为3-5K/s，在计算中，V1＝4K/s，V2为马氏体转变开始温度K1冷却至马氏体转变结束温度K2的冷却速率(K/s)，V2＝0.3K/s；计算，得到马氏体转变开始温度K1为611.54K，马氏体转变结束温度K2为520.86K。

在焊接过共析重载钢轨接头后，在焊接接头冷却过程中，控制焊接接头处焊缝位置的冷却工艺；具体包括以下步骤：

步骤1：根据计算的马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2，设定以下冷却工艺以控制焊接接头处焊缝位置异常马氏体组织的产生。

当焊接接头处完成焊接之后，在焊缝的冷却过程中，首先控制焊缝处的冷却速率为3～5K/s，降温过程实时对焊接接头处的焊缝进行温度监控。

步骤2：为预留足够的温差，待温度降低至马氏体转变开始温度(K1)之上30～60K时，对焊接接头处焊缝位置采取电磁感应加热的控温措施，并控制焊缝处的冷却速率小于1.0K/s，抑制焊接接头位置轨头处异常马氏体组织的产生。

步骤3：当焊接接头处焊缝位置的温度降至马氏体转变结束温度K2时，取消焊接接头处焊缝位置的控温措施，让其自然冷却到环境温度。

对比例1

一种贝氏体钢轨焊接组织控制方法，包括以下步骤：

步骤I：

将试样一重新加热到奥氏体温度，保温3～5min，使试样组织完全奥氏体化。

焊接结束后，先控制焊接接头处焊缝位置的冷却速率为3～10K/s，冷却过程中，实时对焊接接头处焊缝位置进行温度监控；

当温度冷却至奥氏体向贝氏体转变的相变温度区间533K～673K，控制冷却速率<1.0K/s；

然后，冷却至300℃后，自然冷却至环境温度。

其贝氏体钢轨焊接接头处，出现少量异常马氏体组织，如图4所示，其异常马氏体组织比例为6.88％，说明本发明中，冷却制度中，马氏体转变开始温度和马氏体转变结束温度的控制，对抑制异常马氏体组织的产生十分重要。

以上所述的实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到该技术方案的简单变化或等效替换，并应用于控制重载铁路钢轨焊接接头处焊缝位置出现异常马氏体组织的控制方法中，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种重载钢轨焊接组织控制方法，其特征在于，该重载钢轨焊接组织控制方法是在焊接重载钢轨接头后，在焊接接头冷却过程中，控制焊接接头处焊缝位置的冷却工艺；具体包括以下步骤：

步骤1：

根据采用的重载钢轨中各元素的质量百分比，以及拟采用的冷却速率，确定对应的马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2；

步骤2：

焊接结束后，先控制焊接接头处焊缝位置的冷却速率为3～10K/s，冷却过程中，实时对焊接接头处焊缝位置进行温度监控；

步骤3：

当温度冷却至马氏体转变开始温度K1+(30～60)K时，对焊接接头处焊缝位置进行控温，降低焊接接头处焊缝位置的冷却速率<1.0K/s；

步骤4：

当温度继续冷却至马氏体转变结束温度K₂时，让其自然冷却至环境温度。

2.根据权利要求1所述的重载钢轨焊接组织控制方法，其特征在于，所述的步骤1中，马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2的确定方式是：利用变形热膨胀相变仪，得到所采用重载钢轨在不同冷却速率下的不同相转变CTT曲线，以得到对应元素成分下的马氏体转变开始温度与马氏体转变结束温度，之后根据重载钢轨成分和冷却速率，得到马氏体转变开始温度与马氏体转变结束温度的预测公式。

3.根据权利要求2所述的重载钢轨焊接组织控制方法，其特征在于，确定对应的马氏体转变开始温度K₁和马氏体转变结束温度K₂的预测公式为：

根据采用的重载钢轨中对应的各元素的质量百分比和拟采用的冷却速率，预测公式如下：

K1＝399.8-11.5×(7.37x)^V1

K2＝259.5-14.1×(6.76x)^V2

其中，上述公式中，x＝C·Mn/12+Cr/35+Ni/21+Mo/20+Si/40-V/3-Al/21，x的计算公式中，各元素单位为其占总元素含量的质量百分比；

V1为焊接结束后冷却马氏体转变开始温度K1的冷却速率，V1为3～10K/s；

V2为马氏体转变开始温度K1冷却至马氏体转变结束温度K₂的冷却速率，V2<1.0K/s；

通过上述公式，得到不同冷却速率下，不同元素成分的重载钢轨焊接接头处焊缝位置对应的马氏体转变开始温度K1和马氏体转变结束温度K2。

4.根据权利要求1所述的重载钢轨焊接组织控制方法，其特征在于，所述的步骤3中，钢轨焊后冷却过程的控温措施主要采用火焰烘烤、微波加热、电磁感应加热方式中的一种或几种方式进行控温。

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