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CN113621881A - 一种提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法 - Google Patents

一种提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法 Download PDF

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CN113621881A CN202110910543.7A CN202110910543A CN113621881A CN 113621881 A CN113621881 A CN 113621881A CN 202110910543 A CN202110910543 A CN 202110910543A CN 113621881 A CN113621881 A CN 113621881A
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Abstract

本发明公开了一种提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法。该方法包括以下步骤：步骤1)：制备所述中碳钢钢轨母材，其中所述中碳钢钢轨母材显微组织控制为包括80‑92％的珠光体和8‑20％的先共析铁素体；步骤2)：对由步骤1)的中碳钢钢轨母材轧制而成的多个钢轨进行焊接，所述焊接操作包括焊接、顶锻和推瘤；步骤3)：对步骤2)中获得的焊接接头进行热处理，所述热处理包括在对焊接接头推瘤后，向焊接接头喷吹冷却介质，当温度达到350‑420℃时，停止喷吹冷却介质，将焊接接头加热至500‑650℃，保温20‑35分钟，之后在空气中自然冷却至室温。

Description

一种提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法
技术领域
本发明涉及铁路钢轨制造技术领域，尤其涉及一种提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法。
背景技术
川藏铁路面临低温、潮湿、风雨雪、脆弱生态区等复杂服役环境及地形地貌。冬季极端最低气温为-32.2℃，夏季最高气温为40℃，昼夜最大温差可达35℃。复杂多变的铁路运营环境对钢轨母材及焊接接头服役性能提出了更高要求。
在钢轨的铺设过程中，相邻的钢轨通常以焊接的方式连接到一起。钢轨的焊接接头作为连接不同钢轨的过渡区域，其机械性能对整个铁轨的服役安全产生了重要的影响。总体而言，在焊接形成接头期间，一部分母材被熔解形成熔池。焊接接头的最终组织根据焊接材料、焊接的热输入量、焊后的热处理等因素的影响而不同。而焊接接头的组织决定了其力学性能的高低。
钢轨长时间在低温环境下服役可能会出现脆断问题。而焊接接头是钢轨力学性能较为薄弱的部分，其低温韧性的高低直接影响铁路运输的安全。像川藏铁路这样复杂多变的铁路运营环境对提升钢轨焊接接头的低温力学性能方面提出了更高的要求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法。该方法通过对钢轨母材成分控制、焊接操作的热输入量和顶锻量的控制、以及焊后热处理进行控制，可以显著改善焊接接头的低温韧性。
根据本发明的一方面，提供一种提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法，该方法包括以下步骤：
步骤1)：制备所述中碳钢钢轨母材，其中所述中碳钢钢轨母材显微组织控制为包括80-92％的珠光体和8-20％的先共析铁素体，所述中碳钢钢轨母材按重量百分比计包含：0.50-0.60％含量的C，0.30-0.60％含量的Si，0.70-1.10％含量的Mn，0.1-0.4％含量的Cr，0.04-0.07％含量的V，余量为Fe和不可避免的杂质；
步骤2)：对由步骤1)的中碳钢钢轨母材轧制而成的多个钢轨进行焊接，所述焊接操作包括焊接、顶锻和推瘤；
步骤3)：对步骤2)中获得的焊接接头进行热处理，所述热处理包括在对焊接接头推瘤后，向焊接接头喷吹冷却介质，当温度达到350-420℃时，停止喷吹冷却介质，将焊接接头加热至500-650℃，保温20-35分钟，之后在空气中自然冷却至室温。
根据本发明的一个实施例，在焊接步骤中控制钢轨焊接顶锻量保持在10.0-11.8mm，焊接采用6.3-8.3MJ的热输入量。
根据本发明的一个实施例，其中中碳钢钢轨母材通过包括以下步骤的方法获得：
将钢坯加热并轧制为钢轨后静置并且在空气中冷却；
钢轨热处理步骤：当轨头顶面中心温度降至790-850℃时分别向钢轨轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质至350-400℃后停止加速冷却并继续空冷至室温。
根据本发明的一个实施例，其中以使钢轨以3.5-7.5℃/s的冷却速度冷却来喷吹冷却介质。
根据本发明的一个实施例，焊接采用移动闪光焊接。
根据本发明的一个实施例，钢轨轧制工艺采用万能轧制生产线进行轧制。
根据本发明的一个实施例，钢轨热处理步骤基于在线热处理生产线进行钢轨热处理。
根据本发明的一个实施例，中碳钢钢轨母材在室温时的抗拉强度为1050-1180MPa、延伸率为13-19％、U型冲击功30-35J，在-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功为25-29J。
本发明所公开的提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法对钢轨母材成分、焊接工艺、焊后热处理进行综合控制，实现了焊接接头硬度和韧性的综合改善。采用本发明所得焊态下的钢轨闪光焊接头全断面室温(20～25℃)抗拉强度Rm≥950MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的90％以上，接头疲劳寿命可达300万次而不断裂，并且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值≥25J，满足铁路运行安全要求。
附图说明
图1为钢轨焊接接头的各区域的示意图。
图2为各实施例中金相试样截取位置示意图。
图3为实施例1的焊接热影响区的金相组织图。
图4为实施例2的焊接热影响区的金相组织图。
图5为实施例3的焊接热影响区的金相组织图。
图6为对比例1的焊接热影响区的金相组织图。
图7为对比例3的焊接接头拉伸断口图。
图8为对比例4的焊接接头拉伸断口图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
这里应指出的是，本发明所述的“中碳钢”针对的是用于铁轨的中碳钢。与用于其他领域的中碳钢相比，铁轨领域的中碳钢的碳含量更高。
焊接接头的组织是决定焊接接头力学性能的主要因素。焊接接头的组织受焊接材料组分、焊接的热输入量、焊后的热处理等因素的影响。一般而言，合金钢中的碳含量增加，材料的硬度也会增加。然而，含碳量增加使得钢的塑性和韧性降低。当想要获得低温韧性和硬度都比较好的钢轨接头时，需要综合考虑母材的含碳量、合金的种类和含量、焊接的工艺参数以及焊后的热处理工艺。
对于钢轨接头低温韧性和硬度这两方面的改善，采用细晶强化能够实现。当接头区域的晶粒越细时，在一定体积内的晶粒数目越多，则在同样塑性变形量下，变形分散在更多的晶粒内进行，变形较均匀。而且每个晶粒中塞积的位错少，因应力集中引起的开裂机会较少，有可能在断裂之前承受较大的变形量，可以表现出较高的塑性。细晶粒金属中，裂纹不易萌生，也不宜传播，因而在断裂过程中吸收了更多能量，表现出较高的韧性。
另外，钢轨焊接过程中产生的脆性马氏体组织直接关系到钢轨服役性能，甚至行车安全。钢轨焊接过程中要严格控制焊接热输入量，避免热输入过低而导致接头焊后冷却较快，形成马氏体或贝氏体组织。同时，钢轨焊接接头性能控制还需要搭配适当的顶锻量，以充分排除焊缝内可能形成的焊接灰斑、焊接夹渣等缺陷，以降低焊接缺陷对钢轨接头力学性能的影响。
碳含量升高会导致钢轨材料的淬透性增加，马氏体转变临界冷速下降，Ms温度(马氏体转变开始温度)下降。即在钢轨生产及焊接、焊后热处理冷却过程中更容易出现马氏体组织，进而影响钢轨服役安全。此外，当钢轨材料碳含量达到0.80～1.10％时，金相组织仍以珠光体为主，但会出现脆性的二次渗碳体。因此，对于碳含量较高的钢轨，在焊接过程中应采用相对较高的焊接热输入，延长焊接热影响区冷却时间，以避免因接头焊后冷却较快而在热影响区形成马氏体组织。焊后热处理过程中，需将快速冷却阶段的终冷温度控制在钢轨材料Ms温度以上，避免形成马氏体组织。
本发明中，所述钢轨焊接“接头”为经焊接后得到的包含焊缝在内的长度为60～100mm范围的区域。全断面是指包含焊缝在内的长度约为60～100mm范围内的钢轨焊接接头整个截面，包括轨头、轨腰、轨底。
图1示出了钢轨焊接接头的各区域的示意图。在实施例和对比例中，钢轨焊接接头的轨头踏面以下3～5mm位置的纵断面硬度检测点位置如图1。图1中a为钢轨焊接热影响区，b处为钢轨接头轨头踏面，c处为焊缝中心。在图2中，c处为焊缝中心，d处为钢轨焊接接头轨头踏面金相试样的取样位置。
实施例1
控制钢轨母材显微组织为80％的珠光体和20％的先共析铁素体。钢轨母材室温(20-25℃)抗拉强度为1080MPa、延伸率为17％，U型冲击功35J。-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功29J。获得该显微组织的钢轨钢的化学成分需满足以下条件：0.50％含量的C，0.30％含量的Si，0.70％含量的Mn，0.1％含量的Cr，0.04％含量的V，余量为Fe和不可避免的杂质。获得该显微组织的钢轨钢的热处理工艺需满足以下条件：钢坯经加热并轧制为60kg/m单重的钢轨后静置并且在空气中冷却，当轨头顶面中心温度降至790℃时分别向钢轨轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质，从而使钢轨以3.5℃/s的冷却速度冷却至350℃后停止加速冷却并继续空冷至室温(20-25℃)。
利用钢轨移动闪光焊机，采用6.3MJ的中等热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在10.0mm。当接头推瘤完成后，向焊接接头喷吹冷却介质，冷却速度控制为10℃/s。当轨头顶面中心温度降至350℃时，停止喷吹冷却介质。将焊接接头加热至500℃，保温35分钟，之后在空气中自然冷却至室温。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头疲劳实验。试验过程中，采用FT-310型钢轨实物疲劳试验机，以疲劳加载300万次不断为试验目标。
结果表明：如图3所示，对于经本发明的提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法处理的钢轨焊接接头，在100X观察倍率下，钢轨接头热影响区中未出现马氏体组织。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。所得焊态下钢轨闪光焊接头全断面室温(20～25℃)抗拉强度平均值为950MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的90％，接头疲劳寿命可达300万次而不断裂，并且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为28J，具有良好的低温韧性。
实施例2
控制钢轨母材显微组织为88％的珠光体和12％的先共析铁素体。钢轨母材室温(20-25℃)抗拉强度为1080MPa、延伸率为17％，U型冲击功32J。-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功27J。获得该显微组织的钢轨钢的化学成分需满足以下条件：0.58％含量的C，0.45％含量的Si，0.90％含量的Mn，0.3％含量的Cr，0.045％含量的V，余量为Fe和不可避免的杂质。获得该显微组织的钢轨钢的热处理工艺需满足以下条件：钢坯经加热并轧制为60kg/m单重的钢轨后静置并且在空气中冷却，当轨头顶面中心温度降至840℃时分别向钢轨轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质，从而使钢轨以4.5℃/s的冷却速度冷却至390℃后停止加速冷却并继续空冷至室温(20-25℃)。
利用钢轨移动闪光焊机，采用6.8MJ的中等热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在10.5mm。当接头推瘤完成后，向焊接接头喷吹冷却介质，冷却速度控制为8.0℃/s。当轨头顶面中心温度降至380℃时，停止喷吹冷却介质。将焊接接头加热至520℃，保温25分钟，之后在空气中自然冷却至室温。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头疲劳实验。试验过程中，采用FT-310型钢轨实物疲劳试验机，以疲劳加载300万次不断为试验目标。
结果表明：如图4所示，对于经本发明的提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法处理的钢轨焊接接头，在100X观察倍率下，钢轨接头热影响区中未出现马氏体组织。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。所得焊态下钢轨闪光焊接头全断面室温(20～25℃)抗拉强度平均值为955MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的92％，接头疲劳寿命可达300万次而不断裂，并且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为26J，具有良好的低温韧性。
实施例3
控制钢轨母材显微组织为90％的珠光体和10％的先共析铁素体。钢轨母材室温(20-25℃)抗拉强度为1100MPa、延伸率为16％，U型冲击功32J；-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功28J。获得该显微组织的钢轨钢的化学成分需满足以下条件：0.58％含量的C，0.50％含量的Si，0.92％含量的Mn，0.35％含量的Cr，0.05％含量的V，余量为Fe和不可避免的杂质。获得该显微组织的钢轨钢的热处理工艺需满足以下条件：钢坯经加热并轧制为60kg/m单重的钢轨后静置在空气中冷却，当轨头顶面中心温度降至800℃时分别向钢轨轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷速为5.0℃/s的冷却介质至380℃后停止加速冷却并继续空冷至室温(20-25℃)。
利用钢轨移动闪光焊机，采用8.1MJ的中等热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在11.0mm。当接头推瘤完成后，向焊接接头喷吹冷却介质，冷却速度控制为5.0℃/s。当轨头顶面中心温度降至390℃时，停止喷吹冷却介质。将焊接接头加热至580℃，保温28分钟，之后在空气中自然冷却至室温。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头疲劳实验。试验过程中，采用FT-310型钢轨实物疲劳试验机，以疲劳加载300万次不断为试验目标。
结果表明：如图5所示，对于经本发明的提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法处理的钢轨焊接接头，在100X观察倍率下，钢轨接头热影响区中未出现马氏体组织。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。所得焊态下钢轨闪光焊接头全断面室温(20～25℃)抗拉强度平均值为972MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的92％，接头疲劳寿命可达300万次而不断裂，并且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为26J，具有良好的低温韧性。
实施例4
控制钢轨母材显微组织为91％的珠光体和9％的先共析铁素体。钢轨母材室温(20-25℃)抗拉强度为1150MPa、延伸率为15％，U型冲击功31J；-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功26J。获得该显微组织的钢轨钢的化学成分需满足以下条件：0.56％含量的C，0.55％含量的Si，0.88％含量的Mn，0.35％含量的Cr，0.053％含量的V，余量为Fe和不可避免的杂质。获得该显微组织的钢轨钢的热处理工艺需满足以下条件：钢坯经加热并轧制为60kg/m单重的钢轨后静置在空气中冷却，当轨头顶面中心温度降至830℃时分别向钢轨轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷速为6.5℃/s的冷却介质至380℃后停止加速冷却并继续空冷至室温(20-25℃)。
利用钢轨移动闪光焊机，采用7.5MJ的中等热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在10.8mm。当接头推瘤完成后，向焊接接头喷吹冷却介质，冷却速度控制为6.0℃/s。当轨头顶面中心温度降至400℃时，停止喷吹冷却介质。将焊接接头加热至560℃，保温22分钟，之后在空气中自然冷却至室温。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头疲劳实验。试验过程中，采用FT-310型钢轨实物疲劳试验机，以疲劳加载300万次不断为试验目标。
结果表明：对于经本发明的提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法处理的钢轨焊接接头，在100X观察倍率下，钢轨接头热影响区中未出现马氏体组织。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。所得焊态下钢轨闪光焊接头全断面室温(20～25℃)抗拉强度平均值为960MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的93％，接头疲劳寿命可达300万次而不断裂，并且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为26J，具有良好的低温韧性。
实施例5
控制钢轨母材显微组织为92％的珠光体和8％的先共析铁素体。钢轨母材室温(20-25℃)抗拉强度为1180MPa、延伸率为18％，U型冲击功30J。-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功25J。获得该显微组织的钢轨钢的化学成分需满足以下条件：0.60％含量的C，0.60％含量的Si，1.10％含量的Mn，0.4％含量的Cr，0.07％含量的V，余量为Fe和不可避免的杂质。获得该显微组织的钢轨钢的热处理工艺需满足以下条件：钢坯经加热并轧制为60kg/m单重的钢轨后静置并且在空气中冷却，当轨头顶面中心温度降至850℃时分别向钢轨轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质，从而使钢轨以7.5℃/s的冷却速度冷却至400℃后停止加速冷却并继续空冷至室温(20-25℃)。
利用钢轨移动闪光焊机，采用8.3MJ的中等热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在11.8mm。当接头推瘤完成后，向焊接接头喷吹冷却介质，冷却速度控制为6.0℃/s。当轨头顶面中心温度降至420℃时，停止喷吹冷却介质。将焊接接头加热至650℃，保温20分钟，之后在空气中自然冷却至室温。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头疲劳实验。试验过程中，采用FT-310型钢轨实物疲劳试验机，以疲劳加载300万次不断为试验目标。
结果表明：对于经本发明的提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法处理的钢轨焊接接头，在100X观察倍率下，钢轨接头热影响区中未出现马氏体组织。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。所得焊态下钢轨闪光焊接头全断面室温(20～25℃)抗拉强度平均值为975MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的93％，接头疲劳寿命可达300万次而不断裂，并且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为25J，具有良好的低温韧性。
对比例1
控制钢轨钢显微组织为100％的珠光体，钢轨母材室温(20-25℃)抗拉强度为1170MPa、延伸率为12.2％，U型冲击功为25J，-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功16J。获得该显微组织的钢轨钢的化学成分需满足以下条件：1.10％含量的C，0.45％含量的Si，0.90％含量的Mn，0.30％含量的Cr，0.045％含量的V，余量为Fe和不可避免的杂质。获得该显微组织的钢轨钢的热处理工艺需满足以下条件：钢坯经加热并轧制为60kg/m单重的钢轨后静置并且在空气中冷却，当轨头顶面中心温度降至840℃时分别向钢轨轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质，从而使钢轨以4.5℃/s的冷却速度冷却至390℃后停止加速冷却并继续空冷至室温(20-25℃)。
利用钢轨移动闪光焊机，采用6.8MJ的中等热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在10.5mm。当接头推瘤完成后，向焊接接头喷吹冷却介质，冷却速度控制为8.0℃/s。当轨头顶面中心温度降至380℃时，停止喷吹冷却介质。将焊接接头加热至520℃，保温25分钟，之后在空气中自然冷却至室温。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头疲劳实验。试验过程中，采用FT-310型钢轨实物疲劳试验机，以疲劳加载300万次不断为试验目标。
结果表明：对于经本对比例处理的钢轨焊接接头，在100X观察倍率下，由于钢轨母材较高的碳含量使得钢轨钢马氏体转变临界冷速下降，导致在较低焊接热输入条件下在距焊缝中心±10mm区域内的钢轨焊接热影响区中出现马氏体组织(参考图6)，不利于铁路运行安全。焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，未出现马氏体区域的热影响区组织为珠光体。因热影响区马氏体组织的存在，所得焊态下钢轨闪光焊接头全断面室温(20～25℃)抗拉强度平均值为760MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的93％，接头疲劳寿命160万次时发生断裂，并且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为6J，低温韧性不足。
对比例2
控制钢轨钢显微组织为88％的珠光体和12％的先共析铁素体。钢轨母材室温(20-25℃)抗拉强度为1080MPa、延伸率为17％，U型冲击功32J。-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功27J。获得该显微组织的钢轨钢的化学成分需满足以下条件：0.58％含量的C，0.45％含量的Si，0.90％含量的Mn，0.30％含量的Cr，0.045％含量的V，余量为Fe和不可避免的杂质。获得该显微组织的钢轨钢的热处理工艺需满足以下条件：钢坯经加热并轧制为60kg/m单重的钢轨后静置并且在空气中冷却，当轨头顶面中心温度降至840℃时分别向钢轨轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质，从而使钢轨以4.5℃/s的冷却速度冷却至390℃后停止加速冷却并继续空冷至室温(20-25℃)。
利用钢轨移动闪光焊机，采用16MJ的中等热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在10.5mm。当接头推瘤完成后，向焊接接头喷吹冷却介质，冷却速度控制为8.0℃/s。当轨头顶面中心温度降至380℃时，停止喷吹冷却介质。将焊接接头加热至520℃，保温25分钟，之后在空气中自然冷却至室温。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头疲劳实验。试验过程中，采用FT-310型钢轨实物疲劳试验机，以疲劳加载300万次不断为试验目标。
结果表明：对于经本对比例处理的钢轨焊接接头，在100X观察倍率下，焊缝及热影响区组织正常。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。由于焊接热输入量过大，导致接头软化区过宽，接头热影响区硬度低塌，所得焊态下钢轨闪光焊接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的86％，钢轨闪光焊接头全断面室温(20～25℃)抗拉强度平均值为880MPa，接头疲劳寿命为210万次时断裂，并且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为13J。接头硬度低，易导致后期的磨耗，低温韧性也不足。
对比例3
控制钢轨钢显微组织为88％的珠光体和12％的先共析铁素体。钢轨母材室温(20-25℃)抗拉强度为1080MPa、延伸率为17％，U型冲击功32J。-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功27J。获得该显微组织的钢轨钢的化学成分需满足以下条件：0.58％含量的C，0.45％含量的Si，0.90％含量的Mn，0.30％含量的Cr，0.045％含量的V，余量为Fe和不可避免的杂质。获得该显微组织的钢轨钢的热处理工艺需满足以下条件：钢坯经加热并轧制为60kg/m单重的钢轨后静置并且在空气中冷却，当轨头顶面中心温度降至840℃时分别向钢轨轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质，从而使钢轨以4.5℃/s的冷却速度冷却至390℃后停止加速冷却并继续空冷至室温(20-25℃)。
利用钢轨移动闪光焊机，采用16MJ的中等热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在8.0mm。当接头推瘤完成后，向焊接接头喷吹冷却介质，冷却速度控制为8.0℃/s。当轨头顶面中心温度降至380℃时，停止喷吹冷却介质。将焊接接头加热至520℃，保温25分钟，之后在空气中自然冷却至室温。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察。根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头疲劳实验。试验过程中，采用FT-310型钢轨实物疲劳试验机，以疲劳加载300万次不断为试验目标。
结果表明：对于经本对比例处理的钢轨焊接接头，在100X观察倍率下，焊缝及热影响区组织正常。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。焊接过程中，由于钢轨焊接顶锻量过小导致焊缝处焊接灰斑缺陷未能被排除(参考图7)，使接头拉伸性能下降，钢轨闪光焊接头全断面室温(20～25℃)抗拉强度平均值仅为820MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的91％，由于焊缝处焊接灰斑的存在导致接头在疲劳寿命为160万次时发生断裂，并且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为12J，强度和低温韧性无法满足要求。
对比例4
控制钢轨钢显微组织为88％的珠光体和12％的先共析铁素体。钢轨母材室温(20-25℃)抗拉强度为1080MPa、延伸率为17％，U型冲击功32J。-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功27J。获得该显微组织的钢轨钢的化学成分需满足以下条件：0.58％含量的C，0.45％含量的Si，0.90％含量的Mn，0.30％含量的Cr，0.045％含量的V，余量为Fe和不可避免的杂质。获得该显微组织的钢轨钢的热处理工艺需满足以下条件：钢坯经加热并轧制为60kg/m单重的钢轨后静置并且在空气中冷却，当轨头顶面中心温度降至840℃时分别向钢轨轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质，从而使钢轨以4.5℃/s的冷却速度冷却至390℃后停止加速冷却并继续空冷至室温(20-25℃)。
利用钢轨移动闪光焊机，采用6.8MJ的中等热输入量开展钢轨闪光焊接，实际焊接顶锻量保持在10.5mm。当接头推瘤完成后自然冷却(空冷)至室温。
将本实施例得到的经焊后热处理的钢轨接头机加工成纵向硬度试样。采用布维硬度计(山东莱州市试验机总厂，型号HBV-30A)在钢轨轨头踏面以下5mm位置，以2mm为测点间距对硬度试样进行纵向维氏硬度检测，测点以焊缝为中心向左右两侧对称排列。维氏硬度检验方法参照GB/T4340.1-2009《金属维氏硬度试验第1部分：试验方法》进行，采用HV标尺。参照图2所示的取样方法按GB/T13298-2015《金属显微组织检验方法》对钢轨接头金相试样进行金相组织检验，采用3％硝酸酒精溶液对钢轨接头金相试样开展浸蚀，采用德国徕卡MeF3光学显微镜对钢轨接头金相组织进行观察；根据中国现行铁道行业钢轨焊接标准《TB/T1632.2-2014》开展钢轨焊接接头疲劳实物。试验过程中，采用FT-310型钢轨实物疲劳试验机，以疲劳加载300万次不断为试验目标。
结果表明：对于经本对比例处理的钢轨焊接接头，在100X观察倍率下，焊缝及热影响区组织正常。其中，焊缝组织为珠光体和沿晶先共析铁素体，热影响区组织为珠光体和少量先共析铁素体。焊接过程中，由于没有进行焊后热处理，形成冷接头。导致接头拉伸性能下降，呈现图8所示的脆性断口，钢轨闪光焊接头全断面室温(20～25℃)抗拉强度平均值仅为840MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的91％，接头疲劳寿命为180万次时发生断裂，并且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值为10J，强度和低温韧性都不足。
通过对比实施例1-5和对比例1-4可知：采用本发明提供的方法，可有效降低焊接灰斑的产生几率并且避免钢轨接头热影响区中出现马氏体组织。采用本发明所得焊态下的钢轨闪光焊接头全断面室温(20～25℃)抗拉强度Rm≥950MPa，接头纵断面平均硬度达到钢轨母材硬度的90％以上，接头疲劳寿命可达300万次而不断裂，并且-20℃条件下接头焊缝全断面U型冲击功平均值≥25J，满足铁路运行安全要求。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种提高中碳钢钢轨焊接接头低温韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：制备所述中碳钢钢轨母材，其中所述中碳钢钢轨母材显微组织控制为包括80-92％的珠光体和8-20％的先共析铁素体，所述中碳钢钢轨母材按重量百分比计包含：0.50-0.60％含量的C，0.30-0.60％含量的Si，0.70-1.10％含量的Mn，0.1-0.4％含量的Cr，0.04-0.07％含量的V，余量为Fe和不可避免的杂质；
步骤2)：对由步骤1)的中碳钢钢轨母材轧制而成的多个钢轨进行焊接，所述焊接操作包括焊接、顶锻和推瘤；
步骤3)：对步骤2)中获得的焊接接头进行热处理，所述热处理包括在对焊接接头推瘤后，向焊接接头喷吹冷却介质，当温度达到350-420℃时，停止喷吹冷却介质，将焊接接头加热至500-650℃，保温20-35分钟，之后在空气中自然冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在焊接步骤中控制钢轨焊接顶锻量保持在10.0-11.8mm，焊接采用6.3-8.3MJ的热输入量。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中碳钢钢轨母材通过包括以下步骤的方法获得：
将钢坯加热并轧制为钢轨后静置并且在空气中冷却；
钢轨热处理步骤：当轨头顶面中心温度降至790-850℃时分别向钢轨轨头顶面、轨头两侧面和轨头两侧下颚喷吹冷却介质至350-400℃后停止加速冷却并继续空冷至室温。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，其中以使钢轨以3.5-7.5℃/s的冷却速度冷却来喷吹冷却介质。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焊接采用移动闪光焊接。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，钢轨轧制工艺采用万能轧制生产线进行轧制。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，钢轨热处理步骤基于在线热处理生产线进行钢轨热处理。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述中碳钢钢轨母材在室温时的抗拉强度为1050-1180MPa、延伸率为13-19％、U型冲击功30-35J，在-20℃条件下，钢轨母材U型冲击功为25-29J。
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