CN112522504A - 改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铁路钢轨焊接技术领域，具体涉及一种改善贝氏体钢轨闪光焊接接头微观组织的焊后热处理方法。针对现有贝氏体钢轨焊接技术仍有不足，接头处力学性能还较低，不能满足生产需要的问题，本发明提供了一种改善贝氏体钢轨闪光焊接接头微观组织的焊后热处理方法，包括以下步骤：将贝氏体钢轨轨头加热至900～980℃，静置一段时间，待温度降至750～900℃时，再喷吹冷却介质冷却至190～280℃。本发明能够有效改善钢轨焊接接头微观组织，控制了缺陷组织量，白色偏析带有明显降低，避免了因焊接区域缺陷而导致的焊接接头裂纹扩展，延长钢轨使用寿命，保证铁路运行安全。

Description

改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法
技术领域
本发明属于铁路钢轨焊接技术领域，具体涉及一种改善贝氏体钢轨闪光焊接接头微观组织的焊后热处理方法。
背景技术
贝氏体钢轨为近几十年世界各国的研究热点，因强韧性高、耐磨损及使用寿命长等特性而有望取代传统珠光体钢轨，广泛应用于铁路道岔部件及重载线路的小半径曲线段。现阶段，钢轨无缝化已成为必然趋势。作为钢轨无缝化环节中的一道重要工序，钢轨焊接质量直接关系到铁路线路服役寿命，甚至行车安全。钢轨服役过程中，受焊接质量及线路实际运营条件复杂性的影响，焊接长轨条的断裂大多发生在焊接接头上，因而焊接接头成为了无缝线路的薄弱环节。
受熔化过程及高温影响，钢轨焊接过热区奥氏体晶粒粗化，导致该区域的硬度明显低于母材。软化的钢轨焊接接头在服役过程中，易优先在踏面部位形成“鞍型”磨耗，增加了轮轨冲击，影响钢轨使用寿命，甚至危及行车安全。
贝氏体钢轨的化学成分一般为：C含量0.18-0.30重量％，Si含量0.8-1.8重量％，Mn含量1.5-2.5重量％，Cr含量0.50-1.60重量％，Mo含量0.20-0.50重量％。采用热处理技术，基于细晶强化原理生产制造的贝氏体钢轨受焊接热循环作用后，焊缝区域的淬硬层消失并出现一较宽的低硬度区，导致焊缝及热影响区的硬度远低于钢轨母材。
专利CN103898310A公开了一种贝氏体钢轨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焊接接头进行第一次冷却至不高于450℃的第一温度，然后将第一冷却后的焊接接头加热至第二温度，再进行第二冷却，所述第二温度高于所述第一温度且不高于510℃，其中，贝氏体钢轨的冷却起始温度为1300-1380℃，第二冷却后的冷却终止温度为室温。该方法涉及的贝氏体钢轨焊接接头的焊后热处理工艺，能够显著降低贝氏体钢轨焊接接头中的马氏体组织含量及提高焊接接头的冲击韧性。
上述专利的多个参数范围都较为宽泛，比如起始温度为1300-1380℃，专利中所涉及钢轨冷却起始温度指的是该种钢轨经过闪光焊接完成后的焊后瞬时温度，上述专利为1300-1380℃温度范围，有80℃的温差，波动范围较大，其效果难以稳定的实现，且其力学性能也还有待于进一步提高。
发明内容
本发明解决的技术问题为：现有贝氏体钢轨焊接技术仍有不足，接头处力学性能还较低，不能满足生产需要的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案为：提供一种改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法。该方法包括以下步骤：
将贝氏体钢轨轨头加热至900～980℃，静置一段时间，待温度降至750～900℃时，再喷吹冷却介质冷却至190～280℃。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述贝氏体钢轨的化学成分包括：按重量百分比计，C：0.18-0.30％，Si：0.8-1.8％，Mn：1.5-2.5％，Cr：0.50-1.60％，Mo：0.20-0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述加热为全断面加热。
进一步的，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述的加热要求在100s～250s时间内加热到900～980℃。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述的冷却介质为压缩空气、雾或水雾混合气体中的至少一种。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述的冷却速度为0.5-10℃/s。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述冷却介质冷却后的轨头低于轨底0～70℃。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述焊接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。
本发明的有益效果为：
本发明提供了一种改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法，能够有效改善钢轨焊接接头微观组织，控制了缺陷组织量，白色偏析带有明显降低，金相中可以看出，组织相为“铁素体+贝氏体+少量渗碳体”，避免了因焊接区域缺陷而导致的焊接接头裂纹扩展，延长钢轨使用寿命，保证铁路运行安全。
本发明方法还可以有效改善贝氏体钢轨焊接接头中带状组织含量，金相中可以看出，带状组织分布极其不均匀，跟焊缝附近基体组织错综复杂，并沿焊接流线非均匀覆盖，没有固定位置。
附图说明
图1为采用实施例1中的方法所得到的焊后正火风冷条件下的贝氏体钢轨焊接接头的金相效果图；
图2为采用实施例2中的方法所得到的焊后正火风冷条件下的贝氏体钢轨焊接接头的金相效果图；
图3为采用对比例1中的方法所得到的焊后正火风冷条件下的贝氏体钢轨焊接接头的金相效果图；
图4所示为本发明的工艺图，其中1为测温装置、2为喷风装置、3为中频感应加热装置、4为钢轨、5为测温装置；本发明的轨头加热采用中频感应加热装置进行，喷吹冷却介质采用喷风装置进行。
具体实施方式
本发明提供了一种改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法。该方法包括以下步骤：
将贝氏体钢轨轨头加热至900～980℃，静置一段时间，待温度降至750～900℃时，再喷吹冷却介质冷却至190～280℃。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述贝氏体钢轨的化学成分包括：按重量百分比计，C：0.18-0.30％，Si：0.8-1.8％，Mn：1.5-2.5％，Cr：0.50-1.60％，Mo：0.20-0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述加热为全断面加热。
进一步的，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述的加热要求在100s～250s时间内加热到900～980℃。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述的冷却介质为压缩空气、雾或水雾混合气体中的至少一种。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述的冷却速度为0.5-10℃/s。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述冷却介质冷却后的轨头低于轨底0～70℃。
其中，上述改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法中，所述焊接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。
贝氏体钢轨组织特点一个很重要的方面为其对温度的敏感程度，对于贝氏体钢轨闪光焊接接头而言，因为焊缝处组织已经过一次强变温过程，温度对于组织的影响就变得尤其突出。本发明在焊后热处理中，精确控制了热处理的温度，有利于改善组织的性能，控制缺陷组织量。
本发明中，所述“焊接接头”为经焊接后得到的包含焊缝和/或正火热影响区在内的长度为80-120mm范围的区域，该区域的中心为钢轨焊缝。本发明中，所述“室温”为5-40℃范围的温度。
本发明中，正火热处理通常是指采用常规方式将金属工件加热至Ac3(加热时铁素体转变为奥氏体的终了温度)以上30-50℃，保温一段时间后，将金属工件从炉中取出，并在空气中进行自然冷却、或喷雾、或喷压缩空气冷却的热处理工艺。而钢轨焊接接头的焊后正火热处理与通常小尺寸工件使用的热处理工艺不同，因钢轨焊接后试样长度可高达数百米，这就决定了钢轨焊接接头的正火热处理不可能在达到目标温度后进行长时间保温(奥氏体化温度以上的温度)。因而，一般采用比常规正火温度稍高的温度将钢轨焊接接头加热至目标温度后，再进行空冷或风冷的热处理工艺。
本发明所述的改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法，冷却得到的焊接接头加热时采用全断面的方式进行加热，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80-120mm范围内的钢轨焊接接头整个截面进行加热的方式。
本发明所述的改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法，所述焊接接头冷却时，冷却区域除正火加热区外，还包括加热区外两侧长度80mm范围内的钢轨轨头踏面和侧面。
本发明所述的改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织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残余温度较高的贝氏体钢轨焊接接头，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残余温度较高的贝氏体钢轨焊接接头。
下面将通过实施例对本发明的具体实施方式做进一步的解释说明，但不表示将本发明的保护范围限制在实施例所述范围内。
实施例1
将采用闪光焊焊接得到的余温较高的贝氏体钢轨焊接接头进行自然冷却，采用中频感应加热装置对钢轨焊接接头区域进行加热。工艺图如图4所示。当钢轨的踏面温度达到920℃时停止加热，然后将得到的钢轨焊接接头进行风冷至230℃，最后将焊接接头空冷至室温(约为23℃)，从而得到本发明的经焊后热处理的贝氏体钢轨焊接接头。
将本实施例得到的贝氏体钢轨焊接接头机加工成金相试样，并在显微镜下观察其微观组织形貌，显微组织分布情况如图1所示。
实施例2
将采用闪光焊焊接得到的余温较高的贝氏体钢轨焊接接头进行自然冷却采用中频感应加热装置对钢轨焊接接头区域进行加热。当钢轨的踏面温度达到900℃时停止加热，然后将钢轨焊接接头进行风冷至220℃，最后将焊接接头空冷至室温(约为23℃)，从而得到本发明的经焊后热处理的贝氏体钢轨焊接接头。
取本实施例得到的贝氏体钢轨焊接接头的金相试样在显微镜下观察，其组织分布效果与实施例1所示结果相似，显微组织分布情况如图2所示。
对比例1
对通过闪光焊接完成后的贝氏体钢轨闪光焊接接头进行焊后热处理实验，环境温度为23℃，开始进行热处理前对贝氏体钢轨闪光焊接接头测温，当时轨头踏面温度为320℃，采用中频感应加热装置对钢轨焊接接头区域进行加热。当钢轨的踏面温度达到950℃时停止加热，待贝氏体钢轨闪光焊接头温度冷却至730℃时对其进行风冷，焊接接头温度降至160℃时停止冷却。
取本对比例得到的贝氏体钢轨焊接接头的金相试样于显微镜下观察其组织形貌，其组织分布情况如图3所示。
由图3可见，对于未采用本发明提供的焊后热处理方法处理焊接得到的贝氏体钢轨焊接接头，所得到的焊接接头的金相试样中带状组织有明显的增多。
通过对比图1、图2和图3中的焊接接头各位置金相可知：采用本发明提供的工艺方法对贝氏体钢轨的焊接接头进行焊后热处理可以显著控制贝氏体闪光焊接头微观组织中带状组织量，得到良好的强韧性匹配，从而保证铁路运行安全。

Claims (8)

1.改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
将贝氏体钢轨轨头加热至900～980℃，静置一段时间，待温度降至750～900℃时，再喷吹冷却介质冷却至190～280℃。
2.根据权利要求1所述的改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法，其特征在于：所述贝氏体钢轨的化学成分包括：按重量百分比计，C：0.18-0.30％，Si：0.8-1.8％，Mn：1.5-2.5％，Cr：0.50-1.60％，Mo：0.20-0.50％，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法，其特征在于：所述加热为全断面加热。
4.根据权利要求1所述的改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法，其特征在于：所述的加热要求在100s～250s时间内加热到900～980℃。
5.根据权利要求1所述的改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法，其特征在于：所述的冷却介质为压缩空气、雾或水雾混合气体中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法，其特征在于：所述的冷却速度为0.5-10℃/s。
7.根据权利要求1所述的改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法，其特征在于：所述冷却介质冷却后的轨头低于轨底0～70℃。
8.根据权利要求1所述的改善贝氏体钢轨闪光焊接头微观组织的焊后热处理方法，其特征在于：所述焊接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。
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