钢轨焊接接头晶粒度探讨

陈海田

摘要：文章通过对热处理线圈、热处理工艺参数中的终了温度和功率参数的分析和试验，探讨了三者和焊接接头晶粒度的关系，选择了合适的线圈和热处理工艺参数，最终钢轨焊接接头晶粒度达到了TB/T 1632-2014标准中轨头和轨脚边缘部位不低于8级，轨底三角区不低于6级的要求。

关键词：晶粒度；热处理工艺；热处理线圈；钢轨焊接接头；温度参数；功率参数 文献标识码：A

中图分类号：U213 文章编号：1009-2374（2016）18-0106-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.052

晶粒度是多晶体内的晶粒大小，晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小，4级以下为粗晶粒，5级以上为细晶粒。文章所涉及的晶粒度为实际晶粒度，即某一实际条件下所得到的实际晶粒大小。钢轨焊接接头奥氏体晶粒度等级是接头性能变化的内在原因。我国钢轨用钢含碳量在0.8%左右，属于高碳钢，钢轨母材金属的晶粒度为4～5级，钢轨端面焊接温度在顶锻前达1300℃以上，晶粒迅速长大，焊接完成后，接头中心线即熔合线存在1mm厚的脱碳层（硝酸酒精腐蚀后显示为一条白线），同时由于焊接过程中高温作用，在脱碳层两侧各2mm区域分布着晶粒度在2级左右的粗晶区，在空气中冷却后粗晶组织的韧塑性低，接头硬而脆，综合性能低于钢轨母材，另外由于钢轨的形状导致焊接后接头内存在一定的残余应力，其根源也是粗晶组织。

《钢轨焊接》（TB/T 1632-2014）于2015年5月1日实施，其中《第2部分：闪光焊接》中表2（钢轨闪光焊焊接质量要求）规定：“焊缝晶粒度：轨头和轨脚边缘部位不应低于8级，轨底三角区不应低于6级。”焊轨基地在对U71Mn轨和U75V轨进行热处理试验时出现晶粒度等级偏低的情况，导致试验接头性能不良。文章就如何提高钢轨焊接接头晶粒度进行探讨。

1 钢轨焊后热处理

焊轨基地采用电磁感应加热方式进行热处理，就是将钢轨放入双匝感应线圈中，输入足够功率，在1400～2400Hz频率交变磁场作用下，钢轨内部产生感应电流（涡流），因涡流在钢轨内闭合，回路阻抗小，使得钢轨迅速加热升温。

在感应加热过程中存在透入式和传导式两种加热方式。首先是透入式，钢轨开始升温，表面涡流大，升温速度大，达到A1～A2（723℃～770℃）后钢轨金属材料的相对导磁率迅速下降，由16降至1，而钢轨内部导磁率高于表面，涡流最大值向内层迁移，本层快速升温，达到居里点（770℃）后本层失磁，失磁层不断向内部迁移，从而钢轨得到逐层加热；其次，当失磁的厚度超过热态涡流透入深度δ后，涡流呈热态特性分布，内层加热依靠外部热层热传导，其深度随着时间延长而加深。轨底脚两边在表面红热后没有了有效的感应电流，温度仅有730℃，能够使轨底脚温度提升的途径只有轨底中间部位热量向该处热传导。

典型的钢轨热处理加热温升曲线为：轨底脚初期升温快，中后期平缓，轨底三角区全程为圆滑上升曲线，而轨头前期升温最慢，后期升温最快，其中60s时轨底脚和三角区温度重合为730℃，100s时轨头表面和轨底脚温度重合为780℃，130s時轨头温度与三角区温度重合为850℃，最终180s时轨头温度910℃、轨底三角区900℃、轨底脚温度为850℃。

焊轨基地采用双中频热处理工艺，以轨顶表面温度为控制参数，初始输入较高功率，频率为1400Hz，待焊接接头达到设定温度后，转换频率为2400Hz，输入较低功率，直到温度达到最终设定温度为止，然后进行压缩空气风冷。

2 晶粒度影响因素

2.1 热处理线圈形状

由于钢轨横截面特性，采用电感应方式加热，极易造成全断面加热不均匀，轨顶和轨底三角区属于大截面区域，加热快，容易造成晶粒粗大，而轨底脚和轨腰属于小截面区域，散热快，温度达到730℃以上则趋于平衡，造成加热不良，达不到细化晶粒目的，从而整个焊接接头的性能得不到提高。根据钢轨加热的特性，为使钢轨全截面均匀加热，达到细化晶粒的目的，可以从线圈形状方面尝试修改设计，从原先的线圈与钢轨等距的样式，修改为轨腰和轨底脚距离不变、轨头和轨底三角区距离增加1.75～2.5倍、距离增加部位圆弧过渡的样式。

试验过程：使用同种钢轨焊接接头，同样的热处理参数，使用这两种线圈进行热处理作业，等距离线圈用时130s，非等距离线圈用时110s，得到的焊缝金相组织中轨底脚晶粒度均为8级，而轨头晶粒度存在差异，前者晶粒度为7级，后者晶粒度为8级，且晶粒大小均匀。

通过比较两种热处理线圈试验得到的金相组织图可知：非等距离加热线圈在热处理效果和效率上都优于等距离加热线圈，有效提高了轨头部位晶粒度，即细化晶粒效果显著提高。

2.2 热处理工艺参数

热处理后焊缝晶粒粗大（轨头、轨底脚和轨底三角区任何一处），根源是热处理工艺参数不合理，其中主要影响参数是热处理终了温度、功率和频率。因热处理设备定型后频率已经固定，因而终了温度和功率是关键参数。

2.2.1 终了温度因素。轨底脚属于开放式小截面，达到一定温度后加热和散热平衡，之后依靠大截面的热量传导升温，终了温度过低则热传导少，轨底脚组织奥氏体转化时间不足，而终了温度过高，则大截面的轨头和三角区奥氏体晶粒再次长大。

可以通过试验来验证轨头焊缝晶粒不合格原因是终了温度过高。试验过程：使用同一U71Mn钢轨、同一焊接参数焊接的3个接头，分别使用温度为890/910℃、860/880℃、840/860℃的参数进行热处理，得到三种金相组织图（100倍）。

在这三种图中，随着热处理终了温度的降低，轨头焊缝晶粒度分别为7级、8级、9级，内部的晶粒由不均匀到均匀，热影响区的晶粒度同样由小到大变化，而轨底脚焊缝晶粒度均为8级，使用840/860℃热处理参数的接头轨底脚晶粒均匀程度有所降低。

通过试验对比可知：随着热处理终了温度的降低，接头晶粒度得到有效改善，最高达到9级。考虑到终了温度降低至860℃时已经得到理想的试验结果，不再降低温度，否则会影响到轨底脚温升，导致其晶粒度不合格。

2.2.2 功率因素。双中频热处理设备设计有两个频率，分别是1400Hz和2400Hz，两者均属于中频段，其工艺特点是1400Hz频率用于全断面加热，重点是轨头部位和轨底三角区热处理透彻，之后启动2400Hz频率用于轨底脚这一最薄弱部位，前期功率比后期功率较高。投入的功率不同直接导致热处理曲线较大波动，造成接头各区域晶粒大小和分布变化。

试验过程：对投入功率110/70kW和60/40kW时的轨头热处理曲线进行对比。

热处理功率为110/70kW的接头热处理曲线低频期斜率大、升温快，60s即达到转频温度，高频期曲线平滑、时间占全程的2/3，接头轨头断口中细晶区域的深度只有10mm，轨头内部全是粗晶组织，说明只有这10mm深度区域完成奥氏体转化，探伤时有伤波。热处理功率为110/70kW的接头热处理曲线低频期上升较缓，50s后开始在820℃位置保持约30s的直线段，高频段升温最快，时间约为全程的1/5，从曲线上显示低频阶段后期保持30s的直线段原因是此阶段钢轨表面加热层向内部热传导，在表面呈现热平衡的表象，从落锤试验的轨头断口观察，目测组织全部为细晶，经实验室检测，接头焊缝轨头部位晶粒度为8.5级。

另外，热处理功率参数为110/70kW焊接接头轨底三角区的热处理曲线，低频期迅速升温，在60s时达到950℃，随后在高频期平缓升温，时间长达70s，最高温度达到了1054℃，落锤断口目测晶粒粗大，晶粒度仅仅5级，这是典型的过热组织，金属晶粒经历了粗晶→细化→再长大的过程，这种接头热处理结果与预期的热处理效果完全相悖。以功率参数为60/40kW进行热处理的焊接接头轨底三角区的热处理曲线与轨头的曲线基本接近，低频期前期平稳升温，后期在860℃保持稳定，在高频期快速升温结束，最高温度低于1000℃，从落锤断口看均为细晶组织，实验室检測，轨底三角区晶粒度为7.5级，完全符合标准要求。当然单一调整功率来达到上述第二种曲线会导致轨底脚温度不足或奥氏体转化温度阶段时间过短，影响轨底脚的晶粒度。

3 结语

第一，热处理感应线圈的形状直接影响钢轨焊接接头各区域的温度，从而影响焊头晶粒度等级，在设计制作线圈时应充分考虑钢轨全截面的特性，兼顾各区域的加热状态，另外在保证晶粒度前提下线圈和钢轨的距离不宜过近，避免在焊头通过线圈时损伤线圈。

第二，热处理工艺参数中的终了温度和功率是影响焊接接头晶粒度的关键参数，终了温度不宜过高，避免晶粒再次长大，过低则影响轨头硬度，需要与喷风工艺匹配；功率参数影响大截面区域的晶粒细化程度，功率参数的选择应兼顾大截面和小截面区域温度，从而使各区域晶粒度符合标准要求。

第三，热处理功率参数和终了温度两者应匹配，在终了温度确定的前提下，功率参数选择应使1400Hz频率区段曲线平缓提升并保持较长时间，以保证轨头和轨底三角区部位内部完成奥氏体转化。

第四，焊轨基地选择非等距线圈，使用840/860℃的温度参数、60/40kW的功率参数，使得焊接接头晶粒度中轨头9级、轨底脚8级、轨底三角7.5级，符合《钢轨焊接》（TB/T 1632-2014）的要求。

参考文献

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（责任编辑：王 波）