贝氏体钢轨与珠光体钢轨焊接温度场对比研究
铁道科学研究院金化所（北京市 100081） 李力 高文会 邹立顺
摘要： 贝氏体钢轨的发展是铁路基础领域的一项重要进步，钢轨焊接性研究直接影响了贝氏体钢轨的应用。文中对贝氏体与珠光体钢轨异种钢接头的焊接温度场进行了有限元分析，并且进行了试验测定。贝氏体钢轨与珠光体钢轨物理特性差别较大，在相同焊接参数下，贝氏体的加热温度及高温停留时间都要高于珠光体钢轨。这种传热特性对贝氏体钢轨的焊接性有明显的影响；根据计算及试验结果，贝氏体钢轨的焊接应当采用比珠光体钢轨更小的焊接热输入参数。
关键词：钢轨 焊接 贝氏体 珠光体
中图分类号：TG457
O 前 言
贝氏体组织由于高的强度而在超高强钢结构上得到广泛应用〔1、2〕。随着铁路对钢轨强度及耐磨性要求的不断提高，世界各国都逐步将贝氏体钢轨纳入生产范围，并且投入实际运营的考验。
中国铁路有1/3左右的弯道，在这些地段铺设使用780～880MPa强度等级的U74或U71Mn钢轨以及980MPa级的PD3或BNbRE热轧钢轨，因为其寿命短，有的不足2年即下道，甚至8～9个月即下道，已经不能满足铁路运输发展的要求。另外从全长淬火钢轨使用情况看，尽管强度、耐磨性得以提高，但耐剥离性能并不能有明显改观。在部分路局甚至发生因剥离掉块而大大缩短使用寿命的情况。
因此，中国贝氏体钢轨的研究及应用也列入了日程。从1999年开始，铁科院着手贝氏体钢轨的研究并与鞍钢合作与2002年初进行了工业性试验，2003年经过铁道部评审后开始上道试铺。随着铁路运行速度的提高，国内主要线路已全部实现无缝化。对两种钢轨焊接性差异进行研究，从机理上对新轨种焊接性能进行分析，对高强钢轨的推行是非常必要的。
1 两种钢轨性能的差异
1.1 钢轨的力学性能
贝氏体钢轨选用鞍钢产AB1钢轨，轨头平均踏面硬度为383HB，抗拉强度大于1200MPa，屈服强度大于980MPa，断后伸长率大于15％，断面收缩率大于48％，室温冲击吸收功为142 J。
珠光体钢轨选用包钢产BNbRE钢轨〔3〕，轨头平均中踏面硬度为300HB，抗拉强度大于1000MPa，屈服强度大于600MPa，断后伸长率大于13％，断面收缩率大于21％，室温冲击吸收功为4 J。
1.2 钢轨的物理性能
（1）相变点 贝氏体钢Ac3：856℃，Ac1：746℃，BS：432℃，BF：327℃；珠光体钢Ac3：753℃，Ac1：723℃，Ar3：689℃，Ar1：669℃。
（2）物理性能 线膨胀系数见表1，导热系数、比热见表2。
表1 贝氏体钢轨、BNbRE钢轨线膨胀系数 10-6/℃
| 钢 种 | 室温～60℃ | 室温～100℃ | 100～400℃ | 400～650℃ | 650～Ac1 |
| BNbRE | 9.26 | 10.29 | 14.4 | 14.26 | 15.26 |
| AB1 | 11.4 | 12.2 | 14.6 | 16.00 | 13.40 |
表2 贝氏体钢轨、BNbRE钢轨导热系数及比热
| 温度T/℃ | 导热系数 λ/〔W·（m·K）－1〕 | AB1比热 Cp/[J·（kg·K）－1] |
| BNbRE | AB1 |
| －20 | 31.0 | 23.6 | 482 |
| 100 | 33.1 | 22.7 | 494 |
| 200 | 36.0 | 22.0 | 513 |
| 300 | 37.3 | 21.4 | 538 |
| 400 | 37.4 | 21.1 | 572 |
| 500 | 35.6 | 20.8 | 614 |
| 600 | － | 20.6 | 665 |
| 700 | － | 20.3 | 772 |
| 740 | － | 20.1 | 861 |
| 752 | － | 19.9 | 1008 |
| 770 | － | 19.7 | 762 |
| 800 | － | 19.4 | 678 |
| 900 | － | 19.2 | 661 |
| 1000 | － | 19.1 | 675 |
| 1100 | － | 18.9 | 702 |
| 1200 | － | 18.6 | 736 |
2 焊接温度场的有限元分析
为了定量对珠光体与贝氏体钢轨的焊接性进行定量分析，对这两种钢轨的异种钢轨焊接接头进行了温度场的有限元分析，即焊接接头的一端为珠光体钢轨，另一端为贝氏体钢轨。
2.1 瞬态偶合分析原理
根据能量守恒原理，瞬态传热可以用公式表示为〔4〕：
〔C〕｛T&｝+〔K〕｛T｝＝｛Q｝ （1）
式中：〔K〕为传导矩阵，包含导热系数、对流系数及辐射率和形状系数；〔C〕为比热容矩阵；｛T｝为节点温度向量；｛T&｝为温度对时间的导数；｛Q｝为节点热流率向量，包含热生成。
实际上，贝氏体、珠光体热性能等会随温度发生变化，此时上述公式将更换为：
〔C（T）〕｛T&｝+〔K〕｛T｝＝｛Q（T）｝ （2）
2.2 耦合分析条件
对贝氏体与珠光体异种钢轨热焊接头的有限元网格划分如图1所示。前部为贝氏体钢轨，后部为珠光体钢轨。中间焊缝金属为贝氏体。总长按试验接头的实际长度1m进行分析。
为简化分析，假定与空气无热交换。焊缝区初始温度为2200℃。钢轨初始温度为20℃。
2.3 分析结果
图2是焊后接头温度场计算结果。随焊后时间的延长，轨底、轨腰部位珠光体的加热温度范围大于贝氏体钢。
图3是焊后近缝区两点珠光体轨与贝氏体轨侧温度随时间的变化曲线。
3 焊接温度场的测定
钢轨的焊接性表现其冶金焊接性，与钢轨母材的原始状态有关，其物理特性直接对焊接温度场产生影响。
采用同样的焊接工艺焊接珠光体钢轨与贝氏体钢轨，测定热影响区温度变化曲线。可以看出相同热输入情况下，两种不同组织钢轨热影响区温度场的区别。
图4为珠光体钢轨的中和轴纵向各点温度分布曲线，从图4看出，所有的测点峰值温度都超过了400℃。图5为贝氏体钢轨的中和轴各点纵向温度分布曲线，从图5可看出，所有测试点峰值温度明显高于珠光体钢轨40～50℃。
对焊接性影响最大的是热影响区的高温停留时间，直接影响着粒的长大以及晶界液化的趋势。
贝氏体侧500℃以上停留时间11min，珠光体侧500℃以上停留时间6min，可见贝氏体由于导热系数小，高温停留时间明显变长，这样导致晶界液化的可能性大大增加。
图4、图5的实测结果与图3的计算结果显现了相同的规律，即贝氏体钢轨一侧的加热温度及高温停留时间均要高于珠光体钢轨。试验及计算结果相互得到了验证。
4 结 论
珠光体与贝氏体焊接温度场的差异是两种钢轨焊接性差异的基本原因。温度场分析的结果对钢轨焊接性研究具有指导作用。
（1）影响焊接温度场的因素除焊接边界条件（焊接方法、焊接热输入等）外，母材及焊接材料的物理性能是最为重要的因素；
（2）贝氏体钢轨与珠光体钢轨物理特性差别较大，在相同焊接参数下，贝氏体的加热温度及高温停留时间都要高于珠光体钢轨。这种传热特性将影响贝氏体钢轨的焊接性；
（3）根据计算及试验结果，贝氏体钢轨的焊接应当采用比珠光体钢轨更小的焊接热输入。
参考文献
〔1〕方鸿生，邓燕康。我国贝氏体钢的前景〔J〕。金属热处理，1998（7）：11～14。
〔2〕马成勇，田志凌。面向21世纪的新一代钢铁材料 超低碳贝氏体钢及其焊接材料〔J〕。机械工人，2002（10）：11～13。
〔3〕张银花，周清跃。钢轨喷雾冷却淬火质量控制〔J〕。中国铁道科学，1998（2）：94～102。
〔4〕邵红艳，竺润祥。结构温度场与温度应力场的有限元分析〔J〕。宁波大学学报，2003（1）：57～60。
