闪光-摩擦复合焊接改善U71Mn钢轨接头微观组织与性能的研究

《Journal of Materials Research and Technology》：Improving The Microstructure And Properties Of U71Mn Rail Joints Through Flash–Friction Hybrid Welding

　　

： 随着高速铁路服役条件的日益复杂，闪光对焊（FBW）钢轨接头在低温、腐蚀和重载的耦合作用下易发生性能退化。特别是焊缝中心的铁素体富集导致明显的软化和耐腐蚀性能下降。本研究提出了一种新型闪光-摩擦复合焊接（F-FHW）工艺，以提升U71Mn钢接头的性能。结果表明，F-FHW将稳定焊接界面的峰值温度从1316 °C降低至1080 °C。热积累和碳烧损得到有效抑制，焊缝中心铁素体形成被抑制，获得了具有完整层片状组织的细化珠光体。与常规FBW接头相比，F-FHW接头的抗拉强度提高了9.4%，达到950.4 MPa，断裂位置从焊缝中心区（WCZ）转移至热影响区（HAZ）。同时，腐蚀电位正向移动，腐蚀电流密度降低，腐蚀形貌从局部点蚀演变为均匀腐蚀，表明焊接区耐腐蚀性能显著改善。接头性能的提升主要与网状铁素体的消除和微电偶电位差的减小有关。F-FHW工艺可为铁路钢轨的高性能焊接提供新的思路。

论文解读：

一、研究背景与意义

随着高速铁路现代化进程的推进，列车运行速度不断提高，轴重持续增加，铁路网络不断向山区和高原等复杂地形延伸。这些发展使钢轨暴露于低温、潮湿和多样化服役载荷环境中，缩短了钢轨的使用寿命，增加了脆性断裂和表面腐蚀失效的风险。焊接接头是钢轨结构中最为薄弱的环节，比母材更容易发生开裂和腐蚀，占全部钢轨失效的50%以上。因此，提升钢轨焊接接头的力学强度和耐腐蚀性能，对于保障铁路系统的安全稳定运行至关重要。

U71Mn钢是高速列车钢轨制造中常用的材料，其焊接主要采用闪光对焊（FBW）、铝热焊（TW）和气压焊（PGW）等方法。其中，FBW通过电流快速加热焊件端部至熔融或近熔融状态，随后施加顶锻压力产生塑性变形实现可靠连接，具有操作稳定性高、热应力低等优点。然而，FBW固有的高热输入和快速焊接特性导致焊缝中心区（WCZ）难以完全避免铁素体组织的形成。前期研究表明，FBW接头中的腐蚀主要起始于先共析铁素体区域、晶界和高残余应变区域，珠光体钢在长期腐蚀暴露中表现出优于铁素体钢的耐腐蚀性能，因此铁素体的存在被认为对闪光焊接接头的耐腐蚀性能不利。虽然正火处理可在一定程度上改善接头表面的钝化行为，但传统热处理方法仍存在耗时长、效率低以及高温下WCZ碳元素易烧损等问题，难以完全满足铁素体向珠光体转变所需的成分要求。基于此，研究人员在前期工作中提出了闪光-摩擦复合焊接（F-FHW）方法，在闪光过程中引入机械振动和摩擦作用，有效消除闪光焊接过程中形成的铁素体富集区域。然而，F-FHW过程中的关键物理行为及所得接头的腐蚀性能尚未得到系统研究。本研究旨在阐明F-FHW过程中的热力耦合行为，明确相关微观组织演变对耐腐蚀性能的影响机制，为下一代高速铁路钢轨焊接技术的发展提供工艺指导和理论依据。该论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》。

二、主要技术方法

研究人员采用有限元模拟与实验表征相结合的研究方法。数值模拟方面，利用ANSYS 19.0平台建立三维有限元模型，采用映射网格划分，设置随温度变化的热物理性能参数，通过单元生死技术模拟闪光过程中的金属飞溅热损失，构建F-FHW和FBW两种焊接过程的温度场分布模型，并使用红外热像仪（FLIR A615）实测温度数据进行模型验证。实验表征方面，对焊接接头进行光学显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）微观组织观察，采用能谱分析（EDS）进行元素分布分析，利用透射电子显微镜（TEM）表征精细微观结构，通过电子背散射衍射（EBSD）分析晶粒取向和晶界特征。力学性能测试包括显微硬度测试和室温拉伸试验。腐蚀性能评价采用电化学测试（开路电位、电化学阻抗谱、动电位极化）和浸泡腐蚀实验相结合的方法。试样材料为U71Mn钢轨钢，焊接试样尺寸为100 mm × 10 mm × 10 mm。

三、研究结果

3.1 焊接热循环与数值模型验证

研究人员将红外热像仪实测的F-FHW接头温度曲线与模拟结果进行对比，模拟焊接温度曲线在加热阶段呈现周期性温度波动，实验与数值模拟的升温和降温趋势总体一致，峰值温度平均误差小于5%，低于10%的模型精度判定标准，表明所建立的数值模型可可靠用于预测F-FHW和FBW过程的温度场分布。

3.2 F-FHW和FBW接头温度场分析

通过有限元模拟对比分析了两种焊接工艺在不同阶段的温度场分布特征。在起焊阶段，F-FHW接头温度升高仅发生在初始进入区域，随着焊接进行高温区域逐渐扩展，而FBW接头沿对接界面的温度几乎均匀分布，无明显的温度梯度分布。在相同焊接时长下，FBW接头的峰值温度高于F-FHW接头。在稳定焊接阶段，F-FHW接头界面区域的温度场呈椭圆形分布特征，高温区纵向窄、横向宽，温度梯度分布相对均匀稳定；而FBW接头的高温区域呈整体圆形分布，温度从焊接界面中心向外呈径向近似对称递减。稳定焊接条件下，F-FHW接头的峰值温度约为1080 °C，显著低于FBW接头的1316 °C。在散热过程中，FBW接头因热输入较高、热积累较大，热量从焊接界面向远离界面区域传递更快，整个散热过程中F-FHW接头温度始终低于FBW接头。研究表明，在相同闪光参数下，F-FHW过程中的振动辅助摩擦可降低WCZ峰值温度并显著抑制焊接热积累。

3.3 焊缝成形与截面观察

对摩擦速度为3 mm/s（F-FHW）和0 mm/s（FBW）制备的接头焊缝成形特征进行观察，两种焊接方法制备的接头焊缝中心均存在顶锻过程中形成的飞边，有利于挤出高温下形成的氧化物。FBW接头WCZ中观察到明显的白亮区域，其形成主要归因于高温暴露导致的WCZ碳元素大量损失以及较低的冷却速率，促进了网状铁素体沿晶界形成。根据微观组织特征，接头可分为WCZ、热力影响区（TMAZ）、热影响区（HAZ）和母材（BM）四个区域。

3.4 微观组织表征

光学显微镜观察显示，F-FHW接头WCZ微观组织主要由层片状珠光体和少量条状铁素体组成，而FBW接头WCZ中除珠光体外还观察到大量网状铁素体。图像分析软件定量测量结果表明，F-FHW接头WCZ中网状铁素体含量较FBW接头平均减少83.2 ± 3.7%。EBSD分析显示，两种接头的TMAZ和HAZ区域微观组织形貌和平均晶粒尺寸较为相似，TMAZ中发生明显晶粒细化，平均晶粒尺寸较HAZ小约31.6%，这主要归因于焊接热输入和顶锻塑性变形的协同作用促进动态再结晶（DRX）。TMAZ中观察到三叉晶界处形核和局部凸出的高角度晶界（HAGBs），表明发生不连续动态再结晶（DDRX）；同时观察到由低角度晶界（LAGBs）和HAGBs间断分布形成的项链状微观组织特征，表明TMAZ中也发生连续动态再结晶（CDRX）。定量统计分析表明，F-FHW接头WCZ的平均晶粒尺寸为22.7 ± 7.1 μm，比FBW接头小36%。GOS图分析显示，两种焊接工艺的主要差异集中在WCZ，F-FHW接头WCZ中保留了较高比例的再结晶晶粒和亚晶粒，而FBW接头WCZ以变形晶粒为主。晶界取向差分布分析表明，F-FHW接头WCZ的LAGBs比例最高，达到87.7%。织构分析显示，FBW接头WCZ的最大织构强度达到6.695，显著高于F-FHW接头的2.065。TEM分析表明，F-FHW接头WCZ中渗碳体片层排列规则且连续，无明显片层破碎，形成完整的珠光体转变组织；而FBW接头WCZ中发生严重珠光体退化，原始层片状结构几乎消失，渗碳体以颗粒状分散在铁素体基体中。定量测量显示，F-FHW接头WCZ的平均渗碳体厚度和珠光体片层间距分别为28.6 ± 5 nm和136 ± 14 nm，较FBW接头分别减小约42%和38%。

3.5 力学性能

显微硬度测试结果表明，F-FHW接头硬度分布相对均匀，WCZ平均硬度为332 Hv；而FBW接头WCZ发生软化，平均显微硬度降至275 Hv。拉伸试验结果显示，在相同闪光参数下，振动辅助摩擦的引入使接头抗拉强度从868.6 ± 4.5 MPa提高至950.4 ± 7.8 MPa，提升幅度为9.4%，F-FHW接头抗拉强度达到母材强度的93.4%，接头延伸率从2.2%提高至5.3%。断口分析显示，F-FHW接头断裂发生在HAZ，断口表面观察到解理河流花样和大量韧窝，呈现混合韧脆断裂模式；FBW接头断裂发生在WCZ，断口表面以明显的解理河流花样为主，无明显韧窝，呈现典型脆性断裂特征。F-FHW接头的最薄弱区域从WCZ转移至HAZ，这是因为振动辅助摩擦有效抑制了WCZ铁素体软化层的形成。

3.6 接头耐腐蚀性能分析

开路电位测试显示，FBW、F-FHW和BM试样的稳态开路电位分别为?0.589 V、?0.578 V和?0.565 V，F-FHW试样表现出比FBW试样更高的开路电位值，表明腐蚀倾向较低。动电位极化测试结果表明，FBW、F-FHW和BM试样的腐蚀电流密度分别为10^-5.274、10^-5.376和10^-5.459 A/cm²，腐蚀电位分别为?0.523、?0.498和?0.478 V。F-FHW试样表现出更高的腐蚀电位和更低的腐蚀电流密度，表明其腐蚀反应动力学更慢，耐腐蚀性能更优。电化学阻抗谱（EIS）拟合结果表明，FBW试样的极化电阻R_p为1924 Ω，F-FHW试样增加至3990 Ω，约为FBW试样的2.07倍，且F-FHW试样的Q值较低、n值较高（0.87），表明其表面电化学反应更均匀、腐蚀过程更温和。浸泡腐蚀实验显示，FBW试样表面出现明显的腐蚀坑，呈现局部腐蚀特征；而F-FHW试样的腐蚀模式更接近均匀腐蚀，腐蚀速率相对稳定且较慢。EDS元素面分布分析表明，F-FHW接头中Fe和C元素呈现明显的区域富集，展示典型的铁素体和渗碳体交替分布的珠光体组织特征，而FBW接头部分区域C含量较低。

四、讨论与结论

讨论部分综合微观组织观察和温度场模拟结果，阐明了FBW和F-FHW接头WCZ的微观组织演变和腐蚀机制。FBW接头WCZ中观察到网状铁素体和明显的珠光体层片结构退化，而F-FHW接头WCZ主要由相对完整均匀的层片状珠光体组织组成，网状铁素体含量显著减少，晶粒得到一定细化。U71Mn钢中珠光体组织主要由铁素体和渗碳体组成，两者具有不同的电化学活性：铁素体更易作为局部阳极发生优先溶解，渗碳体在腐蚀过程中倾向于作为阴极相。因此，铁素体、渗碳体的分布状态和珠光体的微观组织均匀性可显著影响材料的局部腐蚀行为。FBW接头中网状铁素体的存在增大了微观组织的不均匀性，铁素体与渗碳体之间形成更强的微电偶作用，导致腐蚀驱动力增大，腐蚀优先在铁素体区域发生，形成局部点蚀。相比之下，F-FHW工艺通过降低焊接热输入和峰值温度，有效抑制了网状铁素体的形成和渗碳体球化，保留了完整的层片状珠光体组织，改善了微观组织的均匀性，缩小了不同区域间的电极电位差，使电子转移更加困难，从而降低了整体腐蚀程度，实现了从局部点蚀向均匀腐蚀的转变。F-FHW接头性能的提升主要归因于网状铁素体的消除和微电偶电位差的减小。F-FHW工艺可为铁路钢轨的高性能焊接提供新的思路，为下一代高速铁路钢轨焊接技术的发展提供了工艺指导和理论依据。