鋼軌閃光焊焊縫斷裂原因分析

邢麗賢，鄒定強，楊其全

(中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

鋼軌焊接方法主要有閃光焊、氣壓焊、鋁熱焊和窄間隙電弧焊4種。其中閃光焊應(yīng)用最為廣泛，目前已成為世界各國鋼軌焊接的主要方式。閃光焊又叫接觸焊，屬于電阻焊，鋼軌閃光焊作業(yè)效率高，能夠高度機械化和自動化，因而最適合在焊接工廠進行。根據(jù)鋼軌閃光焊的傷損狀態(tài)和傷損位置，將其分為踏面?zhèn)麚p、橫向裂紋和斷裂、軌腰縱向裂紋和S形斷裂以及沒有明顯疲勞特征的脆性斷裂［1-3］。其中焊縫橫向脆性斷裂是危害性最大的傷損形式之一，不僅影響行車的平穩(wěn)性和舒適性，甚至還會危及鐵路行車安全［4］。

某線路鋼軌閃光焊焊縫在累積通過總重約2億t后發(fā)生焊縫全斷面橫向斷裂。線路曲線半徑為2 200 m，坡度為12.7‰下坡，焊縫斷裂鋼軌為國產(chǎn)U75V，60 kg/m 鋼軌，廠制閃光焊接頭［5］。本文通過對焊縫斷裂鋼軌進行斷口宏觀、微觀形貌觀察，微區(qū)成分分析，金相組織、化學(xué)成分及低倍檢驗，確定鋼軌閃光焊焊縫的斷裂性質(zhì)及斷裂原因，為預(yù)防此類傷損提供借鑒。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

圖1為送檢斷軌樣斷口及裂紋源的宏觀形貌，由圖可見，裂紋源位于軌腰和軌底之間圓弧過渡區(qū)域焊接推凸飛邊根部，呈條狀多裂紋源形貌。慢速擴展區(qū)(圖1(d)中深灰色區(qū)域)弧長約25 mm，深約4 mm，焊接推凸飛邊區(qū)(圖1(d)中虛線區(qū)域)弧長約28 mm，深約3 mm，裂紋從焊接推凸飛邊根部呈放射狀向軌底、軌腰和軌頭方向擴展，斷口未見明顯的疲勞擴展區(qū)，基本為脆性斷口形貌。

圖1 斷口及裂紋源宏觀形貌

1.2 斷口微觀觀察

圖2為掃描樣斷口的宏觀形貌特征。對推凸飛邊、裂紋源斷口及脆性斷口進行掃描電鏡觀察，結(jié)果如圖3所示。

由圖2、圖3可見，裂紋起源于軌腰與軌底之間過渡圓弧部位的焊接推凸飛邊處，呈多源條狀形貌特征。推凸飛邊表面為具有氧化銹蝕特征的金屬表面，厚度約3 mm，見圖3(a)。在《鋼軌焊接 第2部分:閃光焊接》(TB/T 1632.2—2005)中“3.4.5焊接和推凸”規(guī)定:焊接接頭軌頭和軌底、軌底頂面斜坡的推凸余量不應(yīng)＞1 mm，所以該斷軌的軌底推凸余量不符合《鋼軌焊接第2部分:閃光焊接》要求。慢速擴展區(qū)觀察到疲勞形貌特征并帶有氧化銹蝕，如圖3(b)所示。其余大部分斷口為脆性斷口，具有解理斷口形貌特征，如圖3(c)所示。

圖2 掃描樣斷口的宏觀形貌特征

圖3 斷口微觀觀察

1.3 能譜分析

圖4分別為推凸飛邊、慢速擴展區(qū)和脆斷區(qū)的能譜分析圖。

圖4 能譜分析

1.4 低倍檢驗

對斷軌樣進行低倍組織檢驗，檢驗結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明斷軌樣的低倍組織滿足TB/T 2344—2003“43～75 kg/m熱軋鋼軌訂貨技術(shù)條件”的要求。

圖5 斷軌樣的低倍組織

1.5 金相檢查

在斷軌樣裂紋源區(qū)取縱向金相樣，金相磨面垂直于斷口且沿鋼軌縱向，圖6為金相顯微組織形貌特征，可以看到在焊接推凸飛邊表面有明顯的脫碳及裂紋等形貌特征，裂紋源起源于推凸飛邊根部(脫碳層截止處)，從推凸表面到脫碳層截止處的距離大約為3.351 mm，由于此處存在因推凸飛邊形成的類似折疊裂紋的缺陷，由應(yīng)力集中產(chǎn)生疲勞裂紋。圖6(c)為斷軌樣的基體組織，由珠光體加少量鐵素體組成。

1.6 化學(xué)成分

對斷軌樣進行化學(xué)成分檢驗，檢驗結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明斷軌樣的化學(xué)成分符合TB/T 2344—2003“43～75 kg/m熱軋鋼軌訂貨技術(shù)條件”的要求。

圖6 金相顯微組織形貌特征

表1 斷軌樣的化學(xué)成分(U75V)

2 分析與討論

送檢斷軌樣裂紋源位于軌腰和軌底之間的過渡圓弧部位的焊接推凸飛邊根部，呈條狀多裂紋源形貌特征，在使用中由于應(yīng)力的作用，在推凸飛邊根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，致使裂紋在應(yīng)力集中處萌生，并呈放射狀向軌底兩側(cè)和軌腰、軌頭方向擴展，最后導(dǎo)致鋼軌橫向脆性斷裂。

在斷軌樣裂紋源區(qū)取縱向金相樣，觀察發(fā)現(xiàn)，在焊接推凸飛邊根部裂紋源區(qū)存在明顯的脫碳及裂紋等形貌特征，類似折疊裂紋，裂紋即在此處萌生。此外，夾雜物和基體組織均未見異常。在掃描電鏡下，觀察到裂紋起源于軌腰和軌底之間過渡圓弧部位的焊接推凸飛邊根部，裂紋源呈條狀。在慢速擴展區(qū)斷口觀察到疲勞形貌特征并帶有氧化銹蝕，其余大部分斷口為脆性斷口，具有解理斷口形貌特征。對斷軌樣進行低倍組織和化學(xué)成分檢驗，檢驗結(jié)果表明斷軌樣的低倍組織和化學(xué)成分均符合TB/T 2344—2003“43～75 kg/m熱軋鋼軌訂貨技術(shù)條件”的要求。

對鋼軌斷口的宏觀、微觀分析結(jié)果表明，鋼軌焊接接頭斷裂起源于軌腰和軌底之間過渡圓弧部位的焊接推凸飛邊根部，推凸飛邊厚度約3 mm，不符合《鋼軌焊接第2部分:閃光焊接》要求(推凸厚度≤1 mm)。鋼軌在列車通過時軌底受到動彎應(yīng)力的作用，極易在軌腰和軌底之間過渡圓弧部位的焊接推凸飛邊根部形成類似折疊裂紋的缺陷，產(chǎn)生應(yīng)力集中并萌生疲勞裂紋，并隨著動彎應(yīng)力的反復(fù)作用呈放射狀擴展，隨后快速擴展并發(fā)展為橫向脆性斷裂。

3 結(jié)論

送檢斷軌樣裂紋源位于軌腰和軌底之間過渡圓弧部位的焊接推凸飛邊根部，推凸飛邊厚度不符合《鋼軌焊接第2部分:閃光焊接》(TB/T 1632.2—2005)要求，在動彎應(yīng)力作用下，由于應(yīng)力集中，在焊接推凸飛邊根部萌生疲勞裂紋，進而發(fā)展為橫向脆性斷裂。

［1］鄒定強，楊其全，邢麗賢，等.鋼軌失效分析與傷損圖譜［M］.北京:中國鐵道出版社，2010.

［2］邢麗賢，鄒定強，楊其全，等.滬昆上行線K2591+650左股焊縫折斷原因檢驗分析［R］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2013.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB/T 1778—2010 鋼軌傷損分類［S］.北京:中國鐵道出版社，2011.

［4］楊克，盧觀健，袁龍英，等.鋼軌傷損圖譜［M］.北京:中國鐵道出版社，1992.

［5］邢麗賢.提速條件下鋼軌傷損特點及鋼軌傷損分類的研究［D］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2008.