75 kg/m鋼軌鋁熱焊接頭斷裂失效研究

李金華，李 力，丁 韋，劉政文

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

重載線路現(xiàn)場大多采用鋁熱焊焊接鋼軌接頭，75 kg/m鋼軌鋁熱焊在國內(nèi)外均缺乏經(jīng)驗(yàn)，而且所焊鋼軌大多是 PG4淬火軌[1-3]。PG4鋼軌是高強(qiáng)度鋼軌，熱處理鋼軌的強(qiáng)度達(dá)到1 300 MPa級(jí)，淬火軌的軌頂面硬度達(dá)到380 HB以上，對鋁熱焊劑以及現(xiàn)場的焊接工藝都提出了高的匹配要求[4-5]。2010年下半年，75 kg/m PG4淬火軌鋁熱焊接頭連續(xù)出現(xiàn)了多處斷裂，通過對其中的典型斷裂接頭進(jìn)行失效分析，并結(jié)合前期的相關(guān)測量數(shù)據(jù)，本文著重尋求斷裂的主要原因，以避免類似事故的發(fā)生。

1 鋁熱焊接頭斷口觀察

從現(xiàn)場取的2個(gè)斷裂樣品均為75 kg/m PG4淬火軌鋁熱焊接頭，其一已出現(xiàn)裂紋但未發(fā)生斷裂，另一樣品則在接頭部位完全斷裂。

圖1中鋁熱焊焊縫表面出現(xiàn)比較均勻的橫向裂紋，表面裂紋橫跨了整個(gè)軌頂面;焊縫軟化區(qū)內(nèi)剝離掉塊嚴(yán)重;焊縫區(qū)域表面出現(xiàn)低塌，兩邊軟化帶都出現(xiàn)壓潰現(xiàn)象;軌頭下顎與焊縫焊筋邊緣相交的位置出現(xiàn)向焊縫方向延伸的裂紋，裂紋貫穿了鋼軌橫截面。

裂紋以軌頭下顎為中心，向下沿焊縫45°方向向母材內(nèi)部擴(kuò)展，向上則以焊縫45°方向向軌頭區(qū)域焊縫內(nèi)部擴(kuò)展。圖2所示為完全斷裂樣品，縱向斷裂面與圖1的裂紋發(fā)展方向相近似。試驗(yàn)的斷裂PG4焊接接頭服役條件見表1。

表1 試驗(yàn)的斷裂PG4焊接接頭服役條件

圖1 裂紋接頭的形貌

圖2 斷開接頭的斷口側(cè)面

圖3 (a)為斷裂樣品斷口狀況。從圖3(a)可以清晰地看到疲勞斷口的特征，疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度發(fā)生脆性斷裂，在疲勞源位置有一些溢流飛邊和氣孔疏松。從軌頭斷口區(qū)域可以看到比較清楚的疲勞輝紋及受研磨的形態(tài)、疲勞臺(tái)階以及裂紋擴(kuò)展之后的脆性斷裂區(qū)域，沒有觀察到裂紋擴(kuò)展區(qū)域有明顯的塑性變形特征。由上說明鋁熱焊接頭是脆性疲勞斷裂。對圖3(b)中1、2兩區(qū)域進(jìn)行斷口掃描觀察和組成物能譜分析。圖4是疲勞源1處附近區(qū)域掃描照片和能譜分析，可以非常清晰地看到疲勞輝紋和疲勞臺(tái)階，比對表2，氧元素較高主要是斷口裸露在空氣中，氧化比較嚴(yán)重，能譜分析表明此處組織成分元素與PG4母材基本相同，說明此處是母材區(qū)域。

圖3 斷口電子掃描取樣及掃描照片

圖4 疲勞源附近1處掃描照片及能譜分析

圖5 是脆性斷口2處附近掃描照片及能譜分析，可以非常清晰地看到河流狀解理形貌，比對表2，能譜分析表明此處組織成分元素與鋁熱焊焊縫成分元素基本相同，說明2處是屬于焊縫區(qū)域。

由以上分析可以明確，斷裂的裂紋源及起裂位置是在(軌頭下顎焊縫和母材熔合處)母材區(qū)域，通過疲勞裂紋擴(kuò)展，裂紋沿焊縫45°方向進(jìn)入焊縫區(qū)域，導(dǎo)致焊縫的脆性斷裂。

圖5 脆性斷口2處附近掃描照片及能譜分析

表2 PG4鋼軌鋁熱焊接頭化學(xué)成分質(zhì)量含量 %

2 鋁熱焊接頭裂紋區(qū)域金相觀察

對1號(hào)未斷裂樣品取裂紋金相觀察試樣，取樣位置及裂紋在試樣中位置如圖6所示。

圖7中方形黑點(diǎn)是顯微硬度打點(diǎn)位置。圖6(b)中所示的母材區(qū)域平均硬度為372.2 HV，焊縫區(qū)域平均硬度為329.2 HV，軌頭三角區(qū)(母材與焊縫交界的三角區(qū)域)平均硬度為378.1 HV。說明軌頭三角區(qū)是母材組織，裂紋起裂位置以及最初擴(kuò)展階段都在軌頭下顎母材組織區(qū)域，與之前電子掃描能譜分析結(jié)論相同。圖7中可以看到裂縫沿著主裂紋向母材擴(kuò)展，裂縫旁邊有二次裂紋，白色網(wǎng)狀區(qū)域是脫碳組織，圖8顯示焊縫為均勻分布的鐵素體+珠光體組織。測得裂紋尖端區(qū)域母材晶粒度為3～4級(jí)，離裂紋5 cm處母材晶粒度為6～7級(jí)，母材起裂處是過熱粗晶區(qū)域。在主裂紋尖端基本沒有發(fā)現(xiàn)夾雜物和氣孔。

圖6 鋁熱焊接頭裂紋金相觀察取樣位置示意圖及金相試樣

圖7 1號(hào)試樣裂紋尖端(50×)

圖8 焊縫熔合組織金相照片(100×)

3 鋁熱焊斷裂接頭力學(xué)性能

3.1 鋁熱焊接頭拉伸及沖擊性能

將1號(hào)裂紋未斷裂接頭進(jìn)行力學(xué)性能測試，拉伸性能和沖擊性能試樣的取樣及試驗(yàn)均按照TB/T1632.3-2005 中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行[6]。

淬火軌PG4鋁熱焊拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。軌頭、軌腰、軌底的抗拉強(qiáng)度都超過了技術(shù)條件 TB/T1632.3-2005的要求[6]，而且伸長率≥2%(980 MPa級(jí)鋼軌要求)，說明焊接接頭的拉伸性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

淬火軌PG4鋁熱焊接頭沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果見表4。焊縫和熔合線位置的沖擊韌性明顯低于母材，也低于鐵標(biāo)要求，但鐵標(biāo)要求不作為交貨條件(TB/T1632.3-2005)，且比較以前型檢數(shù)據(jù)，此斷裂接頭無論軌頭、軌腰、軌底的沖擊韌性都屬于相對沖擊韌性較好的接頭。

此焊接接頭符合交貨和設(shè)計(jì)條件的拉伸性能、沖擊性能，分析認(rèn)為不是發(fā)生斷裂的根本原因。

表3 PG4鋁熱焊拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果

表4 PG4鋁熱焊沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果 J

3.2 鋁熱焊接頭軌頂面硬度及其分布

表5中自然表面是接頭試樣取回未做任何處理進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)，經(jīng)過磨拋處理是完成自然表面的硬度試驗(yàn)后，用角磨機(jī)打磨掉硬度坑，后磨平拋光，大約去掉1 mm表層，然后進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)。從表5可以看到自然表面與經(jīng)過磨拋處理的表面硬度值變化不大。

表5 PG4鋁熱焊軌頂踏面硬度試驗(yàn)結(jié)果 HB

圖9是鋁熱焊軌頂踏面中心7.5 mm處200 mm范圍硬度分布，從圖9和表6中可以清晰地看到焊縫硬度是母材的0.88倍，硬度較低，而軟化區(qū)硬度只有母材的0.85倍。HJ＞ HP±20(技術(shù)要求 HJ≦ HP±20)[6]，整個(gè)焊縫區(qū)域的硬度明顯低于母材，這種硬度的顯著差異會(huì)造成焊接接頭在服役期間磨耗的不均勻性，容易出現(xiàn)嚴(yán)重的低塌接頭。對1號(hào)樣品進(jìn)行測量得知焊縫左右各100 mm范圍內(nèi)，接頭中心低塌0.35 mm，軟化區(qū)低塌0.25 mm。

焊接接頭硬度的不匹配，導(dǎo)致焊縫容易低塌，接頭區(qū)域踏面不平順，引起機(jī)車車輛劇烈振動(dòng)，輪軌動(dòng)作用力成倍增大。軸重和單列最大載重的不斷增加，高負(fù)荷的輪軌沖擊，加速了焊接接頭的裂紋擴(kuò)展和斷裂過程。

圖9 鋁熱焊軌頂踏面200 mm硬度分布

表6 焊接接頭與母材硬度的比較 HB

4 結(jié)語

1)斷裂接頭起裂位置是在軌頭下顎與焊筋邊緣相交處，此處是母材過熱粗晶區(qū)域，通過疲勞裂紋擴(kuò)展，裂紋沿焊縫45°方向進(jìn)入焊縫區(qū)域，導(dǎo)致焊接接頭的脆性斷裂。

2)淬火PG4高強(qiáng)鋼軌的鋁熱焊接頭，提高了疲勞缺口的敏感度，焊縫與母材熔合處溢流飛邊和氣孔疏松的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)增大了起始裂紋產(chǎn)生的機(jī)率。

3)部分焊接接頭硬度的不匹配，導(dǎo)致焊縫容易低塌，接頭區(qū)域踏面不平順，引起機(jī)車車輛劇烈振動(dòng)，輪軌動(dòng)作用力成倍增大。軸重和單列最大載重的不斷增加，高負(fù)荷的輪軌沖擊，加速了焊接接頭的裂紋擴(kuò)展和斷裂過程。

4)建議開展提高鋁熱焊砂型性能的研究，減少溢流飛邊的產(chǎn)生。加強(qiáng)軌頭下顎處熔渣殘余物的打磨，減少表面殘余應(yīng)力和疲勞敏感缺口的殘留。

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