重載線鋼軌氣壓焊接頭傷損分析與預(yù)防對(duì)策

李金華，李力，丁韋，胡玉堂

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

重載線鋼軌氣壓焊接頭傷損分析與預(yù)防對(duì)策

李金華，李力，丁韋，胡玉堂

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

根據(jù)重載線現(xiàn)場(chǎng)服役的鋼軌氣壓焊接頭傷損情況，重點(diǎn)介紹了軌頭焊縫裂開(kāi)和軌頭下顎裂開(kāi)2種典型的斷裂傷損方式，分析了相應(yīng)的傷損原因，認(rèn)為重載線氣壓焊接頭未焊合和全斷面局部過(guò)熱造成脫碳氧化是現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的接頭傷損原因，待焊接斷面的垂直度、光潔度和加熱器氣孔的狀態(tài)對(duì)接頭質(zhì)量影響較大。針對(duì)不同的傷損原因提出了相應(yīng)的預(yù)防對(duì)策，以提高現(xiàn)場(chǎng)氣壓焊接頭的使用效果。

重載線;氣壓焊;未焊合;傷損分析

重載線為跨區(qū)間無(wú)縫線路，在鋼軌廠內(nèi)采用固定閃光焊焊接為長(zhǎng)鋼軌交付現(xiàn)場(chǎng);現(xiàn)場(chǎng)線下和鎖定焊接頭采用氣壓焊;岔區(qū)以及斷軌修復(fù)采用鋁熱焊。移動(dòng)式小型氣壓焊的特點(diǎn)是焊機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，超小型化，手工操作的比例大，因此人為因素影響較大，鋼軌焊接接頭的平直度不易保證;另外由于氣壓焊工藝本身比較復(fù)雜，且通常在野外環(huán)境施工，受環(huán)境影響比較大，容易出現(xiàn)接頭焊縫變形、加熱不均勻和頂鍛偏載等情況。

本文根據(jù)重載線現(xiàn)場(chǎng)服役的鋼軌氣壓焊接頭傷損情況，重點(diǎn)介紹了軌頭焊縫裂開(kāi)和軌頭下顎裂開(kāi)2種典型的接頭斷裂傷損方式，分析了相應(yīng)的傷損原因，并提出預(yù)防對(duì)策，以提高現(xiàn)場(chǎng)氣壓焊接頭的使用效果。

1　軌頭焊縫裂開(kāi)

1.1宏觀觀察及分析

圖1為氣壓焊接頭軌頭未焊合斷口宏觀形貌及金相取樣位置示意。傷損位于焊縫處軌頭下部位置。傷損斷裂呈疲勞斷口特征，有明顯的疲勞臺(tái)階和疲勞輝紋。軌頭上部、軌腰和軌底的斷口呈脆性斷裂特征，屬于裂紋快速擴(kuò)展階段。裂紋源處于疲勞臺(tái)階上部位置。裂紋首先形成于軌頭中部的弧線處，隨后向上、下2個(gè)方向擴(kuò)展，當(dāng)上邊擴(kuò)展到距軌頂約5 mm處，下部擴(kuò)展至軌腰10 mm(距軌頭下顎處10 mm)處時(shí)，裂紋開(kāi)始快速擴(kuò)展，直至斷裂。

1.2斷口掃描電鏡觀察及分析

圖2是裂紋源區(qū)域及疲勞擴(kuò)展區(qū)域形貌掃描電鏡照片。圖2(a)裂紋源區(qū)域呈平坦光滑特征，源區(qū)處于焊縫平面，均勻分布有淺色區(qū)域和深色區(qū)域，擴(kuò)展區(qū)域存在疲勞輝紋。

圖1　接頭斷口宏觀形貌及金相取樣位置

圖2(b)和圖2(c)分別是圖2(a)裂紋源區(qū)淺色區(qū)域和深色區(qū)域形貌的放大照片，這2張照片顯示，斷口區(qū)域形貌均為解理+韌窩+未焊合平面的復(fù)合斷口特征。圖2(b)和圖2(c)都存在未焊合現(xiàn)象，平面斷口特征明顯;深色區(qū)域未焊合比例大于淺色區(qū)域，淺色區(qū)域未焊合比例30%左右，深色區(qū)域未焊合比例70%左右。經(jīng)過(guò)觀察測(cè)量，未焊合區(qū)域面積約為180 mm2。圖2(d)是圖2(a)中疲勞擴(kuò)展區(qū)域放大形貌照片，疲勞輝紋較明顯，斷口有一定的互磨平特征，從斷口形貌看未發(fā)現(xiàn)未焊合特征。

圖2　裂紋源區(qū)域及疲勞擴(kuò)展區(qū)域形貌

1.3顯微組織觀察及分析

圖3是裂紋源區(qū)域與擴(kuò)展區(qū)域金相照片。從圖3(a)可以看到在裂紋源區(qū)域存在殘留裂紋，而從圖3(b)可以看到沿著裂紋向下存在灰色的夾雜物，在灰色夾雜物下邊還存在白色脫碳層。

圖3　裂紋源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)域金相

這一結(jié)果說(shuō)明裂紋源位于焊縫。焊接前軌頭表面由于打磨產(chǎn)生表面脫碳，造成含碳量下降，鐵素體含量增加，由此呈白色。另一方面，焊接前表面處理不干凈，有異物存在，焊接時(shí)夾雜物滯留在焊縫處，使得界面不能熔合，焊接末期的頂鍛使夾雜物被壓成片狀，在顯微鏡下呈線狀。

斷裂過(guò)程從裂紋源區(qū)域沿著焊縫往軌頭下部擴(kuò)展，在疲勞臺(tái)階處裂紋轉(zhuǎn)向，通過(guò)疲勞臺(tái)階往下部擴(kuò)展，在轉(zhuǎn)向位置有未熔合區(qū)域的殘余裂紋。裂紋源區(qū)域存在少量殘留夾雜物。

2　軌頭下顎裂開(kāi)

2.1宏觀觀察及分析

圖4為氣壓焊接頭傷損取樣斷口宏觀形貌及金相取樣位置示意。傷損位于焊筋邊緣軌頭下顎至軌腰部位，裂紋源在軌頭下顎焊筋根部附近，裂紋擴(kuò)展方向與焊縫中心縱斷面有一定的夾角(與裂紋擴(kuò)展的切應(yīng)力方向有關(guān))。疲勞斷口以裂紋源為起始向內(nèi)部擴(kuò)展，疲勞斷口穿透了軌腰，可以看到明顯的疲勞輝紋。A，B是金相顯微觀察面位置。

2.2斷口掃描電鏡觀察及分析

圖5為裂紋源區(qū)域形貌照片。圖5(a)在裂紋擴(kuò)展初期出現(xiàn)放射狀疲勞輝紋，全斷口呈現(xiàn)疲勞斷口特征，疲勞擴(kuò)展區(qū)域由于裂開(kāi)的兩邊組織相互磨損而呈現(xiàn)平滑的特征。圖5(b)裂紋源區(qū)域呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷口形貌。

圖4　接頭傷損取樣斷口宏觀形貌及金相取樣位置

圖5　裂紋源區(qū)域附近形貌

圖6為裂紋源區(qū)域及母材區(qū)域能譜數(shù)據(jù)。裂紋源處能譜與母材區(qū)域能譜相比較，沒(méi)有夾雜物元素存在，Mn元素含量正常，C元素含量偏低，這是因?yàn)楹缚p表面推瘤脫碳造成的。

圖6　裂紋源區(qū)域及母材區(qū)域能譜數(shù)據(jù)

2.3顯微組織觀察及分析

圖7為裂紋源及附近區(qū)域金相照片。從圖7(a)可以看到，A試樣焊筋根部裂紋源處整個(gè)V型部位脫碳嚴(yán)重。從圖7(b)可以看到，A試樣焊筋根部起裂部位有2次裂紋，與裂紋擴(kuò)展方向不在同一平面。從圖7(c)和圖7(d)可以看到，B試樣裂紋源及附近區(qū)域有表面脫碳現(xiàn)象，組織均勻細(xì)小，未見(jiàn)夾雜缺陷，未見(jiàn)異常組織;裂紋源處脫碳嚴(yán)重，脫碳深度0.6 mm左右，附近區(qū)域脫碳深度＜0.3 mm。

圖7　裂紋源及附近區(qū)域金相

3　接頭傷損原因及對(duì)策分析

3.1軌頭焊縫裂開(kāi)

未焊合是鋼軌氣壓焊的一種常見(jiàn)缺陷。產(chǎn)生未焊合的主要原因有:①焊前鋼軌端面不清潔或被污染。端面不清潔是由于打磨層太薄，污物沒(méi)有去除干凈;端面污染是由于焊前操作不當(dāng)及待焊時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，或是由于鋼軌端面軌縫大，加熱過(guò)程中被污染。②火焰不正常造成局部溫度過(guò)低，或加熱器擺放不正造成火焰偏燒、焊縫升溫不均勻。③加熱器擺動(dòng)量、頂鍛量、加熱時(shí)間未滿足工藝要求。

就本案例來(lái)看，主要有以下可能:①焊接端面砂輪打磨過(guò)猛。由于在焊接端面發(fā)現(xiàn)有表面脫碳現(xiàn)象，說(shuō)明焊接端面在進(jìn)行表面打磨時(shí)的進(jìn)刀量過(guò)大，砂輪對(duì)鋼軌表面的壓力過(guò)大，導(dǎo)致表面溫度上升過(guò)高，出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象;②用銼刀打磨鋼軌端面，沒(méi)有有效磨到整個(gè)端面，以至于在軌頭中心部位還有較大面積沒(méi)有銼到。當(dāng)然，對(duì)于PG4熱處理鋼軌來(lái)說(shuō)，軌頭硬度太高，用銼刀打磨有相當(dāng)大困難;③表面處理不凈。由于在焊接界面發(fā)現(xiàn)夾雜物，說(shuō)明在焊接前界面已經(jīng)存在異物，使得界面相互隔離，根本無(wú)法達(dá)到焊接要求，加溫和頂鍛都無(wú)法焊合;④軌頭火焰強(qiáng)度不足。由于軌頭火焰強(qiáng)度不足，造成軌頭中心部位加熱溫度不足，未達(dá)到焊接要求，所以頂鍛不能焊合。

3.2軌頭下顎裂開(kāi)

裂紋源區(qū)域脫碳嚴(yán)重，組織中鐵素體偏多，力學(xué)性能下降(主要是屈服強(qiáng)度降低);而此處是氣壓焊焊筋根部V形部位，為應(yīng)力集中區(qū)域，大大提高了產(chǎn)生表面裂紋的機(jī)率。因此裂紋通常是在焊筋根部表面脫碳氧化嚴(yán)重區(qū)域萌生。

氣壓焊采用火焰加熱的方式，加熱器應(yīng)保證各火孔的大小和位置合理分布，使各火孔與鋼軌表面距離合適，從而在加熱過(guò)程中鋼軌不同部位能夠?qū)崿F(xiàn)同步升溫，避免不同區(qū)域存在較大的溫度差異。

軌頭下顎區(qū)域加熱器火孔偏大、火孔過(guò)密或者火孔距離鋼軌表面太近，導(dǎo)致焊接過(guò)程中該區(qū)域表面加熱溫度過(guò)高，致使該區(qū)域嚴(yán)重脫碳。經(jīng)過(guò)焊后熱處理，晶粒被細(xì)化，性能有所提升，但嚴(yán)重的脫碳導(dǎo)致該區(qū)域強(qiáng)度嚴(yán)重下降;另外，焊筋根部為V形，為應(yīng)力集中區(qū)域，在疲勞載荷的作用下，焊筋根部的嚴(yán)重脫碳區(qū)域萌生裂紋，形成疲勞源。

為此建議:①加強(qiáng)對(duì)加熱器各個(gè)部位加熱溫度的測(cè)試或觀察，標(biāo)定合格后再進(jìn)行焊接;②如出現(xiàn)局部溫度過(guò)高現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)將焊筋磨平，消除應(yīng)力集中區(qū)域;③加強(qiáng)操作人員焊接技能培訓(xùn)。

4　結(jié)論

1)鋼軌接頭的軌頭焊縫裂開(kāi)的主要原因是軌頭下部存在大面積的未焊合缺陷，存在韌窩斷口形貌，裂紋最早形成于軌頭中下部的弧線附近，形成疲勞源，快速向軌頭和軌腰擴(kuò)展，直至裂開(kāi)。

2)未焊合情況的出現(xiàn)，主要原因有以下幾種可能:焊接端面砂輪打磨過(guò)猛;用銼刀打磨鋼軌端面，沒(méi)有有效磨到整個(gè)端面，以至于在軌頭中心部位還有較大面積沒(méi)有銼到，對(duì)于PG4熱處理鋼軌來(lái)說(shuō)，軌頭硬度太高，用銼刀打磨有相當(dāng)大困難;表面處理不凈，焊接前界面已經(jīng)存在異物，使得界面相互隔離，根本無(wú)法達(dá)到焊接要求，加溫和頂鍛都無(wú)法焊合;軌頭火焰強(qiáng)度不足，造成軌頭中心部位加熱溫度不足，未達(dá)到焊接要求，所以頂鍛不能焊合。

3)接頭的軌頭下顎裂開(kāi)的裂紋通常是在焊筋根部表面脫碳氧化嚴(yán)重區(qū)域萌生，主要原因是裂紋源區(qū)域脫碳嚴(yán)重，組織中鐵素體偏多，導(dǎo)致力學(xué)性能下降(主要是屈服強(qiáng)度降低);而此處亦為氣壓焊焊筋根部V形部位，為應(yīng)力集中區(qū)域，因此大大提高了產(chǎn)生表面裂紋的機(jī)率。

4)接頭斷面某部位由于過(guò)熱現(xiàn)象易形成傷損源，建議加強(qiáng)對(duì)加熱器各部位加熱溫度的測(cè)試或觀察，標(biāo)定合格后再進(jìn)行焊接;如出現(xiàn)局部過(guò)熱現(xiàn)象，應(yīng)將焊筋磨平，消除應(yīng)力集中區(qū)域;加強(qiáng)操作人員焊接技能培訓(xùn)。

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(責(zé)任審編 周彥彥)

Damage Analysis of Gas Pressure Welding Rail Joints of Heavy Haul Railway and Its Prevention Countermeasures

LI Jinhua，LI Li，DING Wei，HU Yutang
(Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Based on the dam age conditions of gas pressure welding rail joints on the site，this paper described and analyzed the two typical cases of rupture，which occurred on the welding line and the chin of railhead on heavy haul railway．Lacks of bond on heavy haul railway and oxidation decarburization caused by local overheating on full section are comm on failure reasons of welding joints．The verticality and smooth of cross sections for welding，and conditions of heater pores have greater impacts on the quality of joints．Based on different reasons of dam age，new preventive counterm easures are put forward to improve the effect of gas pressure welding joints on the site．

Heavy haul railway;Gas pressure welding;Lack of bond;Dam age analysis

U213．4+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．33

1003-1995(2016)11-0124-05

2016-05-30;

2016-08-07

李金華(1987—)，男，助理研究員，碩士。