列車支撐轉(zhuǎn)轍機(jī)彎板開裂失效分析

戴開明

（中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)江山重工研究院有限公司，湖北襄陽(yáng) 441057）

轉(zhuǎn)轍機(jī)是軌道交通的岔道轉(zhuǎn)換與閉鎖的信號(hào)傳輸設(shè)備，在軌道交通之中發(fā)揮重要的作用。轉(zhuǎn)轍機(jī)為軌道交通通行提供有力的保障，保證車輛行駛的安全，提高車輛運(yùn)輸效率具有重要意義。隨著我國(guó)鐵路向高速、重載方向發(fā)展，道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)所受的沖擊震動(dòng)越來(lái)越大；而目前國(guó)內(nèi)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的安裝托板采用的是懸臂梁結(jié)構(gòu)，其中固定端安裝在線路鋼軌上，懸臂端上安裝著轉(zhuǎn)轍機(jī)；當(dāng)固定端由于火車的沖擊產(chǎn)生震動(dòng)時(shí)，其懸臂端在轉(zhuǎn)轍機(jī)重量和托板彈性的共同作用下，會(huì)產(chǎn)生更大的震動(dòng)，使轉(zhuǎn)轍機(jī)的可靠性下降，嚴(yán)重危及行車安全。

支撐轉(zhuǎn)轍機(jī)彎板（見圖1）作為外鎖閉安裝裝置，主要起支撐轉(zhuǎn)轍機(jī)的作用，降低列車通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)的沖擊、振動(dòng)，加強(qiáng)轉(zhuǎn)轍機(jī)的工作穩(wěn)定性，保持轉(zhuǎn)轍機(jī)與基本軌相對(duì)距離穩(wěn)定，提高轉(zhuǎn)轍機(jī)使用壽命。因此，支撐轉(zhuǎn)轍機(jī)彎板的可靠性很大程度決定了轉(zhuǎn)轍機(jī)的安全性，將影響到整個(gè)運(yùn)作體系的正常生產(chǎn)，嚴(yán)重時(shí)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。近年，某鐵路段列車支撐轉(zhuǎn)轍機(jī)彎板服役過(guò)程中出現(xiàn)批量開裂情況。該型彎板采用雙筋板焊接結(jié)構(gòu)，開裂焊縫位于筋板的短豎焊縫處。該型彎板從2006 年開始上道使用，未出現(xiàn)焊縫批量開裂情況。雙筋板焊接結(jié)構(gòu)彎板最早使用于1999 年，也未出現(xiàn)焊縫批量開裂情況。發(fā)生焊縫開裂的彎板供貨時(shí)間是2018 年底至2019 年初，2019 年開通使用。

圖1 彎板結(jié)構(gòu)及實(shí)際安裝圖

故對(duì)雙筋板產(chǎn)生裂紋的原因進(jìn)行分析至關(guān)重要。為查明列車支撐轉(zhuǎn)轍機(jī)彎板斷裂的原因，以便采取措施避免類似失效再次發(fā)生，筆者對(duì)斷裂的彎板進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，并提出了可行的預(yù)防措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀分析

通過(guò)對(duì)從鐵路現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)回的、已開裂的彎板（見圖2）進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，上筋板短豎焊縫開裂居多，下筋板短豎焊縫開裂較少，且開裂均始于短豎焊縫上下端。彎板板材厚度為16mm，短豎焊縫設(shè)計(jì)為雙向4mm 坡口角焊縫，鈍邊為8mm，未要求全焊透。

圖2 短豎焊縫開裂形貌

選取開裂比例較大的兩個(gè)供貨商生產(chǎn)的、在道上已經(jīng)開裂的彎板分別取樣進(jìn)行焊縫低倍檢查、裂紋分析及斷口分析；為了方便描述將所選取的兩個(gè)供貨商樣品分別編號(hào)為1#、2#，1#為左彎板（見圖3a），2#為右彎板（見圖3b）。1#其中一個(gè)短豎焊縫開裂較長(zhǎng)，人工打開觀察斷口形貌，其余用來(lái)進(jìn)行宏觀分析。

將彎板短豎焊縫沿垂直焊縫方向剖開，進(jìn)行熱酸蝕低倍檢查。檢查發(fā)現(xiàn)1#、2#均存在焊接氣孔、夾渣及根部未焊透現(xiàn)象，母材具有一定的帶狀偏析及分層現(xiàn)象，見圖3c、3d，1#兩個(gè)焊縫與彎板基板的熔深約為0.5mm 及1mm；2#兩個(gè)焊縫與彎板基板的熔深約為1mm 及2mm。

圖3 1#、2#試樣及其短豎焊縫剖面宏觀形貌

1.2 斷口分析

1#試樣其中一個(gè)短豎焊縫開裂較長(zhǎng)（圖4a），采用機(jī)械手段打開觀察斷口形貌（圖4b）。發(fā)現(xiàn)該焊縫存在大量氣孔及未熔合（圖4c），靠近人工打開區(qū)域可見疲勞貝紋線（圖4d），斷面局部微觀可見疲勞輝紋（圖4e），斷口最后開裂區(qū)域?yàn)轫g窩（圖4f）。

圖4 彎板焊縫斷口SEM形貌

1.3 金相分析

對(duì)1#、2#試樣焊縫處進(jìn)行金相高倍觀察。在1#焊縫熔合區(qū)可見超大單顆粒氧化物非金屬夾雜物，直徑為0.7mm（圖5a）；焊縫內(nèi)存在夾渣及焊接裂紋（圖5b）。2#試樣熔合區(qū)發(fā)現(xiàn)粗系氧化鋁類非金屬夾雜物，長(zhǎng)約345μm，寬約10μm，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定為B2e（圖5f）。1#焊縫區(qū)金相組織為索氏體+鐵素體，呈魏氏組織形態(tài)（圖5c），熱影響區(qū)組織為欠熱珠光體+鐵素體，焊縫熱影響區(qū)晶粒度為6.5 級(jí)（圖5d），母材組織為鐵素體+珠光體，母材晶粒度為8.5 級(jí)（圖5e）。2#焊縫區(qū)索氏體+鐵素體，呈魏氏組織形態(tài)（圖5g），熱影響區(qū)組織為欠熱珠光體+鐵素體，焊縫熱影響區(qū)晶粒度為7.5級(jí)（圖5h），母材組織為鐵素體+珠光體，母材晶粒度為8 級(jí)（圖5i）。

圖5 1#、2#、試樣短豎焊縫金相顯微組織

1.4 化學(xué)成分分析

按照GB/T 223-2008《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》分別對(duì)彎板的四家供貨商所用的焊絲及其中開裂的彎板母材取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1，可見試樣的化學(xué)成分均符合GB/T8110 和GB/T700 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 各彎板供貨商用材化學(xué)成分 w/%

2 分析與討論

雙筋彎板主要應(yīng)用于有砟道岔，整體板性能優(yōu)于雙筋板，其受力方向改變，受力面增大，受力為切應(yīng)力，而雙筋板焊接彎板的短豎焊縫屬于彎板工作時(shí)承受應(yīng)力最大的區(qū)域，由于長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)和承受交變拉應(yīng)力，且焊縫熔深不夠而導(dǎo)致疲勞斷裂。承受拉應(yīng)力角焊縫面斷裂后，由于振動(dòng)撕扯，導(dǎo)致壓應(yīng)力角焊縫面斷裂。

因該結(jié)構(gòu)焊接接頭承受正向拉壓應(yīng)力，焊接接頭質(zhì)量對(duì)彎板受力時(shí)的可靠性形成較大影響。通過(guò)低倍檢查、高倍觀察及斷口分析均發(fā)現(xiàn)該焊接接頭存在較嚴(yán)重焊接缺陷，開裂嚴(yán)重的焊接接頭存在大量氣孔、夾渣、焊接裂紋及未熔合，開裂略微輕微的也存在氣孔及夾渣。

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果，可以得出，彎板開裂的主要原因?yàn)槭苷龖?yīng)力的短豎焊縫焊接接頭質(zhì)量較差，存在較多焊接缺陷。存在焊接缺陷的焊接接頭在鐵路上承受較大的交變載荷作用，焊接裂紋擴(kuò)展或者萌生疲勞裂紋，進(jìn)而裂紋擴(kuò)展，發(fā)生開裂。

為了進(jìn)一步明確開裂原因，對(duì)出現(xiàn)開裂的三個(gè)供貨商進(jìn)行了必要的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)供貨商對(duì)該處焊接接頭均采用人工氣保焊，焊接工藝相對(duì)混亂。發(fā)現(xiàn)三家存在的共性問(wèn)題：一是坡口未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求開具，存在一定的隨意性，導(dǎo)致熔深不一，出現(xiàn)焊偏的現(xiàn)象。二是焊接接頭鈍邊預(yù)留的熔合縫不規(guī)范，易導(dǎo)致未熔合缺陷。三是沒(méi)有對(duì)焊縫附近區(qū)域的鐵銹及污物進(jìn)行清理打磨，從而極易引起夾渣及氣孔。個(gè)性的問(wèn)題是：個(gè)別供貨商存在與工藝不符的問(wèn)題，操作人員未按照焊接工藝執(zhí)行，存在焊接電流偏大、咬邊等問(wèn)題。這些不規(guī)范均會(huì)導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)氣孔、夾渣、焊接裂紋等焊接缺陷，大大降低接頭強(qiáng)度。

3 結(jié)論與建議

列車支撐轉(zhuǎn)轍機(jī)彎板短豎焊縫開裂主要是由于彎板長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)和承受交變拉應(yīng)力，且焊縫熔深不夠，致使沿短豎焊縫熔合線開裂而導(dǎo)致疲勞斷裂，承受拉應(yīng)力角焊縫面斷裂后，由于振動(dòng)撕扯，導(dǎo)致壓應(yīng)力角焊縫面斷裂。

建議焊接應(yīng)該在環(huán)境溫度大于等于5℃，溫度過(guò)低，焊接過(guò)程會(huì)發(fā)生冷變形，有殘余應(yīng)力，會(huì)造成使用過(guò)程中應(yīng)力集中。寒冷天氣，底板應(yīng)預(yù)熱，減少冷變形。焊接應(yīng)該在屋內(nèi)，屋外風(fēng)大氣孔會(huì)增多。加強(qiáng)焊接過(guò)程工藝控制，保證在焊縫兩側(cè)20mm 內(nèi)必須清理干凈，去除表面氧化皮和銹蝕。對(duì)于16mm 的筋板，4mm 的坡口過(guò)于小，不能焊透，建議加大坡口至7mm，進(jìn)行雙面焊，保證焊透，提高焊縫的強(qiáng)度。點(diǎn)焊時(shí)焊縫間隙加2mm 的板，焊接時(shí)去掉，可以通過(guò)多層多道工藝保證焊透。焊接時(shí)氣體比例對(duì)焊縫有影響，二氧化碳保證焊縫熔深，氬氣主要是保證表面質(zhì)量，防止氧氣進(jìn)入，造成焊縫氣孔。建議彎板出廠前進(jìn)行型式實(shí)驗(yàn)，在振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行模擬，掌握現(xiàn)場(chǎng)使用工況以及與承載負(fù)荷是否相適應(yīng)。