60 kg/m U75V鋼軌閃光焊接頭斷裂原因分析

許鑫 楊其全 鐘進(jìn)軍 呂晶 張倩 王玉婷 王雪娜

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部，上海 200071

國(guó)內(nèi)一鐵路線路60 kg/m U75V 鋼軌閃光焊接頭在服役過(guò)程中發(fā)生斷裂，斷裂的閃光焊接頭于2017年12 月在現(xiàn)場(chǎng)焊接。斷軌處為無(wú)縫有砟線路曲線上股，曲線長(zhǎng)617 m，曲線半徑800 m，超高120 mm，平坡，坡長(zhǎng)945 m。鎖定軌溫為32.4 ℃，斷軌時(shí)軌溫為19.8 ℃。斷軌時(shí)通過(guò)總質(zhì)量約為1.4 億t。斷裂閃光焊接頭處存在低塌病害，低塌達(dá)1.8 mm，造成線路空吊。為查明閃光焊接頭斷裂原因，本文對(duì)斷裂閃光焊接頭進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。

1 理化檢驗(yàn)及分析

1.1 宏觀形貌觀察

從斷裂閃光焊接頭宏觀形貌（圖1）可以看出，焊接接頭為橫向斷裂。裂紋源附近的軌底下表面可見(jiàn)白亮打磨痕跡，如圖2 所示。從耦合斷口的宏觀形貌（圖3）可以看出，斷口為典型的疲勞斷口。斷裂起源于鋼軌軌底角下表面，從軌底角外側(cè)面至腰底過(guò)渡圓弧處的弧形區(qū)域（半徑約80 mm）為慢速擴(kuò)展區(qū)和快速擴(kuò)展區(qū)。慢速擴(kuò)展區(qū)斷口平直，整個(gè)區(qū)域?yàn)楹谏?，氧化銹蝕嚴(yán)重，在慢速擴(kuò)展區(qū)內(nèi)存在一塊特殊區(qū)域，其形貌凹凸不平；快速擴(kuò)展區(qū)斷口粗糙，為淺灰色，部分銹蝕，可見(jiàn)疲勞弧線；瞬斷區(qū)為粗糙的脆性斷口。

圖1 斷裂閃光焊接頭宏觀形貌

圖2 軌底下表面裂紋源附近宏觀形貌

圖3 耦合斷口宏觀形貌

1.2 斷口掃描電鏡觀察及能譜分析

對(duì)2#斷口進(jìn)行掃描電鏡形貌觀察及能譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖4、圖5。選樣位置參見(jiàn)圖3（b）。

圖4 掃描電鏡觀察的斷口形貌

圖5 不同區(qū)域能譜分析結(jié)果

從圖4 可以看出：閃光焊接頭斷裂起源于軌底角下表面打磨區(qū)域，裂紋源附近斷口已碾壓變平；慢速擴(kuò)展區(qū)斷口已碾壓變平；宏觀斷口觀察到的特殊區(qū)域斷口為碾壓形貌，無(wú)其他異常形貌。從圖5可以看出，各區(qū)域斷口氧化銹蝕嚴(yán)重。綜上，該閃光焊接頭斷口主要表現(xiàn)為疲勞碾壓形貌特征。

1.3 顯微組織及顯微維氏硬度測(cè)試

為了觀察裂紋源區(qū)域及附近區(qū)域的顯微組織特征，制取金相試樣，取樣位置參見(jiàn)按圖3（b）。試樣經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕前后的組織形貌見(jiàn)圖6（a）、圖6（b）?？梢钥闯觯g前裂紋源附近無(wú)異常組織，浸蝕后裂紋源及其附近位置存在白層組織［圖6（c）］。觀察發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)離裂紋源的軌底下表面也存在斷續(xù)的白層組織，厚度約為0.03 mm，如圖6（d）所示，對(duì)白層組織及其附近母材組織進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試，其硬度平均值分別為766、392 HV0.1，可知裂紋源及其附近白層組織應(yīng)為馬氏體。

圖6 試樣金相組織及顯微維氏硬度（單位：HV0.1）

1.4 閃光焊接頭材質(zhì)性能檢測(cè)分析

1.4.1 母材化學(xué)成分

按 TB/T 2344—2012《43 kg/m ～ 75 kg/m 熱軋鋼軌訂貨技術(shù)條件》的要求取樣，依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測(cè)定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》進(jìn)行閃光焊接頭母材化學(xué)成分檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表1?？芍?，閃光焊接頭母材化學(xué)成分符合TB/T 2344—2012的要求。

表1 母材化學(xué)成分 %

1.4.2 焊縫晶粒度

依據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》進(jìn)行閃光焊接頭不同部位的晶粒度檢測(cè)，晶粒度照片及評(píng)級(jí)結(jié)果見(jiàn)圖7。TB/T 1632.2—2014《鋼軌焊接第2 部分：閃光焊接》對(duì)焊縫晶粒度的規(guī)定為：軌頭不應(yīng)低于8 級(jí)，軌底三角區(qū)不應(yīng)低于6 級(jí)。由圖7 可知，該焊接接頭的晶粒度滿足技術(shù)要求。

圖7 不同部位的晶粒度照片及評(píng)級(jí)結(jié)果

1.4.3 熱影響區(qū)形貌

鋼軌經(jīng)閃光焊焊接后，焊縫區(qū)域脆性增大，影響無(wú)縫線路的使用性能和壽命，須進(jìn)行焊后熱處理［1］。一般閃光焊接頭原焊接熱影響區(qū)寬度在20 ～40 mm，呈長(zhǎng)條形，如圖8（a）所示。為細(xì)化焊縫晶粒進(jìn)行焊后熱處理，熱處理后的熱影響區(qū)寬度一般在60 ～90 mm，為花瓶狀。按照TB/T 1632.2—2014，對(duì)閃光焊接頭縱斷面試樣用5%硝酸酒精進(jìn)行腐蝕，可清晰觀察到焊縫及焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)與母材的交界線，如圖8（b）所示?？梢?jiàn)，該閃光焊接頭的焊后熱處理正常。

圖8 焊后熱處理前后焊接熱影響區(qū)宏觀形貌

2 原因分析與討論

閃光焊接頭發(fā)生起源于軌底的橫向斷裂，主要原因包括：①軌底存在銹蝕坑引起應(yīng)力集中發(fā)生斷裂；②軌底存在推凸飛邊等應(yīng)力集中缺陷；③焊接接頭內(nèi)部存在缺陷，如未焊合、焊后熱處理不當(dāng)產(chǎn)生粗晶組織等；④出現(xiàn)馬氏體等導(dǎo)致鋼軌強(qiáng)韌性降低的組織，如焊接過(guò)程中電極灼傷，砂輪打磨不當(dāng)形成打磨灼傷等；⑤使用不當(dāng)造成閃光焊接頭發(fā)生非正常斷裂［2-3］。

所檢測(cè)的閃光焊接頭在線路使用近一年半時(shí)間發(fā)生斷裂，宏觀形貌結(jié)果表明其表面輕微銹蝕，裂紋源及軌底附近未見(jiàn)銹蝕坑、推凸飛邊等，因此排除銹蝕或推凸飛邊引起斷裂的可能。斷口掃描電鏡微觀形貌未見(jiàn)未焊合缺陷，閃光焊接頭的焊后熱處理正常，焊縫晶粒度結(jié)果滿足技術(shù)要求，未見(jiàn)粗晶組織，因此也可排除焊接接頭內(nèi)部缺陷的可能。

在役鋼軌軌底斷面承受的應(yīng)力主要有動(dòng)彎應(yīng)力、鋼軌不平順引起的沖擊應(yīng)力、長(zhǎng)軌條的溫度拉應(yīng)力和鋼軌殘余應(yīng)力等［4］。當(dāng)上述應(yīng)力的合力（彎曲拉應(yīng)力）達(dá)到或接近鋼軌的彎曲疲勞強(qiáng)度極限時(shí)，在受拉應(yīng)力較大的缺陷處萌生疲勞裂紋并擴(kuò)展。所檢測(cè)的閃光焊接頭軌底下表面裂紋源及其附近位置存在白層馬氏體組織，馬氏體的存在會(huì)降低鋼軌疲勞強(qiáng)度，且斷軌附近存在低塌病害，增大了閃光焊接頭的受力［5］。在彎曲拉應(yīng)力作用下，裂紋由馬氏體組織處萌生并擴(kuò)展最終導(dǎo)致閃光焊接頭橫向疲勞斷裂。因此，軌底下表面出現(xiàn)馬氏體是導(dǎo)致閃光焊接頭斷裂的主要原因。

鋼軌材料屬于高碳鋼，產(chǎn)生的馬氏體組織為硬度高、韌性差的高碳馬氏體組織。馬氏體組織的存在使鋼軌結(jié)構(gòu)脆化以及韌性變差，導(dǎo)致鋼軌承受載荷及沖擊的能力下降，壽命縮短，在應(yīng)力作用下極易萌生疲勞裂紋并引起鋼軌斷裂，影響線路行車(chē)安全［6-7］。

鋼軌現(xiàn)場(chǎng)閃光焊的工藝流程主要包括三個(gè)步驟：焊前檢查預(yù)處理→鋼軌焊接→焊后處理［8］。其中鋼軌焊接過(guò)程中，如果鋼軌與焊機(jī)電極接觸不良會(huì)產(chǎn)生電極灼傷，而焊后處理會(huì)對(duì)閃光焊接頭進(jìn)行粗打磨、精磨，如果打磨不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生打磨灼傷。電極灼傷和打磨灼傷都會(huì)在鋼軌表面局部形成硬而脆的馬氏體組織，區(qū)別在于電極灼傷會(huì)在鋼軌表面形成明顯的凹坑。由于該閃光焊接頭裂紋源及附近未觀察到凹坑形貌，但可以觀察到明顯打磨痕跡，可見(jiàn)軌底下表面的馬氏體是打磨不當(dāng)產(chǎn)生的。

砂輪打磨鋼軌時(shí)，一次打磨量過(guò)大會(huì)造成鋼軌表面產(chǎn)生局部高溫。當(dāng)其超過(guò)該鋼材的臨界轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，就會(huì)使材料處發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，然后通過(guò)鋼軌自身的熱傳導(dǎo)快速冷卻，從而產(chǎn)生馬氏體組織［8-9］。所檢測(cè)的閃光焊接頭的焊接時(shí)間正值冬季，環(huán)境溫度和軌溫都較低，進(jìn)一步加速了鋼軌打磨后局部溫度的降低，促進(jìn)了馬氏體的形成。

觀察閃光焊接頭軌底下表面打磨痕跡特征，僅在裂紋源附近局部有打磨痕跡。究其原因，可能是在焊后處理進(jìn)行探傷檢查和外觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)該位置有傷損或尺寸不合格，使用手砂輪進(jìn)行局部打磨，打磨量過(guò)大造成軌底局部產(chǎn)生高溫，形成了馬氏體組織。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)斷裂60 kg/m U75V 鋼軌閃光焊接頭進(jìn)行了宏觀形貌觀察、斷口掃描電鏡觀察及能譜分析、顯微組織觀察和材質(zhì)分析試驗(yàn)，并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果分析了斷裂原因。認(rèn)為閃光焊接頭軌底下表面因打磨不當(dāng)產(chǎn)生了馬氏體組織，服役過(guò)程中在彎曲拉應(yīng)力作用下由馬氏體組織處萌生裂紋并疲勞擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了焊接接頭橫向斷裂。建議焊接施工人員總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，用打磨方式清除焊縫表面缺陷時(shí)控制好單次打磨量，避免打磨工藝不當(dāng)造成打磨灼傷，進(jìn)而產(chǎn)生馬氏體這類(lèi)有害組織。