重載鐵路U78CrVH鋼軌閃光焊接頭軌頭核傷缺陷分析

王東 涂占寬 彭鵬 李昕淼 譚錦紅，3 李金華

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所， 北京 100086； 2.大秦鐵路股份有限公司 太原工務機械段，山西 晉中 030600； 3.華南理工大學， 廣州 510641

重載鐵路軸重大，運量大，單列最大載重大［1］，對軌道結(jié)構特別是鋼軌性能要求很高。U78CrV 熱處理（U78CrVH）鋼軌是國內(nèi)成功研發(fā)的高強高耐磨鋼軌，廣泛應用于重載鐵路和小半徑曲線線路［2］。

輪軌接觸時，作用在鋼軌頂面的力主要是接觸應力。當接觸應力超過鋼軌的接觸疲勞強度時，鋼軌的軌頭表面會產(chǎn)生接觸疲勞傷損，如剝離裂紋、掉塊等。同時，輪軌接觸時鋼軌軌頭接觸法向力和接觸切向力共同作用，在軌頭表面至內(nèi)部產(chǎn)生與鋼軌長度方向成45°角的接觸剪應力。輪軌接觸最大剪應力分布區(qū)域在軌頭內(nèi)部踏面以下5 ～ 13 mm［3］。重載鐵路由于載重大的特點，作用在鋼軌上的接觸應力和接觸剪應力更大，從力學的角度而言，鋼軌表面更容易出現(xiàn)剝離裂紋、掉塊等傷損。當鋼軌內(nèi)部存在夾雜物或有害組織時，更容易萌生出疲勞裂紋，疲勞裂紋發(fā)展到一定階段，裂紋會轉(zhuǎn)向橫向擴展，從而形成軌頭大面積疲勞裂紋。重載鐵路閃光焊接頭軌頭核傷一般是由焊縫灰斑夾雜、疏松、存在馬氏體有害組織等內(nèi)部缺陷導致的，在焊接生產(chǎn)中應引起重視。

一重載鐵路區(qū)段鋪設了U78CrVH 鋼軌，服役半年左右，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)多個閃光焊接頭軌頭探傷存在反射回波超標的問題，出波位置基本相同，懷疑軌頭存在核傷缺陷。本文針對其中一個傷損接頭進行分析，找到出現(xiàn)傷波的原因并提出改進建議。

1 宏觀形貌

從反射回波超標的U78CrVH 鋼軌閃光焊接頭中隨機選取一個作為研究對象。樣品頂面經(jīng)車輪碾壓后存在一定的磨耗，在軌距角附近存在魚鱗狀裂紋和輕微輾邊，落錘試驗錘斷后發(fā)現(xiàn)軌頭斷口存在核傷疲勞形貌，見圖1。由于疲勞裂紋未擴展到鋼軌表面，內(nèi)部裂紋沒有受到氧化腐蝕作用，疲勞裂紋源的斷口具有金屬光澤，稱為白核［4］。疲勞斷口中的疲勞弧線是在鋼軌接頭服役過程中形成的。瞬斷區(qū)斷口是接頭在落錘試驗中受到落錘沖擊力折斷而形成的。疲勞裂紋源距軌頂面13 mm，距鋼軌斷面對稱軸約5 mm。疲勞斷口垂向長約45 mm，橫向長約53 mm。

圖1 樣品宏觀形貌

2 試驗分析

2.1 斷口電鏡觀察

對核傷疲勞斷口進行電鏡觀察，見圖2?？梢钥闯觯弘婄R下疲勞裂紋源長3.1 mm，寬0.8 mm，呈黑色團狀，內(nèi)部有白色夾雜物，疲勞擴展區(qū)呈暗黑色。

圖2 核傷疲勞斷口電鏡觀察結(jié)果

對白色夾雜物的化學成分進行能譜測試，并與基體的化學成分進行對比，見圖3?？芍喊咨珚A雜物中氧、錳、硅三種元素明顯偏高，質(zhì)量百分比分別為35.67%、30.01%、26.07%，而原本應該占主要成分的鐵元素只占5.66%；基體中鐵元素質(zhì)量百分比最高（90.19%），含有少量氧元素（4.13%），錳、硅元素含量略高，分別為1.50%、2.34%。

圖3 白色夾雜物及基體的能譜分析

電鏡觀察時，在疲勞斷口裂紋源連接處發(fā)現(xiàn)橫向擴展裂紋，見圖4（a）、圖4（b）。對該橫向擴展裂紋進行能譜成分測試，見圖4（c）。可知：鐵元素質(zhì)量百分比為96.33%，未發(fā)現(xiàn)其他元素含量異常。

圖4 裂紋源連接處橫向疲勞裂紋及能譜分析

2.2 金相顯微觀察

對軌頭疲勞斷口進行取樣磨制，取樣的位置參見圖1（c）中的紅色虛線，金相磨面見圖5。可以看出，疲勞裂紋源與焊縫熔合線基本在同一斷面上。金相顯微觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂邊緣的疲勞裂紋源完全處于焊縫的網(wǎng)狀鐵素體上，在焊縫白色網(wǎng)狀鐵素體周圍發(fā)現(xiàn)異常黑色夾雜物，見圖6?？梢钥闯觯汉缚p和熱影響區(qū)組織均為珠光體和少量鐵素體，未發(fā)現(xiàn)馬氏體等有害組織；焊縫晶粒度良好，軌頭焊縫晶粒度可達到9級。

圖5 斷口金相磨面

2.3 金相面電鏡觀察

為了明確金相中黑色夾雜物的化學成分，對金相面進行電鏡觀察和能譜測試。電鏡觀察下的金相面形貌見圖7（a）?？梢钥闯觯缚p熔合線頂部為裂紋源的位置。對該處進行200 倍放大觀察，發(fā)現(xiàn)焊縫熔合線上存在黑色斑點夾雜物，見圖7（b）。進一步放大觀察確認了異常夾雜物的存在［圖7（c）］，其邊界尖銳，和周圍正常組織及晶粒的顏色、形狀有明顯不同，小粒狀夾雜物較多分布在晶粒晶界處，較大塊狀夾雜物覆蓋多個晶粒并伴隨細長尾部連接。對黑色夾雜物進行能譜分析，見圖7（d）?？芍?，黑色夾雜物中氧、硅、錳三種元素的含量異常偏高，質(zhì)量百分比分別為39.74%、21.95%、19.66%。

綜合以上分析可以確定，取樣前電鏡觀察的疲勞斷口裂紋源就是金相磨面焊縫熔合線上的夾雜物，該夾雜物屬于硅錳氧化物或者硅酸鹽的灰斑夾雜，是閃光焊中常見的焊接缺陷。在閃光焊頂鍛前的燒化階段，鋼軌端面間的過梁爆破連續(xù)而激烈，其作用是產(chǎn)生大量煙氣作為保護性氣氛［5］，阻止空氣中的氧氣進入焊接接口與高溫的熔融金屬發(fā)生反應生成氧化物或者硅酸鹽夾雜物。如果生成了含氧夾雜物，后續(xù)的頂鍛力在把液態(tài)金屬擠出的過程中可能會把含氧夾雜物一并帶出，但是這種擠出作用比較有限，與夾雜物出現(xiàn)的位置、大小以及頂鍛力大小都有關系。本文中的焊縫灰斑夾雜出現(xiàn)在軌頭內(nèi)部（踏面往下13 mm處），不易在頂鍛階段擠出。因此，在調(diào)試焊接工藝參數(shù)時，應關注頂鍛前閃光燒化階段工藝參數(shù)的合理性。

閃光焊灰斑缺陷屬于平面狀缺陷，是含氧、硅、錳等元素的夾雜物?；野叽嬖谟陂W光焊焊縫斷口中，與周邊金屬存在明顯界限。超聲波探傷檢測有自發(fā)自收單探頭掃查和一發(fā)一收雙探頭掃查兩種方式，其中雙探頭掃查針對的就是平面狀缺陷。在生產(chǎn)中，可以針對重載鐵路閃光焊接頭軌頭特定部位加強探傷，如提高探傷靈敏度、重點部位重點掃查等，提高傷損接頭檢出率。

2.4 鋼軌母材檢驗

2.4.1 母材化學成分

在軌頭核傷附近母材取樣測試了C、Si、Mn、P、S、Cr、V、Al八種化學元素的含量。測試采用ARL4460真空直讀光譜儀。檢測方法依照國家標準GB/ T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，判定標準依照鐵道行業(yè)標準TB/ T 2344.1—2020《鋼軌 第1部分：43 kg/m ～75 kg/m 鋼軌》的要求。檢測結(jié)果符合標準要求，見表1。

表1 母材化學成分測試

2.4.2 母材夾雜物

對金相磨面（參見圖5）上檢驗母材夾雜物情況，檢驗方法和評級按照國家標準GB/ T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》。觀察發(fā)現(xiàn)了較多的A 類硫化物類夾雜物，部分惡劣視場的夾雜物級別已經(jīng)超過2.5級，見圖8。

圖8 金相面母材夾雜物情況

TB/ T 2344.1—2020 中對非金屬夾雜物的要求是A 類夾雜物不大于2.5 級（取樣部位：在鋼軌頭部距軌頂面10 ～ 15 mm 縱向切取；檢查面應平行于軌頂面且居中，面積不小于200 mm2）。在出現(xiàn)焊縫灰斑夾雜附近的母材上發(fā)現(xiàn)較多的A 類夾雜物（主要是MnS），可能會導致在閃光焊接過程中低熔點的夾雜物聚集在焊縫液態(tài)金屬的局部區(qū)域，相比于鐵元素基體，夾雜物的親氧性更強，更容易產(chǎn)生氧化物或者硅酸鹽類反應物。反應生成的含氧夾雜物硬而脆，如果沒有被閃光出去或者頂鍛擠出，而是封閉在焊縫當中，會破壞焊縫組織的連續(xù)性，從而降低焊縫的綜合力學性能。

3 結(jié)論與建議

1）引起重載鐵路U78CrVH 鋼軌閃光焊接頭探傷軌頭反射回波超標的原因是接頭存在軌頭核傷，核傷裂紋源出現(xiàn)在焊縫中心并存在大量的O、Si、Mn 等元素的灰斑夾雜。

2）核傷裂紋源連接處存在橫向擴展裂紋，表明接頭在服役過程中，在車輪循環(huán)載荷作用下，焊縫灰斑夾雜的區(qū)域首先成為裂紋源并逐漸橫向擴展，最終導致軌頭出現(xiàn)大面積核傷疲勞裂紋。

3）在軌頭核傷附近鋼軌母材中A 類夾雜物較多，可能與閃光焊接過程中焊縫灰斑的形成有關，兩者的相關性有待深入研究。

4）建議改進焊接工藝參數(shù)，提高頂鍛前閃光燒化階段參數(shù)的合理性，減少軌頭焊縫灰斑的產(chǎn)生。

5）建議提高探傷檢測技術，針對重載鐵路閃光焊接頭軌頭部位尤其是輪軌最大接觸剪應力范圍（踏面往下5 ～ 13 mm）加強探傷檢查，及時發(fā)現(xiàn)存在焊接缺陷的接頭。