丁 韋，張憲良，趙 國(guó)，宋宏圖

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081;2.北京鐵路局 工務(wù)機(jī)械段，北京 102206)

鋼軌閃光焊接頭過(guò)熱區(qū)缺陷的形成機(jī)理及預(yù)防方法

丁 韋1，張憲良2，趙 國(guó)1，宋宏圖1

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081;2.北京鐵路局 工務(wù)機(jī)械段，北京 102206)

對(duì)鋼軌閃光焊接頭軌底過(guò)熱區(qū)出現(xiàn)的微裂紋缺陷的形成和擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了分析，并結(jié)合相關(guān)疲勞試驗(yàn)及斷口掃描，證明裂紋缺陷與鋼軌母材帶狀組織中的MnS夾雜物有關(guān)。MnS夾雜物沿著帶狀組織縱向?qū)訝罘植?，弱化帶狀組織垂直方向的強(qiáng)度。焊接加熱使得其強(qiáng)度進(jìn)一步下降。焊接末期的頂鍛和推凸使得帶狀組織沿垂直方向承受較強(qiáng)的剪切應(yīng)力，當(dāng)剪切應(yīng)力值超過(guò)帶狀組織垂直方向的強(qiáng)度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)微小裂紋。存在這類裂紋的落錘斷口特征是在裂紋源區(qū)宏觀斷口可觀察到微小裂紋及空洞?？刂圃撊毕莓a(chǎn)生的方法是減小母材成分偏析和提高推凸時(shí)的接頭溫度。

鋼軌 閃光焊 過(guò)熱區(qū)裂紋 預(yù)防方法

1 概述

鋼軌閃光焊接頭質(zhì)量穩(wěn)定，是鋼軌焊接最為可靠的方法。目前國(guó)內(nèi)外鋼軌閃光焊接頭占據(jù)了絕大多數(shù)。我國(guó)目前鐵路及城市軌道交通中閃光焊接的比例超過(guò)了90%，并且焊接接頭的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也是全世界最為嚴(yán)格的。閃光焊接頭落錘檢驗(yàn)是其中最有代表性的項(xiàng)目。60 kg/m鋼軌閃光焊接頭的落錘檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為: 1 t質(zhì)量錘從5.2或3.1 m高處落下，砸向跨度1 m長(zhǎng)、接頭居中放置的鋼軌的焊接接頭，每根接頭1錘(5.2 m)或2錘(3.1 m)不斷為合格，并要求連續(xù)25根(移動(dòng)閃光焊為15根)不斷。由于此標(biāo)準(zhǔn)十分嚴(yán)格，試驗(yàn)經(jīng)常需要用到幾十根或幾百根鋼軌。當(dāng)焊接工藝參數(shù)調(diào)整良好時(shí)，接頭可承受3錘以上的沖擊。

落錘檢驗(yàn)中的不合格斷口多數(shù)情況下存在灰斑，并且斷裂明顯起源于灰斑。由此認(rèn)為，灰斑是造成落錘斷裂的主要原因。調(diào)整焊接工藝參數(shù)，控制落錘灰斑是鐵路行業(yè)內(nèi)一貫的做法［1-2］。但也有少量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)一些接頭1錘斷裂的斷口沒(méi)有灰斑。雖然這類斷裂的接頭并不多見(jiàn)，但其形成原因卻不清楚。本文對(duì)該類斷裂接頭進(jìn)行了較為詳細(xì)的試驗(yàn)和分析。

資料顯示，鋼軌中的合金成分偏析對(duì)接頭質(zhì)量有著重要影響。當(dāng)前國(guó)內(nèi)廣泛使用的鋼軌，如U71Mn或 U75V鋼軌，均含有 1%左右的合金 Mn。尤其是U71Mn，其 Mn的含量更高。作為有效的鋼軌強(qiáng)化元素，鋼軌中的Mn不可缺少，但Mn也是較為容易形成偏析的元素，在鋼軌當(dāng)中往往也是形成脆性金屬顯微組織、非金屬夾雜物缺陷的原因。文獻(xiàn)［3］認(rèn)為，U71Mn鋼軌中Mn偏析容易導(dǎo)致鋼軌在熱處理時(shí)出現(xiàn)馬氏體組織缺陷。文獻(xiàn)［4］在對(duì)U76NbRE鋼軌閃光焊接頭失效進(jìn)行分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于Mn偏析的存在導(dǎo)致接頭熱處理后出現(xiàn)馬氏體，最終導(dǎo)致鋼軌斷裂。文獻(xiàn)［5］針對(duì)起重軌焊接接頭不能通過(guò)落錘檢驗(yàn)的問(wèn)題，對(duì)鋼軌母材和焊接接頭成分進(jìn)行試驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)MnS等夾雜物含量增加明顯降低了落錘抗斷能力。文獻(xiàn)［6］通過(guò)對(duì)貝氏體鋼軌閃光焊接過(guò)熱區(qū)缺陷進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，過(guò)熱區(qū)裂紋、馬氏體和非金屬夾雜物等缺陷均與Mn，S等成分的偏析有關(guān)。

焊接工藝不當(dāng)對(duì)于缺陷的產(chǎn)生也會(huì)起到一定作用。文獻(xiàn)［7］介紹了U75V鋼軌閃光焊由于從頂鍛完成到推凸的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)(達(dá)到50 s以上)，接頭溫度較低，塑性較差，從而導(dǎo)致部分接頭出現(xiàn)開(kāi)裂。此外，焊接熱輸入也會(huì)影響焊后推凸時(shí)鋼軌焊接接頭溫度，從而影響裂紋的產(chǎn)生。

2 閃光焊接頭裂紋宏觀特征

圖1為60 kg/m的U71Mn鋼軌落錘試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的不合格接頭。由圖1(a)可以初步看出一次裂紋是沿著焊筋中部由底部向上延伸的，據(jù)此推測(cè)裂紋源在軌底焊縫或焊接過(guò)熱區(qū)形成，并沿著焊縫或焊接過(guò)熱區(qū)擴(kuò)展。圖1(b)為鋼軌閃光焊接頭落錘試驗(yàn)裂紋擴(kuò)展的示意圖。落錘裂紋從軌底擴(kuò)展到軌頭下顎后方向發(fā)生改變，生成二次裂紋。

圖1 60 kg/m的U71Mn鋼軌閃光焊落錘試驗(yàn)不合格接頭

圖2為落錘試驗(yàn)斷口形貌。由圖2(a)可以看出，裂紋源位于軌底中部的缺陷處，放大后(見(jiàn)圖2(b))可以看出，缺陷由裂紋構(gòu)成，由于呈不規(guī)則裂開(kāi)，形成了微小的空洞，看上去有點(diǎn)像疏松。裂紋形成后呈放射狀向上和向兩端擴(kuò)展，從而引起整個(gè)接頭斷裂。有兩點(diǎn)值得注意:①斷口形貌顯示，右邊軌腳處有少量灰斑，其他地方并沒(méi)有看到灰斑;②在裂紋源及其擴(kuò)展區(qū)周圍并沒(méi)有看見(jiàn)類似灰斑的缺陷。由這兩點(diǎn)推測(cè)，斷裂是由于不在焊縫的微裂紋引起，擴(kuò)展也主要不是沿焊縫進(jìn)行。而圖1表明，斷裂擴(kuò)展是沿著推凸余量(焊筋)的中部進(jìn)行的，由此推斷裂紋沿焊縫較近的熱影響區(qū)形成和擴(kuò)展。

圖2 落錘試驗(yàn)斷口形貌

3 閃光焊接頭裂紋微觀特征

圖3為軌底焊接過(guò)熱區(qū)裂紋源部位。圖3(a)對(duì)應(yīng)于圖2(a)中發(fā)現(xiàn)裂紋源的地方，其取樣方向與圖1(b)一致，并取自于軌底斷口的左側(cè)。圖中右邊為落錘試驗(yàn)的斷裂面，下邊為軌底推凸表面，圖中從右上到左下顏色較淺的彎曲帶為焊縫，焊縫左邊近區(qū)的黑色部分為裂紋，裂紋的方向垂直于焊縫。圖3(b)為焊縫近區(qū)典型裂紋特征，裂紋同樣位于焊縫的左邊，并垂直于焊縫。由于圖3(a)的裂紋1和圖3(b)的裂紋2與右邊的斷裂面沒(méi)有連接，由此也說(shuō)明裂紋形成于落錘試驗(yàn)前，由推凸變形造成。圖3(c)也是焊縫左側(cè)裂紋，值得注意的是裂紋在斷裂面一側(cè)(即右邊的斷裂面)有明顯張開(kāi)的痕跡。落錘裂紋形成及擴(kuò)展部位如圖4所示。

圖3 軌底焊接過(guò)熱區(qū)裂紋源部位

圖4 落錘裂紋形成及擴(kuò)展部位

4 裂紋源形成機(jī)理

4.1 接頭帶狀組織流向

鋼軌在軋制過(guò)程中合金成分或金屬顯微組織會(huì)沿著軋制方向呈水平帶狀分布，如圖5(a)所示。這使得金屬顯微組織、夾雜物以及各種缺陷也沿著帶狀組織呈層狀分布。焊接過(guò)程中，帶狀組織沿著水平方向呈層狀分布。頂鍛使得鋼軌軌底發(fā)生鐓粗，形成凸起，而帶狀組織流向也隨之發(fā)生變化，如圖5(b)所示。

圖5 軌底帶狀偏析狀態(tài)

對(duì)同類型的鋼軌閃光焊接頭進(jìn)行脈沖拉伸疲勞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裂紋與帶狀組織流向高度吻合，如圖6和圖7所示，并沿帶狀層擴(kuò)展。對(duì)裂紋表面進(jìn)行掃描電鏡觀察，其表面特征如圖8所示。表面存在溪流花樣特征。對(duì)溪流狀表面進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果如圖9所示，可見(jiàn)Mn和S含量明顯偏高，說(shuō)明該處存在MnS夾雜物。由于非金屬夾雜物降低了與帶狀組織垂直方向的鋼軌強(qiáng)度，從而在疲勞應(yīng)力的作用下構(gòu)成了裂紋源。

圖6 閃光焊接頭疲勞試樣斷口

圖7 裂紋沿帶狀組織的流向形成

圖8 裂紋表面溪流花樣

圖9 能譜成分分析結(jié)果

4.2 推凸裂紋形成

焊接末期，頂鍛完成后，位于焊接接頭凸起右邊的推凸刀沿水平向左方向移動(dòng)，將焊接凸起切掉，形成圖10(a)所示的形貌。目前發(fā)現(xiàn)的裂紋均在焊縫左邊近區(qū)并距表面很近的位置，如圖10(b)所示。推凸刀從焊縫的左邊向焊縫的右邊移動(dòng)，從而導(dǎo)致位于剪切邊表面近區(qū)的焊縫發(fā)生向左的偏移。同樣地，帶狀組織的流向也向左邊偏移。而位于推凸下表面往上1～3 mm范圍，以及焊縫左邊大約0.5～1.0 mm的范圍，帶狀組織的變形彎曲程度最大，因此，帶狀組織沿垂直方向承受較強(qiáng)的剪切應(yīng)力。當(dāng)剪切應(yīng)力值超過(guò)帶狀組織垂直方向的強(qiáng)度，就會(huì)出現(xiàn)微小的裂紋。

4.3 落錘斷裂過(guò)程

在進(jìn)行落錘試驗(yàn)時(shí)，落錘沖擊力使得鋼軌焊接接頭底部受到拉伸應(yīng)力，此時(shí)軌底近區(qū)存在的推凸裂紋使得該區(qū)的強(qiáng)度下降，首先開(kāi)裂，然后沿垂直方向向上擴(kuò)展，最終造成接頭斷裂。由于裂紋源并不位于焊縫，并且擴(kuò)展的垂直方向也不位于焊縫，因此，整個(gè)的裂紋擴(kuò)展一般不通過(guò)焊縫(參見(jiàn)圖4)。這種斷口很少看到灰斑，特別是在裂紋源附近。

圖10 推凸引起的帶狀偏析變化及焊縫彎曲部位微裂紋

5 結(jié)論與建議

造成閃光焊接頭落錘斷裂的主要原因是過(guò)熱區(qū)軌底次表面在推凸過(guò)程中產(chǎn)生了微裂紋。消除這種裂紋的主要方法應(yīng)當(dāng)從提高鋼軌母材質(zhì)量和優(yōu)化焊接工藝兩個(gè)方面進(jìn)行。建議:

1)降低母材S含量。鋼軌母材中S是有害元素，必須嚴(yán)格控制，從根本上限制硫化夾雜物的形成量。

2)減小母材合金成分偏析。不僅應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制鋼軌母材成分，同時(shí)還要重視對(duì)成分偏析的控制。如合金Mn的偏析程度越低，由夾雜物造成的力學(xué)性能降低越小，推凸裂紋形成的概率就越小。

3)增加焊接熱輸入，降低接頭冷卻速度。鋼軌的閃光焊接工藝主要體現(xiàn)在控制焊接熱輸入，增加焊接熱輸入可以在一定程度上減小焊接后的冷卻速度。對(duì)于珠光體鋼軌這類的高碳鋼，降低冷卻速度可有效減少裂紋的產(chǎn)生。但是，焊接熱輸入的增加，可能影響焊縫本身強(qiáng)度，因此應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎處理。

4)縮短從頂鍛到推凸的時(shí)間。推凸裂紋也與接頭推凸時(shí)的溫度有密切關(guān)系，高溫時(shí)金屬的強(qiáng)度低，塑性好，因此不容易產(chǎn)生裂紋。與本案例有所不同的是文獻(xiàn)［7］介紹的案例推凸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，已經(jīng)達(dá)到了50 s以上，推凸直接導(dǎo)致大面積的宏觀裂紋。綜合來(lái)看，縮短推凸時(shí)間可減小微裂紋形成的概率。

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Formation mechanism and prevention methods of defects in overheat area at rail flash-butt welding joint

DING Wei1，ZHANG Xianliang2，ZHAO Guo1，SONG Hongtu1
(1.Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Public Works Machinery Segment，Beijing Railway Bureau，Beijing 102206，China)

T he formation and expansion mechanism of the micro cracks in overheat area at the rail flash-butt welding joint was analyzed.Combined with relevant fatigue tests and fracture scanning，it was proved that crack defects were related to M nS inclusions in rail base metal band structure.M nS inclusions showed layered distribution along the longitudinal direction of the band structureand，weaken the strength of the band structure in the vertical direction.W elding heat caused its strength decreased further.Band structure in the vertical direction bore strong shear stress while upsetting and trimming at the last stage of welding.W hen the shear stress exceeded the band structure strength at vertical direction，a tiny crack was caused.T he fracture characteristic of drop-hammer test was that in macroscopic fracture of crack source area small cracks and voids should be observed.T he method of controlling such defect is by reducing the base metal segregation and increasing joint temperature during trimming.

Rail;Flush-butt welding;Cracks in overheat area;Prevention methods

U213.4+6

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.28

(責(zé)任審編 李付軍)

2015-07-15;

:2015-09-23

中國(guó)鐵路總公司鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目(J2014G011)

丁韋(1960— )，男，研究員，碩士。

1003-1995(2015)11-0096-04