■ 丁韋　張憲良　趙國(guó)　宋宏圖

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鋼軌閃光焊推凸缺陷的形成及預(yù)防對(duì)策

■ 丁韋張憲良趙國(guó)宋宏圖

摘 要：鋼軌閃光焊接接頭軌底過熱區(qū)出現(xiàn)推凸裂紋的原因是鋼軌帶狀偏析較為嚴(yán)重或不當(dāng)?shù)暮附庸に?。通過對(duì)裂紋宏觀和微觀特征、焊接接頭帶狀組織流向變化、裂紋表面MnS夾雜物偏析的分析，得出推凸裂紋形成機(jī)理，并查明該類缺陷造成落錘斷裂原因。在此基礎(chǔ)上，提出應(yīng)通過優(yōu)化鋼軌母材質(zhì)量及焊接工藝等方法，消除該類缺陷。

關(guān)鍵詞：鋼軌閃光焊；焊接接頭；推凸裂紋；焊接工藝；裂紋形成；預(yù)防措施

0　引言

鋼軌閃光焊接接頭在軌底次表面焊接過熱區(qū)有時(shí)出現(xiàn)微小裂紋，造成接頭整體強(qiáng)度大幅度降低，引發(fā)落錘檢驗(yàn)中的接頭斷裂。資料顯示，鋼軌中的合金成分偏析對(duì)接頭質(zhì)量有重要影響。當(dāng)前我國(guó)廣泛使用的U71Mn或U75V鋼軌，均含有1%左右的合金Mn，U71Mn鋼軌的Mn含量更高一點(diǎn)。Mn作為鋼軌強(qiáng)化的有效元素，不可缺少，但其是容易形成偏析的元素，也是鋼軌形成脆性金屬顯微組織、非金屬夾雜物缺陷的原因之一。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[1]。在對(duì)U76NbRE鋼軌閃光焊接接頭失效分析中，由于Mn偏析的存在導(dǎo)致接頭熱處理出現(xiàn)馬氏體，最終導(dǎo)致鋼軌斷裂[2]。針對(duì)重軌焊接接頭不能通過落錘檢驗(yàn)的問題，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落錘抗斷能力[3]。通過對(duì)貝氏體鋼軌閃光焊接過熱區(qū)缺陷分析發(fā)現(xiàn)，過熱區(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)[4]。

不當(dāng)?shù)暮附庸に噷?duì)缺陷的產(chǎn)生也起到一定作用。文獻(xiàn)［5］論述了U75V鋼軌閃光焊的頂鍛至推凸的完成時(shí)間達(dá)50多秒，接頭溫度較低，塑性較差，導(dǎo)致部分接頭出現(xiàn)開裂情況。此外，焊接熱輸入也會(huì)影響焊后推凸時(shí)的鋼軌焊接接頭溫度，從而導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。

圖1　落錘試驗(yàn)斷口形貌

1　裂紋宏觀特征

圖2　斷口裂紋源處放大

落錘斷口宏觀形貌見圖1。從圖1可以看出，裂紋源位于軌底中部缺陷處，將缺陷放大后（見圖2）可以看出，缺陷由裂紋構(gòu)成了不規(guī)則開裂，形成微小空洞，感覺有點(diǎn)疏松。裂紋形成后呈放射狀向上方和兩端擴(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)接頭斷裂。應(yīng)該注意：一是在裂紋源及擴(kuò)展周圍并沒有看見類似灰斑的缺陷，這與大多數(shù)閃光焊接接頭落錘斷口有較大差異；二是整體斷口形貌顯示，距離裂紋源較遠(yuǎn)的左邊軌腳處有少量灰斑，其他地方?jīng)]有灰斑。斷裂由焊接過熱區(qū)的微裂紋引起，也不是沿焊縫擴(kuò)展。斷裂是沿推凸余量（焊筋）中部進(jìn)行擴(kuò)展，因此推測(cè)，斷裂是沿焊縫較近的熱影響區(qū)形成和擴(kuò)展。

2　裂紋微觀特征

在圖1缺陷位置沿垂直方向切取金相試樣，由左側(cè)觀察右側(cè)金相試樣，落錘裂紋形成及擴(kuò)展部位見圖3，軌底焊縫近區(qū)斷裂源區(qū)金相組織見圖4，軌底焊縫近區(qū)裂紋特征見圖5，裂紋呈現(xiàn)張開特征見圖6。從圖3可見，焊縫在鋼軌內(nèi)部為垂直分布，在即將到達(dá)軌底表面位置時(shí)發(fā)生約45°的向左側(cè)偏轉(zhuǎn)，裂紋在焊縫的左側(cè)，下穿焊縫后至焊縫右側(cè)；從圖4可見，帶有脫碳層的底邊為軌底推凸表面， 45°的白色寬帶為閃光焊焊縫，焊縫左側(cè)黑色部分為裂紋（推凸裂紋1）；圖5中的焊縫左側(cè)可觀察到裂紋（推凸裂紋2）；圖6中的裂紋（推凸裂紋3）也在焊縫左側(cè)，值得注意的是裂紋在斷裂面一側(cè)（即右側(cè)的斷裂面）有明顯張開痕跡。

圖3　落錘裂紋形成及擴(kuò)展部位

圖4　軌底焊縫近區(qū)斷裂源區(qū)金相組織　

圖5　軌底焊縫近區(qū)裂紋特征

圖6　裂紋呈現(xiàn)張開特征

3　推凸裂紋形成機(jī)理

3.1接頭帶狀組織流向

鋼軌在軋制過程中，合金成分或金屬顯微組織沿著軋制方向呈帶狀分布（見圖7），這使得金屬顯微組織、夾雜物及各種缺陷也沿著帶狀組織呈現(xiàn)層狀分布。焊接過程中，焊縫垂直于帶狀組織。焊接末期的頂鍛，使鋼軌焊接部位發(fā)生墩粗，軌底向下形成凸起，帶狀組織流向也隨之發(fā)生變化，焊接頂鍛后軌底帶狀偏析狀態(tài)見圖8。

因帶狀流向在焊接過熱區(qū)發(fā)生改變，與鋼軌的受力方向形成>45°的夾角，并且因焊接過熱影響，使過熱區(qū)強(qiáng)度下降，從而易構(gòu)成裂紋源。對(duì)同類型的鋼軌閃光焊接接頭進(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，并沿帶狀層擴(kuò)展。采用掃描電鏡觀察裂紋表面，其表面為溪流狀花樣特征。對(duì)溪流狀表面能譜成分分析結(jié)果見圖9，Mn和S含量明顯偏高，說明此處存有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，在疲勞應(yīng)力作用下構(gòu)成了裂紋源。

圖7　焊接過程中軌底帶狀偏析狀態(tài)

圖8　焊接頂鍛后軌底帶狀偏析狀態(tài)

圖9　能譜成分分析結(jié)果

3.2推凸裂紋形成

焊接末期，頂鍛完成后，焊接接頭凸起右邊的推凸刀（見圖8）沿水平向左方向移動(dòng)，將焊接凸起切掉，形成推凸后帶狀偏析特征形貌。目前，發(fā)現(xiàn)的焊縫彎曲部位微裂紋均在焊縫左邊附近區(qū)域并距軌底表面很近的位置。推凸刀從焊縫右邊向焊縫左邊移動(dòng)，導(dǎo)致剪切邊表面附近區(qū)域的焊縫發(fā)生向左偏移，帶狀組織流向同樣也向左偏移。在推凸下表面上部1～3 mm及焊縫左邊0.5～1.0 mm位置，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)力值超過其承受強(qiáng)度，微小裂紋出現(xiàn)。

3.3落錘斷裂過程

進(jìn)行鋼軌焊接接頭落錘試驗(yàn)時(shí)，落錘沖擊力使鋼軌焊接接頭底部受到拉伸應(yīng)力，因軌底附近區(qū)域的推凸裂紋使該區(qū)域的強(qiáng)度下降并首先開裂，而后沿垂直方向向上擴(kuò)展，最終導(dǎo)致接頭斷裂。因裂紋源并不是焊縫，擴(kuò)展的垂直方向也不是焊縫，所以裂紋一般不通過焊縫擴(kuò)展。

4　預(yù)防措施

造成閃光焊接接頭落錘斷裂的主要原因是過熱區(qū)軌底次表面在推凸過程中產(chǎn)生了微裂紋，消除微裂紋應(yīng)從鋼軌母材質(zhì)量及焊接工藝優(yōu)化兩方面進(jìn)行。

（1）降低鋼軌母材S含量。S是帶狀組織層中MnS夾雜物的形成元素，必須嚴(yán)格控制，從根本上限制硫化夾雜物的形成量。

（2）減小鋼軌母材合金成分偏析。鋼軌母材成分應(yīng)嚴(yán)格控制，同時(shí)還應(yīng)重視對(duì)成分偏析的控制。例如合金Mn，偏析程度越低，因夾雜物造成的力學(xué)性能降低就越小，從而降低推凸裂紋形成的概率。

（3）增加焊接熱輸入，降低接頭冷卻速度。鋼軌閃光焊接工藝主要體現(xiàn)在控制焊接熱輸入，增加焊接熱輸入可在一定程度上降低焊接后冷卻速度，對(duì)珠光體型鋼軌（高碳鋼），降低冷卻速度可有效減少裂紋產(chǎn)生。但增加焊接熱輸入，可能影響焊縫本身強(qiáng)度，應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎。

（4）縮短頂鍛至推凸完成時(shí)間。推凸裂紋與接頭推凸時(shí)的溫度有密切關(guān)系，高溫時(shí)金屬的強(qiáng)度低、塑性好，不容易產(chǎn)生裂紋。文獻(xiàn)［5］論述頂鍛至推凸完成時(shí)間達(dá)50多秒，推凸直接導(dǎo)致大面積的宏觀裂紋出現(xiàn)，因此縮短推凸時(shí)間可減小微裂紋形成的概率。

5　參考文獻(xiàn)

[1] 蘇世懷，陳躍忠，鄧建輝，等. 錳及其偏析對(duì)U71Mn鋼軌霧化全長(zhǎng)淬火工藝的影響[J]. 鋼鐵釩鈦，1987(1)： 61-66.

[2] 高成剛，陳軍，丁韋，等. 鋼軌化學(xué)成分偏析及接頭熱處理對(duì)質(zhì)量的影響[J]. 焊接技術(shù)，2005，34(3)：7-8.

[3] 周紅梅，戴虹，張子豪，等. 起重機(jī)鋼軌焊接接頭斷裂原因分析[J]. 物理測(cè)試，2012，30 (4)：46-50.

[4] 丁韋，李力，趙國(guó)，等. 貝氏體鋼軌閃光焊接過熱區(qū)缺陷的形成及控制方法[J]. 熱加工工藝，2015，44(17)：209-212.

[5] 丁韋，高文會(huì)，宋宏圖，等. U75V鋼軌閃光焊推凸引致裂紋的分析[J]. 理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)，2005（增刊）：537-539.

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

張憲良：北京鐵路局工務(wù)機(jī)械段沙河焊軌基地，工程師，北京，102206

趙 國(guó)：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，研究實(shí)習(xí)員，北京，100081

宋宏圖：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，副研究員，北京，100081

責(zé)任編輯 苑曉蒙

基金項(xiàng)目：鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目（J2014G011）。

中圖分類號(hào)：U213.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-061X（2016）02-0055-03