石彤，趙志剛，鄒定強，楊其全，孫旭文，王巖

（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??100081；2.?中國鐵路廣州局集團有限公司?工務(wù)處，廣東?廣州??510088）

0 引言

鋼軌焊接方法主要有閃光焊接、移動氣壓焊接、鋁熱焊接和電弧焊接。其中，鋁熱焊接由于設(shè)備簡單、操作方便、不使鋼軌縮短等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于線路傷損鋼軌修復和應(yīng)力放散[1-3]。鋁熱焊是將鋁熱焊劑放入坩堝中點燃，焊劑發(fā)生劇烈化學反應(yīng)和冶金反應(yīng)，鐵的氧化物被鋁還原成鐵水，同時釋放出大量熱能。高溫鐵水澆注在固定于兩軌軌縫的砂型中，將兩軌端熔化，冷卻后形成焊接接頭。

由于焊接接頭的強度等力學性能與鋼軌母材不同，無縫線路焊接長鋼軌的斷裂大部分發(fā)生在焊接接頭[4-5]。鋁熱焊的傷損類型主要有踏面?zhèn)麚p、橫向裂紋、軌腰縱向裂紋和沒有明顯疲勞裂紋的脆性斷裂[6-7]。劉正文等[8]研究了我國重載運煤專線鋼軌鋁熱焊接頭的傷損問題，認為其軌頭下部夾雜缺陷的產(chǎn)生與焊接過程預(yù)熱和澆注溫度偏低、軌縫過大等焊接過程工藝控制不足有關(guān)，建議加強焊前設(shè)備管理、嚴格焊接過程工藝控制來減少或避免此類缺陷的產(chǎn)生。孫楠楠[9]對大秦線75?kg/m鋼軌鋁熱焊下顎開裂傷損進行研究和分析，其產(chǎn)生原因主要是焊劑成分不匹配、預(yù)熱溫度不足和鋼軌溫度應(yīng)力的存在。張君等[10]針對哈大高鐵冬季低溫條件下的鋼軌鋁熱焊接工藝進行探討研究，闡述高鐵低溫鋁熱焊接氣孔、夾渣、疏松縮孔、未焊合等焊接缺陷，提出質(zhì)量控制和提高方案。

為防止或減少鋁熱焊熱裂紋引起的鋼軌橫向斷裂，確保行車安全，分析熱裂紋的傷損狀態(tài)及形成原因很有必要。針對1件60?kg/m?U71Mn鋼軌鋁熱焊斷裂接頭進行失效分析與研究，找出產(chǎn)生熱裂紋及橫向斷裂的原因，并提出鋁熱焊鋼軌傷損預(yù)防措施。

1 實驗方法

傷損鋁熱焊接頭母材材質(zhì)為60?kg/m?U71Mn，鋁熱焊劑型號為施密特德鋁Z90焊劑，位于曲線線路。

利用數(shù)碼相機對焊接接頭拍照進行宏觀形貌觀察。選取左接頭，按圖1（a）虛線矩形框位置切取部分典型傷損斷口，用丙酮將試樣清洗干凈，再用無水乙醇超聲波清洗，采用FEI-Quanta?400掃描電鏡觀察其斷口形貌，并進行能譜分析。采用Leica?DMI?5000M光學顯微鏡對試樣縱截面進行金相檢驗。

圖1 裂紋源放大宏觀形貌

2 結(jié)果分析

2.1 宏觀形貌

傷損焊接接頭的宏觀形貌見圖2。

圖2 傷損焊接接頭宏觀形貌

左、右接頭斷口的宏觀形貌見圖3。經(jīng)觀察，軌底斷裂位置位于焊縫中心。斷裂起源于軌底三角區(qū)附近，該區(qū)域存在明顯粗糙不平形貌，具有發(fā)藍的氧化色，為裂紋源區(qū)，標為A區(qū)和B區(qū)。接近軌底部分的B區(qū)為柱狀晶斷口。裂紋源區(qū)以外斷口平齊，顏色具有金屬光澤，與裂紋源形貌區(qū)別明顯，為瞬斷區(qū)，標為C區(qū)。裂紋沿鋼軌橫向長度約120?mm，沿鋼軌高度方向約 70?mm。

圖3 鋁熱焊接頭斷口宏觀形貌

初步分析，該裂紋源區(qū)應(yīng)為熱裂紋。鋁熱焊焊縫處鑄造組織在凝固前的高溫狀態(tài)下，受拉應(yīng)力作用時形成的裂紋即為熱裂紋。熱裂紋通常位于焊縫尺寸較大的焊筋中部，沿橫向擴展，斷口具有發(fā)藍的氧化色或溫度色。

2.2 掃描電鏡

分別對A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)進行掃描電鏡觀察。其中，A區(qū)、B區(qū)為裂紋源區(qū)，C區(qū)為瞬斷區(qū)。

A區(qū)檢驗結(jié)果見圖4。A區(qū)形貌為熔融狀斷口和疏松狀斷口混合形貌，其中熔融狀斷口處可見不同取向的等軸晶疏松裂紋斷口形貌，表明該部位先出現(xiàn)疏松，然后部分疏松處由于鋼水流入形成熔融狀特征的斷口。當柱狀晶生長到一定程度，其前沿液體遠離型壁，散熱困難，冷卻速度變慢，阻止了柱狀晶的快速生長，熔液中出現(xiàn)許多晶核并沿各個方向長大，形成A區(qū)形貌的等軸晶。

B區(qū)檢驗結(jié)果見圖5。B區(qū)為典型金屬凝固形成的柱狀晶形貌。金屬凝固時，表層細晶區(qū)外殼先形成，型壁被熔液加熱而不斷升溫，使內(nèi)部剩余液體冷卻變慢，加之釋放的結(jié)晶潛熱，使細晶區(qū)前沿液體的過冷度減小，形核變困難，此時只有細晶區(qū)生長速率最快的晶向垂直于型壁方向且優(yōu)先向液體中生長，形成柱狀晶區(qū)。

圖5 B區(qū)掃描電鏡形貌

由掃描電鏡結(jié)果可知，裂紋源處斷口形貌表明裂紋應(yīng)在高溫下形成。

C區(qū)檢驗結(jié)果見圖6。C區(qū)為瞬斷區(qū)，斷口的掃描電鏡檢驗結(jié)果為典型解理斷口。微觀解理形貌，表明裂紋快速擴展，最后脆性斷裂。

分別對A區(qū)裂紋源、B區(qū)柱狀晶斷口、C區(qū)瞬斷區(qū)進行能譜分析，分析位置見圖7，分析結(jié)果見表1，能譜圖見圖8。結(jié)果表明，A、B區(qū)O元素含量非常高，表明斷口受到高溫氧化作用。

圖6 C區(qū)掃描電鏡形貌

圖7 能譜分析位置

鋁熱焊焊縫處鋼水凝固過程中，由于體積收縮將在焊縫處產(chǎn)生收縮拉應(yīng)力，如果焊接時環(huán)境氣溫開始下降，焊接長軌條也會沿長度方向產(chǎn)生溫度收縮應(yīng)力[4]。同時，若焊縫兩端鋼軌沒有很好鎖緊，還可能受到較大的縱向拉應(yīng)力。在拉應(yīng)力作用下，焊縫將可能在熱態(tài)下沿焊縫處拉開形成橫向熱裂紋，由于焊縫內(nèi)部鋼水未完全凝固，冷卻后一般呈熔融態(tài)及柱狀晶或等軸晶斷口形貌。其斷口由于高溫氧化而成藍色，表面氧含量也明顯高于瞬斷區(qū)斷口。

2.3 金相組織

金相檢驗結(jié)果見圖9—圖14。試樣浸蝕前可見此焊接接頭斷口裂紋源區(qū)附近存在多處疏松缺陷。裂紋源區(qū)組織均為珠光體及少量鐵素體。

柱狀晶斷口金相組織見圖15、圖16，可見有明顯的脫碳現(xiàn)象。脫碳現(xiàn)象是指鋼在加熱時其表面碳含量降低的現(xiàn)象。脫碳過程就是鋼中的碳在高溫下與氧或氫發(fā)生作用生成甲烷或一氧化碳。脫碳是擴散作用的結(jié)果，在脫碳過程中，一方面是氧向鋼內(nèi)擴散，另一方面是鋼中的碳向外擴散。B區(qū)柱狀晶區(qū)具有明顯的脫碳現(xiàn)象，是因為柱狀晶區(qū)處于高溫環(huán)境中，由于應(yīng)力作用被拉開形成熱裂紋，斷口表面與空氣接觸氧化，造成脫碳。表1中的3區(qū)域各元素重量百分比也可以說明B區(qū)的氧含量高。其金相照片出現(xiàn)大片白色鐵素體區(qū)域。氧化脫碳在力學性能上表現(xiàn)為強度或硬度降低。

表1 A、B、C區(qū)能譜分析結(jié)果 %

圖8 掃描電鏡能譜圖

圖9 裂紋源區(qū)疏松缺陷顯微組織1（浸蝕前，100×）

圖10 裂紋源區(qū)疏松缺陷顯微組織2（浸蝕前，100×）

圖11 裂紋源區(qū)疏松缺陷顯微組織3（浸蝕后，100×）

圖12 裂紋源區(qū)疏松缺陷顯微組織4（浸蝕后，100×）

圖13 裂紋源區(qū)顯微組織（100×）

圖14 裂紋源區(qū)顯微組織（500×）

圖15 柱狀晶斷口顯微組織（50×）

圖16 柱狀晶斷口顯微組織（200×）

3 結(jié)束語

根據(jù)U71Mn鋼軌鋁熱焊接頭的斷裂宏觀形貌及斷口微觀分析，結(jié)果表明，焊接接頭斷裂起源于內(nèi)部粗糙的軌底三角區(qū)，該區(qū)域有明顯的氧化藍色，為焊接熱裂紋缺陷。熱裂紋沿鋼軌橫向長度約120?mm，沿鋼軌高度方向約70?mm。裂紋自焊接熱裂紋缺陷處向外快速擴展后，使鋼軌產(chǎn)生橫向斷裂。

U71Mn鋼軌鋁熱焊接頭傷損為焊接熱裂紋缺陷引起的橫向斷裂。焊縫在高溫狀態(tài)下受焊接熱應(yīng)力及鋼軌縱向拉應(yīng)力的影響，沿焊縫處形成橫向熱裂紋缺陷。

應(yīng)調(diào)整焊接工藝，嚴格控制預(yù)熱溫度，改進鑄型結(jié)構(gòu)，增加補縮鋼水量。同時，保證焊接完成時間，避免過早拆卸夾持裝置后過車對接頭造成擾動，可以有效避免內(nèi)部熱裂紋的產(chǎn)生及造成焊接接頭的橫向斷裂。