75 kg/m鋼軌鋁熱焊接頭斷裂失效研究

李金華，李 力，丁 韋，劉政文

(中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100081)

重載線路現場大多采用鋁熱焊焊接鋼軌接頭，75 kg/m鋼軌鋁熱焊在國內外均缺乏經驗，而且所焊鋼軌大多是 PG4淬火軌[1-3]。PG4鋼軌是高強度鋼軌，熱處理鋼軌的強度達到1 300 MPa級，淬火軌的軌頂面硬度達到380 HB以上，對鋁熱焊劑以及現場的焊接工藝都提出了高的匹配要求[4-5]。2010年下半年，75 kg/m PG4淬火軌鋁熱焊接頭連續出現了多處斷裂，通過對其中的典型斷裂接頭進行失效分析，并結合前期的相關測量數據，本文著重尋求斷裂的主要原因，以避免類似事故的發生。

1 鋁熱焊接頭斷口觀察

從現場取的2個斷裂樣品均為75 kg/m PG4淬火軌鋁熱焊接頭，其一已出現裂紋但未發生斷裂，另一樣品則在接頭部位完全斷裂。

圖1中鋁熱焊焊縫表面出現比較均勻的橫向裂紋，表面裂紋橫跨了整個軌頂面;焊縫軟化區內剝離掉塊嚴重;焊縫區域表面出現低塌，兩邊軟化帶都出現壓潰現象;軌頭下顎與焊縫焊筋邊緣相交的位置出現向焊縫方向延伸的裂紋，裂紋貫穿了鋼軌橫截面。

裂紋以軌頭下顎為中心，向下沿焊縫45°方向向母材內部擴展，向上則以焊縫45°方向向軌頭區域焊縫內部擴展。圖2所示為完全斷裂樣品，縱向斷裂面與圖1的裂紋發展方向相近似。試驗的斷裂PG4焊接接頭服役條件見表1。

表1 試驗的斷裂PG4焊接接頭服役條件

圖1 裂紋接頭的形貌

圖2 斷開接頭的斷口側面

圖3 (a)為斷裂樣品斷口狀況。從圖3(a)可以清晰地看到疲勞斷口的特征，疲勞裂紋擴展到一定程度發生脆性斷裂，在疲勞源位置有一些溢流飛邊和氣孔疏松。從軌頭斷口區域可以看到比較清楚的疲勞輝紋及受研磨的形態、疲勞臺階以及裂紋擴展之后的脆性斷裂區域，沒有觀察到裂紋擴展區域有明顯的塑性變形特征。由上說明鋁熱焊接頭是脆性疲勞斷裂。對圖3(b)中1、2兩區域進行斷口掃描觀察和組成物能譜分析。圖4是疲勞源1處附近區域掃描照片和能譜分析，可以非常清晰地看到疲勞輝紋和疲勞臺階，比對表2，氧元素較高主要是斷口裸露在空氣中，氧化比較嚴重，能譜分析表明此處組織成分元素與PG4母材基本相同，說明此處是母材區域。

圖3 斷口電子掃描取樣及掃描照片

圖4 疲勞源附近1處掃描照片及能譜分析

圖5 是脆性斷口2處附近掃描照片及能譜分析，可以非常清晰地看到河流狀解理形貌，比對表2，能譜分析表明此處組織成分元素與鋁熱焊焊縫成分元素基本相同，說明2處是屬于焊縫區域。

由以上分析可以明確，斷裂的裂紋源及起裂位置是在(軌頭下顎焊縫和母材熔合處)母材區域，通過疲勞裂紋擴展，裂紋沿焊縫45°方向進入焊縫區域，導致焊縫的脆性斷裂。

圖5 脆性斷口2處附近掃描照片及能譜分析

表2 PG4鋼軌鋁熱焊接頭化學成分質量含量 %

2 鋁熱焊接頭裂紋區域金相觀察

對1號未斷裂樣品取裂紋金相觀察試樣，取樣位置及裂紋在試樣中位置如圖6所示。

圖7中方形黑點是顯微硬度打點位置。圖6(b)中所示的母材區域平均硬度為372.2 HV，焊縫區域平均硬度為329.2 HV，軌頭三角區(母材與焊縫交界的三角區域)平均硬度為378.1 HV。說明軌頭三角區是母材組織，裂紋起裂位置以及最初擴展階段都在軌頭下顎母材組織區域，與之前電子掃描能譜分析結論相同。圖7中可以看到裂縫沿著主裂紋向母材擴展，裂縫旁邊有二次裂紋，白色網狀區域是脫碳組織，圖8顯示焊縫為均勻分布的鐵素體+珠光體組織。測得裂紋尖端區域母材晶粒度為3～4級，離裂紋5 cm處母材晶粒度為6～7級，母材起裂處是過熱粗晶區域。在主裂紋尖端基本沒有發現夾雜物和氣孔。

圖6 鋁熱焊接頭裂紋金相觀察取樣位置示意圖及金相試樣

圖7 1號試樣裂紋尖端(50×)

圖8 焊縫熔合組織金相照片(100×)

3 鋁熱焊斷裂接頭力學性能

3.1 鋁熱焊接頭拉伸及沖擊性能

將1號裂紋未斷裂接頭進行力學性能測試，拉伸性能和沖擊性能試樣的取樣及試驗均按照TB/T1632.3-2005 中相關規定進行[6]。

淬火軌PG4鋁熱焊拉伸性能試驗結果見表3。軌頭、軌腰、軌底的抗拉強度都超過了技術條件 TB/T1632.3-2005的要求[6]，而且伸長率≥2%(980 MPa級鋼軌要求)，說明焊接接頭的拉伸性能達到了設計要求。

淬火軌PG4鋁熱焊接頭沖擊性能試驗結果見表4。焊縫和熔合線位置的沖擊韌性明顯低于母材，也低于鐵標要求，但鐵標要求不作為交貨條件(TB/T1632.3-2005)，且比較以前型檢數據，此斷裂接頭無論軌頭、軌腰、軌底的沖擊韌性都屬于相對沖擊韌性較好的接頭。

此焊接接頭符合交貨和設計條件的拉伸性能、沖擊性能，分析認為不是發生斷裂的根本原因。

表3 PG4鋁熱焊拉伸性能試驗結果

表4 PG4鋁熱焊沖擊性能試驗結果 J

3.2 鋁熱焊接頭軌頂面硬度及其分布

表5中自然表面是接頭試樣取回未做任何處理進行布氏硬度試驗，經過磨拋處理是完成自然表面的硬度試驗后，用角磨機打磨掉硬度坑，后磨平拋光，大約去掉1 mm表層，然后進行布氏硬度試驗。從表5可以看到自然表面與經過磨拋處理的表面硬度值變化不大。

表5 PG4鋁熱焊軌頂踏面硬度試驗結果 HB

圖9是鋁熱焊軌頂踏面中心7.5 mm處200 mm范圍硬度分布，從圖9和表6中可以清晰地看到焊縫硬度是母材的0.88倍，硬度較低，而軟化區硬度只有母材的0.85倍。HJ＞ HP±20(技術要求 HJ≦ HP±20)[6]，整個焊縫區域的硬度明顯低于母材，這種硬度的顯著差異會造成焊接接頭在服役期間磨耗的不均勻性，容易出現嚴重的低塌接頭。對1號樣品進行測量得知焊縫左右各100 mm范圍內，接頭中心低塌0.35 mm，軟化區低塌0.25 mm。

焊接接頭硬度的不匹配，導致焊縫容易低塌，接頭區域踏面不平順，引起機車車輛劇烈振動，輪軌動作用力成倍增大。軸重和單列最大載重的不斷增加，高負荷的輪軌沖擊，加速了焊接接頭的裂紋擴展和斷裂過程。

圖9 鋁熱焊軌頂踏面200 mm硬度分布

表6 焊接接頭與母材硬度的比較 HB

4 結語

1)斷裂接頭起裂位置是在軌頭下顎與焊筋邊緣相交處，此處是母材過熱粗晶區域，通過疲勞裂紋擴展，裂紋沿焊縫45°方向進入焊縫區域，導致焊接接頭的脆性斷裂。

2)淬火PG4高強鋼軌的鋁熱焊接頭，提高了疲勞缺口的敏感度，焊縫與母材熔合處溢流飛邊和氣孔疏松的結構特點增大了起始裂紋產生的機率。

3)部分焊接接頭硬度的不匹配，導致焊縫容易低塌，接頭區域踏面不平順，引起機車車輛劇烈振動，輪軌動作用力成倍增大。軸重和單列最大載重的不斷增加，高負荷的輪軌沖擊，加速了焊接接頭的裂紋擴展和斷裂過程。

4)建議開展提高鋁熱焊砂型性能的研究，減少溢流飛邊的產生。加強軌頭下顎處熔渣殘余物的打磨，減少表面殘余應力和疲勞敏感缺口的殘留。

[1]李力，鄒立順，高東海.關于鋁熱焊超聲波探傷異常反射的原因探討[J].鐵道建筑，2005(8):90-92.

[2]劉貴琚，韋昌革.鋼軌鋁熱焊縫傷損分析與防止措施[J].鐵道運營技術，2010，16(1):32-34.

[3]侯玉碧.75 kg/m鋼軌采用法國QPCJ鋁熱焊焊接的質量問題探討[J].鐵道建筑，2003(3):34-36.

[4]周清躍，張建峰，郭戰偉，等.重載鐵路鋼軌的傷損及預防對策研究[J].中國鐵道科學，2010，31(1):27-31.

[5]張銀花，周清躍，陳朝陽，等.重載鐵路高強鋼軌的試驗研究[J].中國鐵道科學，2010，31(7):20-26.

[6]中華人民共和國鐵道部.TB/T1632.3—2005 鋼軌焊接接頭技術條件[S].北京:中國鐵道出版社，2005.