鋼軌閃光焊接頭過熱區缺陷的形成機理及預防方法

丁 韋，張憲良，趙 國，宋宏圖

(1.中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100081;2.北京鐵路局 工務機械段，北京 102206)

鋼軌閃光焊接頭過熱區缺陷的形成機理及預防方法

丁 韋1，張憲良2，趙 國1，宋宏圖1

(1.中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100081;2.北京鐵路局 工務機械段，北京 102206)

對鋼軌閃光焊接頭軌底過熱區出現的微裂紋缺陷的形成和擴展機理進行了分析，并結合相關疲勞試驗及斷口掃描，證明裂紋缺陷與鋼軌母材帶狀組織中的MnS夾雜物有關。MnS夾雜物沿著帶狀組織縱向層狀分布，弱化帶狀組織垂直方向的強度。焊接加熱使得其強度進一步下降。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的剪切應力，當剪切應力值超過帶狀組織垂直方向的強度時就會出現微小裂紋。存在這類裂紋的落錘斷口特征是在裂紋源區宏觀斷口可觀察到微小裂紋及空洞。控制該缺陷產生的方法是減小母材成分偏析和提高推凸時的接頭溫度。

鋼軌 閃光焊 過熱區裂紋 預防方法

1 概述

鋼軌閃光焊接頭質量穩定，是鋼軌焊接最為可靠的方法。目前國內外鋼軌閃光焊接頭占據了絕大多數。我國目前鐵路及城市軌道交通中閃光焊接的比例超過了90%，并且焊接接頭的檢驗標準也是全世界最為嚴格的。閃光焊接頭落錘檢驗是其中最有代表性的項目。60 kg/m鋼軌閃光焊接頭的落錘檢驗標準為: 1 t質量錘從5.2或3.1 m高處落下，砸向跨度1 m長、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25根(移動閃光焊為15根)不斷。由于此標準十分嚴格，試驗經常需要用到幾十根或幾百根鋼軌。當焊接工藝參數調整良好時，接頭可承受3錘以上的沖擊。

落錘檢驗中的不合格斷口多數情況下存在灰斑，并且斷裂明顯起源于灰斑。由此認為，灰斑是造成落錘斷裂的主要原因。調整焊接工藝參數，控制落錘灰斑是鐵路行業內一貫的做法［1-2］。但也有少量試驗發現一些接頭1錘斷裂的斷口沒有灰斑。雖然這類斷裂的接頭并不多見，但其形成原因卻不清楚。本文對該類斷裂接頭進行了較為詳細的試驗和分析。

資料顯示，鋼軌中的合金成分偏析對接頭質量有著重要影響。當前國內廣泛使用的鋼軌，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［3］認為，U71Mn鋼軌中Mn偏析容易導致鋼軌在熱處理時出現馬氏體組織缺陷。文獻［4］在對U76NbRE鋼軌閃光焊接頭失效進行分析時發現，由于Mn偏析的存在導致接頭熱處理后出現馬氏體，最終導致鋼軌斷裂。文獻［5］針對起重軌焊接接頭不能通過落錘檢驗的問題，對鋼軌母材和焊接接頭成分進行試驗分析，發現MnS等夾雜物含量增加明顯降低了落錘抗斷能力。文獻［6］通過對貝氏體鋼軌閃光焊接過熱區缺陷進行分析發現，過熱區裂紋、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。

焊接工藝不當對于缺陷的產生也會起到一定作用。文獻［7］介紹了U75V鋼軌閃光焊由于從頂鍛完成到推凸的時間過長(達到50 s以上)，接頭溫度較低，塑性較差，從而導致部分接頭出現開裂。此外，焊接熱輸入也會影響焊后推凸時鋼軌焊接接頭溫度，從而影響裂紋的產生。

2 閃光焊接頭裂紋宏觀特征

圖1為60 kg/m的U71Mn鋼軌落錘試驗時出現的不合格接頭。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，據此推測裂紋源在軌底焊縫或焊接過熱區形成，并沿著焊縫或焊接過熱區擴展。圖1(b)為鋼軌閃光焊接頭落錘試驗裂紋擴展的示意圖。落錘裂紋從軌底擴展到軌頭下顎后方向發生改變，生成二次裂紋。

圖1 60 kg/m的U71Mn鋼軌閃光焊落錘試驗不合格接頭

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

圖2 落錘試驗斷口形貌

3 閃光焊接頭裂紋微觀特征

圖3為軌底焊接過熱區裂紋源部位。圖3(a)對應于圖2(a)中發現裂紋源的地方，其取樣方向與圖1(b)一致，并取自于軌底斷口的左側。圖中右邊為落錘試驗的斷裂面，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與右邊的斷裂面沒有連接，由此也說明裂紋形成于落錘試驗前，由推凸變形造成。圖3(c)也是焊縫左側裂紋，值得注意的是裂紋在斷裂面一側(即右邊的斷裂面)有明顯張開的痕跡。落錘裂紋形成及擴展部位如圖4所示。

圖3 軌底焊接過熱區裂紋源部位

圖4 落錘裂紋形成及擴展部位

4 裂紋源形成機理

4.1 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會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生鐓粗，形成凸起，而帶狀組織流向也隨之發生變化，如圖5(b)所示。

圖5 軌底帶狀偏析狀態

對同類型的鋼軌閃光焊接頭進行脈沖拉伸疲勞試驗發現，裂紋與帶狀組織流向高度吻合，如圖6和圖7所示，并沿帶狀層擴展。對裂紋表面進行掃描電鏡觀察，其表面特征如圖8所示。表面存在溪流花樣特征。對溪流狀表面進行能譜成分分析，結果如圖9所示，可見Mn和S含量明顯偏高，說明該處存在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度，從而在疲勞應力的作用下構成了裂紋源。

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，將焊接凸起切掉，形成圖10(a)所示的形貌。目前發現的裂紋均在焊縫左邊近區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，從而導致位于剪切邊表面近區的焊縫發生向左的偏移。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的剪切應力。當剪切應力值超過帶狀組織垂直方向的強度，就會出現微小的裂紋。

4.3 落錘斷裂過程

在進行落錘試驗時，落錘沖擊力使得鋼軌焊接接頭底部受到拉伸應力，此時軌底近區存在的推凸裂紋使得該區的強度下降，首先開裂，然后沿垂直方向向上擴展，最終造成接頭斷裂。由于裂紋源并不位于焊縫，并且擴展的垂直方向也不位于焊縫，因此，整個的裂紋擴展一般不通過焊縫(參見圖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 結論與建議

造成閃光焊接頭落錘斷裂的主要原因是過熱區軌底次表面在推凸過程中產生了微裂紋。消除這種裂紋的主要方法應當從提高鋼軌母材質量和優化焊接工藝兩個方面進行。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。不僅應當嚴格控制鋼軌母材成分，同時還要重視對成分偏析的控制。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生。但是，焊接熱輸入的增加，可能影響焊縫本身強度，因此應當謹慎處理。

4)縮短從頂鍛到推凸的時間。推凸裂紋也與接頭推凸時的溫度有密切關系，高溫時金屬的強度低，塑性好，因此不容易產生裂紋。與本案例有所不同的是文獻［7］介紹的案例推凸時間過長，已經達到了50 s以上，推凸直接導致大面積的宏觀裂紋。綜合來看，縮短推凸時間可減小微裂紋形成的概率。

［1］張建新.鋼軌接觸焊灰斑的生成機理及控制［J］.鐵道建筑，2005(2):39-40.

［2］候啟孝，許廣德，王春孝，等.控制鋼軌接觸焊灰斑的正交優化研究［J］.鐵道學報，1997，19(1):122-127.

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

［4］高成剛，陳軍，丁韋，等.鋼軌化學成分偏析及接頭熱處理對質量的影響［J］.焊接技術，2005，34(3):7-8.

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

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

［7］丁韋，高文會，宋宏圖，等.U75V鋼軌閃光焊推凸引致裂紋的分析［J］.理化檢驗:物理分冊，2005(增1):537-539.

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

(責任審編 李付軍)

2015-07-15;

:2015-09-23

中國鐵路總公司鐵道科學技術研究發展中心科研項目(J2014G011)

丁韋(1960— )，男，研究員，碩士。

1003-1995(2015)11-0096-04