鋼軌閃光焊推凸缺陷的形成及預防對策

■ 丁韋　張憲良　趙國　宋宏圖

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鋼軌閃光焊推凸缺陷的形成及預防對策

■ 丁韋張憲良趙國宋宏圖

摘 要：鋼軌閃光焊接接頭軌底過熱區出現推凸裂紋的原因是鋼軌帶狀偏析較為嚴重或不當的焊接工藝。通過對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理，并查明該類缺陷造成落錘斷裂原因。在此基礎上，提出應通過優化鋼軌母材質量及焊接工藝等方法，消除該類缺陷。

關鍵詞：鋼軌閃光焊；焊接接頭；推凸裂紋；焊接工藝；裂紋形成；預防措施

0　引言

鋼軌閃光焊接接頭在軌底次表面焊接過熱區有時出現微小裂紋，造成接頭整體強度大幅度降低，引發落錘檢驗中的接頭斷裂。資料顯示，鋼軌中的合金成分偏析對接頭質量有重要影響。當前我國廣泛使用的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。Mn作為鋼軌強化的有效元素，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偏析容易導致鋼軌在熱處理時出現馬氏體組織缺陷[1]。在對U76NbRE鋼軌閃光焊接接頭失效分析中，由于Mn偏析的存在導致接頭熱處理出現馬氏體，最終導致鋼軌斷裂[2]。針對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落錘抗斷能力[3]。通過對貝氏體鋼軌閃光焊接過熱區缺陷分析發現，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[4]。

不當的焊接工藝對缺陷的產生也起到一定作用。文獻［5］論述了U75V鋼軌閃光焊的頂鍛至推凸的完成時間達50多秒，接頭溫度較低，塑性較差，導致部分接頭出現開裂情況。此外，焊接熱輸入也會影響焊后推凸時的鋼軌焊接接頭溫度，從而導致裂紋的產生。

圖1　落錘試驗斷口形貌

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，缺陷由裂紋構成了不規則開裂，形成微小空洞，感覺有點疏松。裂紋形成后呈放射狀向上方和兩端擴展，導致整個接頭斷裂。應該注意：一是在裂紋源及擴展周圍并沒有看見類似灰斑的缺陷，這與大多數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，距離裂紋源較遠的左邊軌腳處有少量灰斑，其他地方沒有灰斑。斷裂由焊接過熱區的微裂紋引起，也不是沿焊縫擴展。斷裂是沿推凸余量（焊筋）中部進行擴展，因此推測，斷裂是沿焊縫較近的熱影響區形成和擴展。

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，由左側觀察右側金相試樣，落錘裂紋形成及擴展部位見圖3，軌底焊縫近區斷裂源區金相組織見圖4，軌底焊縫近區裂紋特征見圖5，裂紋呈現張開特征見圖6。從圖3可見，焊縫在鋼軌內部為垂直分布，在即將到達軌底表面位置時發生約45°的向左側偏轉，裂紋在焊縫的左側，下穿焊縫后至焊縫右側；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，焊縫左側黑色部分為裂紋（推凸裂紋1）；圖5中的焊縫左側可觀察到裂紋（推凸裂紋2）；圖6中的裂紋（推凸裂紋3）也在焊縫左側，值得注意的是裂紋在斷裂面一側（即右側的斷裂面）有明顯張開痕跡。

圖3　落錘裂紋形成及擴展部位

圖4　軌底焊縫近區斷裂源區金相組織　

圖5　軌底焊縫近區裂紋特征

圖6　裂紋呈現張開特征

3　推凸裂紋形成機理

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，使鋼軌焊接部位發生墩粗，軌底向下形成凸起，帶狀組織流向也隨之發生變化，焊接頂鍛后軌底帶狀偏析狀態見圖8。

因帶狀流向在焊接過熱區發生改變，與鋼軌的受力方向形成>45°的夾角，并且因焊接過熱影響，使過熱區強度下降，從而易構成裂紋源。對同類型的鋼軌閃光焊接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，并沿帶狀層擴展。采用掃描電鏡觀察裂紋表面，其表面為溪流狀花樣特征。對溪流狀表面能譜成分分析結果見圖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度，在疲勞應力作用下構成了裂紋源。

圖7　焊接過程中軌底帶狀偏析狀態

圖8　焊接頂鍛后軌底帶狀偏析狀態

圖9　能譜成分分析結果

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，將焊接凸起切掉，形成推凸后帶狀偏析特征形貌。目前，發現的焊縫彎曲部位微裂紋均在焊縫左邊附近區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，導致剪切邊表面附近區域的焊縫發生向左偏移，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的剪切應力，當剪切應力值超過其承受強度，微小裂紋出現。

3.3落錘斷裂過程

進行鋼軌焊接接頭落錘試驗時，落錘沖擊力使鋼軌焊接接頭底部受到拉伸應力，因軌底附近區域的推凸裂紋使該區域的強度下降并首先開裂，而后沿垂直方向向上擴展，最終導致接頭斷裂。因裂紋源并不是焊縫，擴展的垂直方向也不是焊縫，所以裂紋一般不通過焊縫擴展。

4　預防措施

造成閃光焊接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，消除微裂紋應從鋼軌母材質量及焊接工藝優化兩方面進行。

（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。鋼軌母材成分應嚴格控制，同時還應重視對成分偏析的控制。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，對珠光體型鋼軌（高碳鋼），降低冷卻速度可有效減少裂紋產生。但增加焊接熱輸入，可能影響焊縫本身強度，應當謹慎。

（4）縮短頂鍛至推凸完成時間。推凸裂紋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，不容易產生裂紋。文獻［5］論述頂鍛至推凸完成時間達50多秒，推凸直接導致大面積的宏觀裂紋出現，因此縮短推凸時間可減小微裂紋形成的概率。

5　參考文獻

[1] 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.

[2] 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.

[3] 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.

[4] 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，2015，44(17)：209-212.

[5] 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（增刊）：537-539.

丁 韋：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，研究員，北京，100081

張憲良：北京鐵路局工務機械段沙河焊軌基地，工程師，北京，102206

趙 國：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，研究實習員，北京，100081

宋宏圖：中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所，副研究員，北京，100081

責任編輯 苑曉蒙

基金項目：鐵道科學技術研究發展中心科研項目（J2014G011）。

中圖分類號：U213.4

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2016）02-0055-03