基本軌鋁熱焊接頭裂紋原因分析

許鑫 楊其全 張倩 呂晶 王玉婷 王晨陽

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

鐵路道岔是列車實現轉線和跨線運行的重要線路設備［1］。道岔轉轍器軌件包括尖軌和基本軌，基本軌除承受車輪的垂直壓力外，還與尖軌共同承受車輪的橫向水平推力，并保持尖軌穩定［2］?；拒壟c其他鋼軌件聯接一般采用鋁熱焊方式。鋁熱焊是目前國內外無縫線路道岔聯合接頭焊接的主要方法，具有設備簡單、操作方便、適宜在線路上進行焊接等優點。無縫線路在區間鋪設完成后，在岔區采用鋁熱焊焊接工藝聯接成跨區間無縫線路，實現真正的無縫線路［3］。

為保證道岔區行車安全，各維護單位定期對道岔部件（含鋁熱焊接頭）進行探傷檢查，為及時發現早期傷損、防止裂紋擴展至斷裂做了大量工作，但仍不能完全避免傷損道岔的產生。據不完全統計，2005—2015年全路高速道岔共發生13起鋼軌傷損事件［4］。

一客運專線道岔基本軌鋁熱焊接頭在探傷檢查時發現在基本軌跟端鋁熱焊縫附近軌頭部位有橫向貫穿裂紋。本文通過在傷損鋁熱焊接頭取樣進行理化檢驗，分析裂紋產生原因。

1 理化檢驗及分析

送檢傷損鋁熱焊接頭于2018年5月焊接，在同年11月探傷過程中發現傷損。焊接接頭的母材材質為60 kg/m的U71Mn鋼軌。為確定裂紋位置及分布，對傷損鋁熱焊接頭踏面進行磁粉探傷。制取條狀試樣將裂紋打開，對裂紋處斷口進行宏觀形貌觀察、掃描電鏡微觀分析、顯微組織觀察和顯微維氏硬度測試，觀察裂紋源及附近顯微組織的形貌特征。

1.1 磁粉探傷結果及壓斷斷口宏觀形貌觀察

對送檢傷損鋁熱焊接頭踏面進行磁粉探傷，結果見圖1。可以看出，在距離焊縫中心線53～65 mm區域內有兩條裂紋，裂紋長度約為40 mm，裂紋呈橫向連續分布。

圖1 傷損鋁熱焊接頭踏面磁粉探傷結果

制取軌頭部位條狀試樣，用鋼軌靜彎機壓斷，斷口宏觀形貌見圖2?？梢钥闯?，裂紋位于踏面中部，已擴展至軌頭內部1.5 mm處，這一區域斷口顏色較深。

圖2 裂紋處壓斷斷口宏觀形貌

1.2 斷口掃描電鏡微觀分析

選取鋁熱焊焊縫一側斷口進行掃描電鏡觀察，檢驗結果見圖3?？梢钥闯觯禾っ嫦?.5 mm范圍內為裂紋源區和裂紋擴展區，該區域能譜分析結果氧含量較高，表明該區域氧化銹蝕嚴重；部分斷口因碾壓變平，高倍下可觀察到沿晶形貌；壓斷斷口為解理形貌。

圖3 裂紋處斷口掃描電鏡微觀形貌

1.3 顯微組織及顯微維氏硬度測試

為了觀察裂紋區域及附近區域的顯微組織特征，按圖2黑色虛線所示位置制取兩個金相試樣。試樣經4%硝酸酒精浸蝕后的宏觀形貌見圖4。圖中可觀察到不同顏色的區域，其中區域①、區域②為焊補區，區域③、區域④為焊補熱影響區，區域⑤為焊縫，區域⑥為焊縫熱影響區。分別對這6個區域進行顯微組織檢驗和顯微維氏硬度檢測。

圖4 顯微組織試樣宏觀形貌

1）焊補區

焊補區宏觀為亮白色，在鋁熱焊接接頭的焊縫區內，長度約8 mm，寬度約2 mm。焊補區顯微組織及顯微維氏硬度見圖5?？梢钥闯觯浩滹@微組織呈胞狀樹枝晶分布，組織為珠光體及沿晶分布細條狀鐵素體；該區域顯微維氏硬度平均值為292 HV0.3。

圖5 焊補區顯微組織及顯微維氏硬度（單位：HV0.3）

2）焊補熱影響區

焊補熱影響區宏觀為灰色，也在鋁熱焊接接頭的焊縫區內，在該區域觀察到多處裂紋。焊補熱影響區顯微組織及顯微維氏硬度見圖6?？梢钥闯觯汉秆a熱影響區③的顯微組織為白色針狀馬氏體組織，顯微維氏硬度平均值為715 HV0.3；壓斷斷口的斷裂位置位于焊補熱影響區④內，裂紋源腐蝕前后未觀察到異常組織（圖7），該區域顯微組織為回火態組織，顯微維氏硬度平均值為463 HV0.3。

圖6 焊補熱影響區顯微組織及顯微維氏硬度（單位：HV0.3）

圖7 裂紋源區及附近位置顯微組織形貌

3）其他區域

其他區域顯微組織及顯微維氏硬度值見圖8?？梢钥闯觯汉缚p熱影響區顯微組織為片層狀珠光體組織，顯微維氏硬度平均值為324 HV0.3；焊縫顯微組織形貌為片層狀珠光體組織，還可觀察到未熔的白色鋁塊，顯微維氏硬度平均值為310 HV0.3。

圖8 其他區域顯微組織及顯微維氏硬度（單位：HV0.3）

2 裂紋原因分析

當軌頭踏面出現掉塊、擦傷、低接頭等缺陷時，可采用焊補方法恢復軌面平順性，延長鋼軌使用壽命。TB/T 1631—2002《鋼軌電弧焊補技術條件》［5］對焊補用焊條材質、電焊機、測溫儀、焊補范圍、焊補要求等作了具體規定，且為了確保焊補層及熱影響區不產生馬氏體組織，對預熱溫度進行了規定。如果焊補前預熱不夠或焊后保溫不足，焊補層及熱影響區會出現馬氏體組織，脆性馬氏體組織在車輪碾壓過程中產生微小裂紋，隨后裂紋向周圍擴展，嚴重時會發展成橫向疲勞斷裂［6-8］。

由鋁熱焊接頭宏微觀檢驗結果可知，傷損鋁熱焊接頭焊縫熔合線一側踏面經過焊補，在焊補熱影響區存在馬氏體組織。馬氏體是硬而脆的組織且極易碎裂，當列車通過時在輪軌接觸應力下易在此處萌生裂紋并進一步擴展，因此送檢鋁熱焊接頭踏面橫向裂紋屬于焊接缺陷。TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規則》［9］明確規定焊縫和新鋼軌不應焊補。因此，鋁熱焊接時應嚴格按照規定執行。

3 結語

本文對線路探傷檢查發現的重傷基本軌鋁熱焊接頭進行了磁粉探傷復核，在鋼軌踏面發現橫向貫穿裂紋，對裂紋處斷口進行了宏觀形貌觀察、掃描電鏡微觀分析、顯微組織觀察，顯微維氏硬度測試，并根據檢驗結果分析裂紋產生的原因，認為道岔基本軌鋁熱焊接頭踏面橫向裂紋屬于焊接缺陷。焊接接頭焊縫熔合線一側踏面經過焊補，在焊補熱影響區存在馬氏體組織，列車通過時在輪軌接觸應力下由馬氏體組織處萌生裂紋并進一步擴展。鋁熱焊接時應嚴格按照規范執行。