钢轨闪光焊焊缝断裂原因分析.pdf

铁道建筑
2014年第9期
Railway Engineering
109
文章编号:1003-1995(2014)09-0109-04
钢轨闪光焊焊缝断裂原因分析
那丽贤,邹定强,杨其全
(中国铁道科学研究院金属及化学研究所,北京100081)
摘要:某运营线路一钢轨闪光焊焊缝发生全断面断裂,通过宏观、徽观形貌观察,微区成分分析,全相组
织、化学成分及低倍检验,分析钢轨闪光焊焊鏠的断裂性质及断裂原因。分析结果表明:钢轨焊缝断裂
性质为折叠裂纹导致的横向脆性断裂,在钢轨焊鏠区城轨腰和轨底之间过渡圆孤部位的焊接推凸飞边
根部形成的类似折叠裂纹缺陷导致疲劳裂纹的萌生,进而发展为横向脆性断裂。建议钢轨闪光焊焊接
时尽量减小焊接推凸区厚度并避免在焊接推凸飞边根部形成类似折叠裂纹缺陷,防止焊缝发生横向脆
性断裂。
关键词:钢轨闪光焊接焊接推凸区折叠裂纹脆性断裂
中图分类号:U213.4'6文献标识码:ADO1:10.3969/j.iss.1003-1995.2014.09.30
钢轨焊接方法主要有闪光焊、气压焊、铝热焊和窄(图1(d)中深灰色区域)弧长约25mm,深约4mm,焊
间隙电弧焊4种。其中闪光焊应用最为广泛,目前已接推凸飞边区(图1(d)中虚线区域)弧长约28mm,深
成为世界各国钢轨焊接的主要方式。闪光焊又叫接触约3m,裂纹从焊接推凸飞边根部呈放射状向轨底、
焊,属于电阻焊,钢轨闪光焊作业效率高,能够高度机轨腰和轨头方向扩展,断口未见明显的疲劳扩展区,基
械化和自动化,因而最适合在焊接工厂进行。根据钢本为脆性断口形貌。
轨闪光焊的伤损状态和伤损位置,将其分为踏面伤损、
横向裂纹和断裂、轨腰纵向裂纹和S形断裂以及没有
明显疲劳特征的脆性断裂1。其中焊缝横向脆性断
裂是危害性最大的伤损形式之一,不仅影响行车的平
稳性和舒适性,甚至还会危及铁路行车安全4。
凸飞
某线路钢轨闪光焊焊缝在累积通过总重约2亿t
后发生焊缝全断面横向断裂。线路曲线半径为
2200m,坡度为12.7%o下坡,焊缝断裂钢轨为国产
(a)断轨样侧面的宏观形貌
U75V,60kg/m钢轨,厂制闪光焊接头。本文通过
对焊缝断裂钢轨进行断口宏观、微观形貌观察,微区成
分分析,金相组织、化学成分及低倍检验,确定钢轨闪
光焊焊缝的断裂性质及断裂原因,为预防此类伤损提
供借鉴。
1试验过程与结果
交源
b)断口及钢轨侧面的宏观形貌
1.1宏观观察
推凸飞边
图1为送检断轨样断口及裂纹源的宏观形貌,由
图可见,裂纹源位于轨腰和轨底之间圆弧过渡区域焊
裂纹源
接推凸飞边根部,呈条状多裂纹源形貌。慢速扩展区
收稿日期:2014-03-11;修回日期:2014-08-13
作者简介:邢丽贤(1966-),女,内蒙古武川人,副研究员,博士。
(c)断口裂纹源及推凸飞边的形貌特征
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铁道建筑
September, 2014
裂纹源
组飞边
(d(c)图局部放大
图1断口及裂纹源宏观形貌
(b)慢速扩展区断口的疲劳形貌特征放大
1.2断口微观观察
图2为扫描样断口的宏观形貌特征。对推凸飞
边、裂纹源断口及脆性断口进行扫描电镜观察,结果如
图3所示。
由图2、图3可见,裂纹起源于轨腰与轨底之间过
渡圆弧部位的焊接推凸飞边处,呈多源条状形貌特征。
推凸飞边表面为具有氧化锈蚀特征的金属表面,厚度
c)脆断区解理断口的形貌特征放大
约3mm,见图3(a)。在《钢轨焊接第2部分:闪光焊
图3断口微观观察
接》(TB/T1632.2-2005)中“3.4.5焊接和推凸”规
定:焊接接头轨头和轨底、轨底顶面斜坡的推凸余量不
1.3能谱分析
应>1mm,所以该断轨的轨底推凸余量不符合《钢轨
图4分别为推凸飞边、慢速扩展区和脆断区的能
焊接第2部分:闪光焊接》要求。慢速扩展区观察到谱分析图。
疲劳形貌特征并带有氧化锈蚀,如图3(b)所示。其余
大部分断口为脆性断口,具有解理断口形貌特征,如图
3(c)所示。
量程628cts光标:0261f0?
(a)推凸飞边区断口
区
图2扫描样断口的宏观形貌特征
满量程1283ts光02310cts)
(b)慢速扩展区断口
慢速护展区
满量程1283ts光标0231(0cts
(c)脆断区解理断口
(a)断口慢速扩展区及推凸飞边的低倍形貌特征
图4能谱分析
2014年第9期
邢丽贤等:钢轨闪光焊焊缝断裂原因分析
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1.4低倍检验
对断轨样进行低倍组织检验,检验结果如图5所
示。结果表明断轨样的低倍组织满足TB/T2344
2003“43~75kg/m热轧钢轨订货技术条件”的要求。
组飞边
(a)裂纹源附近推凸飞边处的显微组织
图5断轨样的低倍组织
1.5金相检查
在断轨样裂纹源区取纵向金相样,金相磨面垂直
于断口且沿钢轨纵向,图6为金相显微组织形貌特征,
(b)裂纹源附近推凸飞边的脱碳、裂纹
可以看到在焊接推凸飞边表面有明显的脱碳及裂纹等
形貌特征,裂纹源起源于推凸飞边根部(脱碳层截止
处),从推凸表面到脱碳层截止处的距离大约为
3.351mm,由于此处存在因推凸飞边形成的类似折叠
裂纹的缺陷,由应力集中产生疲劳裂纹。图6(c)为断
轨样的基体组织,由珠光体加少量铁素体组成。
1.6化学成分
对断轨样进行化学成分检验,检验结果如表1所
示。结果表明断轨样的化学成分符合TB/T2344
(c)基体组织
2003“43~75kg/m热轧钢轨订货技术条件”的要求
图6金相显微组织形貌特征
表1断轨样的化学成分(U75V)
化学成分/%
试样编号
Mn
P
Nb
断轨样
0.72
0.54
0.85
0.014
0.017
0.049
0.0001
TB/"T23442003
≤0.0300.04~-0.12
技术条件要求
0.71-0.800.50-~0.800.70~1,05≤0.030
≤0.010
接推凸飞边根部裂纹源区存在明显的脱碳及裂纹等形
2分析与讨论
貌特征,类似折叠裂纹,裂纹即在此处萌生。此外,夹
杂物和基体组织均未见异常。在扫描电镜下,观察到
送检断轨样裂纹源位于轨腰和轨底之间的过渡圆裂纹起源于轨腰和轨底之间过渡圆弧部位的焊接推凸
弧部位的焊接推凸飞边根部,呈条状多裂纹源形貌特飞边根部,裂纹源呈条状。在慢速扩展区断口观察到
征,在使用中由于应力的作用,在推凸飞边根部产生应疲劳形貌特征并带有氧化锈蚀,其余大部分断口为脆
力集中,致使裂纹在应力集中处萌生,并呈放射状向轨性断口,具有解理断口形貌特征。对断轨样进行低倍
底两侧和轨腰、轨头方向扩展,最后导致钢轨横向脆性组织和化学成分检验,检验结果表明断轨样的低倍组
断裂。
织和化学成分均符合TB/T23442003“43~75kg/m
在断轨样裂纹