钢轨闪光焊焊缝断裂原因分析

邢丽贤，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)

钢轨焊接方法主要有闪光焊、气压焊、铝热焊和窄间隙电弧焊4种。其中闪光焊应用最为广泛，目前已成为世界各国钢轨焊接的主要方式。闪光焊又叫接触焊，属于电阻焊，钢轨闪光焊作业效率高，能够高度机械化和自动化，因而最适合在焊接工厂进行。根据钢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［1-3］。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］。

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2 200 m，坡度为12.7‰下坡，焊缝断裂钢轨为国产U75V，60 kg/m 钢轨，厂制闪光焊接头［5］。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

1.1 宏观观察

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接推凸飞边根部，呈条状多裂纹源形貌。慢速扩展区(图1(d)中深灰色区域)弧长约25 mm，深约4 mm，焊接推凸飞边区(图1(d)中虚线区域)弧长约28 mm，深约3 mm，裂纹从焊接推凸飞边根部呈放射状向轨底、轨腰和轨头方向扩展，断口未见明显的疲劳扩展区，基本为脆性断口形貌。

图1 断口及裂纹源宏观形貌

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，厚度约3 mm，见图3(a)。在《钢轨焊接 第2部分:闪光焊接》(TB/T 1632.2—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应＞1 mm，所以该断轨的轨底推凸余量不符合《钢轨焊接第2部分:闪光焊接》要求。慢速扩展区观察到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。

图2 扫描样断口的宏观形貌特征

图3 断口微观观察

1.3 能谱分析

图4分别为推凸飞边、慢速扩展区和脆断区的能谱分析图。

图4 能谱分析

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/T 2344—2003“43～75 kg/m热轧钢轨订货技术条件”的要求。

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，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3.351 mm，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/T 2344—2003“43～75 kg/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)

2 分析与讨论

送检断轨样裂纹源位于轨腰和轨底之间的过渡圆弧部位的焊接推凸飞边根部，呈条状多裂纹源形貌特征，在使用中由于应力的作用，在推凸飞边根部产生应力集中，致使裂纹在应力集中处萌生，并呈放射状向轨底两侧和轨腰、轨头方向扩展，最后导致钢轨横向脆性断裂。

在断轨样裂纹源区取纵向金相样，观察发现，在焊接推凸飞边根部裂纹源区存在明显的脱碳及裂纹等形貌特征，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，观察到裂纹起源于轨腰和轨底之间过渡圆弧部位的焊接推凸飞边根部，裂纹源呈条状。在慢速扩展区断口观察到疲劳形貌特征并带有氧化锈蚀，其余大部分断口为脆性断口，具有解理断口形貌特征。对断轨样进行低倍组织和化学成分检验，检验结果表明断轨样的低倍组织和化学成分均符合TB/T 2344—2003“43～75 kg/m热轧钢轨订货技术条件”的要求。

对钢轨断口的宏观、微观分析结果表明，钢轨焊接接头断裂起源于轨腰和轨底之间过渡圆弧部位的焊接推凸飞边根部，推凸飞边厚度约3 mm，不符合《钢轨焊接第2部分:闪光焊接》要求(推凸厚度≤1 mm)。钢轨在列车通过时轨底受到动弯应力的作用，极易在轨腰和轨底之间过渡圆弧部位的焊接推凸飞边根部形成类似折叠裂纹的缺陷，产生应力集中并萌生疲劳裂纹，并随着动弯应力的反复作用呈放射状扩展，随后快速扩展并发展为横向脆性断裂。

3 结论

送检断轨样裂纹源位于轨腰和轨底之间过渡圆弧部位的焊接推凸飞边根部，推凸飞边厚度不符合《钢轨焊接第2部分:闪光焊接》(TB/T 1632.2—2005)要求，在动弯应力作用下，由于应力集中，在焊接推凸飞边根部萌生疲劳裂纹，进而发展为横向脆性断裂。

［1］邹定强，杨其全，邢丽贤，等.钢轨失效分析与伤损图谱［M］.北京:中国铁道出版社，2010.

［2］邢丽贤，邹定强，杨其全，等.沪昆上行线K2591+650左股焊缝折断原因检验分析［R］.北京:中国铁道科学研究院，2013.

［3］中华人民共和国铁道部.TB/T 1778—2010 钢轨伤损分类［S］.北京:中国铁道出版社，2011.

［4］杨克，卢观健，袁龙英，等.钢轨伤损图谱［M］.北京:中国铁道出版社，1992.

［5］邢丽贤.提速条件下钢轨伤损特点及钢轨伤损分类的研究［D］.北京:中国铁道科学研究院，2008.