重载线钢轨气压焊接头伤损分析与预防对策

李金华，李力，丁韦，胡玉堂

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

重载线钢轨气压焊接头伤损分析与预防对策

李金华，李力，丁韦，胡玉堂

(中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

根据重载线现场服役的钢轨气压焊接头伤损情况，重点介绍了轨头焊缝裂开和轨头下颚裂开2种典型的断裂伤损方式，分析了相应的伤损原因，认为重载线气压焊接头未焊合和全断面局部过热造成脱碳氧化是现场常见的接头伤损原因，待焊接断面的垂直度、光洁度和加热器气孔的状态对接头质量影响较大。针对不同的伤损原因提出了相应的预防对策，以提高现场气压焊接头的使用效果。

重载线;气压焊;未焊合;伤损分析

重载线为跨区间无缝线路，在钢轨厂内采用固定闪光焊焊接为长钢轨交付现场;现场线下和锁定焊接头采用气压焊;岔区以及断轨修复采用铝热焊。移动式小型气压焊的特点是焊机结构简单，超小型化，手工操作的比例大，因此人为因素影响较大，钢轨焊接接头的平直度不易保证;另外由于气压焊工艺本身比较复杂，且通常在野外环境施工，受环境影响比较大，容易出现接头焊缝变形、加热不均匀和顶锻偏载等情况。

本文根据重载线现场服役的钢轨气压焊接头伤损情况，重点介绍了轨头焊缝裂开和轨头下颚裂开2种典型的接头断裂伤损方式，分析了相应的伤损原因，并提出预防对策，以提高现场气压焊接头的使用效果。

1　轨头焊缝裂开

1.1宏观观察及分析

图1为气压焊接头轨头未焊合断口宏观形貌及金相取样位置示意。伤损位于焊缝处轨头下部位置。伤损断裂呈疲劳断口特征，有明显的疲劳台阶和疲劳辉纹。轨头上部、轨腰和轨底的断口呈脆性断裂特征，属于裂纹快速扩展阶段。裂纹源处于疲劳台阶上部位置。裂纹首先形成于轨头中部的弧线处，随后向上、下2个方向扩展，当上边扩展到距轨顶约5 mm处，下部扩展至轨腰10 mm(距轨头下颚处10 mm)处时，裂纹开始快速扩展，直至断裂。

1.2断口扫描电镜观察及分析

图2是裂纹源区域及疲劳扩展区域形貌扫描电镜照片。图2(a)裂纹源区域呈平坦光滑特征，源区处于焊缝平面，均匀分布有浅色区域和深色区域，扩展区域存在疲劳辉纹。

图1　接头断口宏观形貌及金相取样位置

图2(b)和图2(c)分别是图2(a)裂纹源区浅色区域和深色区域形貌的放大照片，这2张照片显示，断口区域形貌均为解理+韧窝+未焊合平面的复合断口特征。图2(b)和图2(c)都存在未焊合现象，平面断口特征明显;深色区域未焊合比例大于浅色区域，浅色区域未焊合比例30%左右，深色区域未焊合比例70%左右。经过观察测量，未焊合区域面积约为180 mm2。图2(d)是图2(a)中疲劳扩展区域放大形貌照片，疲劳辉纹较明显，断口有一定的互磨平特征，从断口形貌看未发现未焊合特征。

图2　裂纹源区域及疲劳扩展区域形貌

1.3显微组织观察及分析

图3是裂纹源区域与扩展区域金相照片。从图3(a)可以看到在裂纹源区域存在残留裂纹，而从图3(b)可以看到沿着裂纹向下存在灰色的夹杂物，在灰色夹杂物下边还存在白色脱碳层。

图3　裂纹源区与扩展区域金相

这一结果说明裂纹源位于焊缝。焊接前轨头表面由于打磨产生表面脱碳，造成含碳量下降，铁素体含量增加，由此呈白色。另一方面，焊接前表面处理不干净，有异物存在，焊接时夹杂物滞留在焊缝处，使得界面不能熔合，焊接末期的顶锻使夹杂物被压成片状，在显微镜下呈线状。

断裂过程从裂纹源区域沿着焊缝往轨头下部扩展，在疲劳台阶处裂纹转向，通过疲劳台阶往下部扩展，在转向位置有未熔合区域的残余裂纹。裂纹源区域存在少量残留夹杂物。

2　轨头下颚裂开

2.1宏观观察及分析

图4为气压焊接头伤损取样断口宏观形貌及金相取样位置示意。伤损位于焊筋边缘轨头下颚至轨腰部位，裂纹源在轨头下颚焊筋根部附近，裂纹扩展方向与焊缝中心纵断面有一定的夹角(与裂纹扩展的切应力方向有关)。疲劳断口以裂纹源为起始向内部扩展，疲劳断口穿透了轨腰，可以看到明显的疲劳辉纹。A，B是金相显微观察面位置。

2.2断口扫描电镜观察及分析

图5为裂纹源区域形貌照片。图5(a)在裂纹扩展初期出现放射状疲劳辉纹，全断口呈现疲劳断口特征，疲劳扩展区域由于裂开的两边组织相互磨损而呈现平滑的特征。图5(b)裂纹源区域呈现准解理断口形貌。

图4　接头伤损取样断口宏观形貌及金相取样位置

图5　裂纹源区域附近形貌

图6为裂纹源区域及母材区域能谱数据。裂纹源处能谱与母材区域能谱相比较，没有夹杂物元素存在，Mn元素含量正常，C元素含量偏低，这是因为焊缝表面推瘤脱碳造成的。

图6　裂纹源区域及母材区域能谱数据

2.3显微组织观察及分析

图7为裂纹源及附近区域金相照片。从图7(a)可以看到，A试样焊筋根部裂纹源处整个V型部位脱碳严重。从图7(b)可以看到，A试样焊筋根部起裂部位有2次裂纹，与裂纹扩展方向不在同一平面。从图7(c)和图7(d)可以看到，B试样裂纹源及附近区域有表面脱碳现象，组织均匀细小，未见夹杂缺陷，未见异常组织;裂纹源处脱碳严重，脱碳深度0.6 mm左右，附近区域脱碳深度＜0.3 mm。

图7　裂纹源及附近区域金相

3　接头伤损原因及对策分析

3.1轨头焊缝裂开

未焊合是钢轨气压焊的一种常见缺陷。产生未焊合的主要原因有:①焊前钢轨端面不清洁或被污染。端面不清洁是由于打磨层太薄，污物没有去除干净;端面污染是由于焊前操作不当及待焊时间过长，或是由于钢轨端面轨缝大，加热过程中被污染。②火焰不正常造成局部温度过低，或加热器摆放不正造成火焰偏烧、焊缝升温不均匀。③加热器摆动量、顶锻量、加热时间未满足工艺要求。

就本案例来看，主要有以下可能:①焊接端面砂轮打磨过猛。由于在焊接端面发现有表面脱碳现象，说明焊接端面在进行表面打磨时的进刀量过大，砂轮对钢轨表面的压力过大，导致表面温度上升过高，出现脱碳现象;②用锉刀打磨钢轨端面，没有有效磨到整个端面，以至于在轨头中心部位还有较大面积没有锉到。当然，对于PG4热处理钢轨来说，轨头硬度太高，用锉刀打磨有相当大困难;③表面处理不净。由于在焊接界面发现夹杂物，说明在焊接前界面已经存在异物，使得界面相互隔离，根本无法达到焊接要求，加温和顶锻都无法焊合;④轨头火焰强度不足。由于轨头火焰强度不足，造成轨头中心部位加热温度不足，未达到焊接要求，所以顶锻不能焊合。

3.2轨头下颚裂开

裂纹源区域脱碳严重，组织中铁素体偏多，力学性能下降(主要是屈服强度降低);而此处是气压焊焊筋根部V形部位，为应力集中区域，大大提高了产生表面裂纹的机率。因此裂纹通常是在焊筋根部表面脱碳氧化严重区域萌生。

气压焊采用火焰加热的方式，加热器应保证各火孔的大小和位置合理分布，使各火孔与钢轨表面距离合适，从而在加热过程中钢轨不同部位能够实现同步升温，避免不同区域存在较大的温度差异。

轨头下颚区域加热器火孔偏大、火孔过密或者火孔距离钢轨表面太近，导致焊接过程中该区域表面加热温度过高，致使该区域严重脱碳。经过焊后热处理，晶粒被细化，性能有所提升，但严重的脱碳导致该区域强度严重下降;另外，焊筋根部为V形，为应力集中区域，在疲劳载荷的作用下，焊筋根部的严重脱碳区域萌生裂纹，形成疲劳源。

为此建议:①加强对加热器各个部位加热温度的测试或观察，标定合格后再进行焊接;②如出现局部温度过高现象，应当将焊筋磨平，消除应力集中区域;③加强操作人员焊接技能培训。

4　结论

1)钢轨接头的轨头焊缝裂开的主要原因是轨头下部存在大面积的未焊合缺陷，存在韧窝断口形貌，裂纹最早形成于轨头中下部的弧线附近，形成疲劳源，快速向轨头和轨腰扩展，直至裂开。

2)未焊合情况的出现，主要原因有以下几种可能:焊接端面砂轮打磨过猛;用锉刀打磨钢轨端面，没有有效磨到整个端面，以至于在轨头中心部位还有较大面积没有锉到，对于PG4热处理钢轨来说，轨头硬度太高，用锉刀打磨有相当大困难;表面处理不净，焊接前界面已经存在异物，使得界面相互隔离，根本无法达到焊接要求，加温和顶锻都无法焊合;轨头火焰强度不足，造成轨头中心部位加热温度不足，未达到焊接要求，所以顶锻不能焊合。

3)接头的轨头下颚裂开的裂纹通常是在焊筋根部表面脱碳氧化严重区域萌生，主要原因是裂纹源区域脱碳严重，组织中铁素体偏多，导致力学性能下降(主要是屈服强度降低);而此处亦为气压焊焊筋根部V形部位，为应力集中区域，因此大大提高了产生表面裂纹的机率。

4)接头断面某部位由于过热现象易形成伤损源，建议加强对加热器各部位加热温度的测试或观察，标定合格后再进行焊接;如出现局部过热现象，应将焊筋磨平，消除应力集中区域;加强操作人员焊接技能培训。

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(责任审编 周彦彦)

Damage Analysis of Gas Pressure Welding Rail Joints of Heavy Haul Railway and Its Prevention Countermeasures

LI Jinhua，LI Li，DING Wei，HU Yutang
(Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China)

Based on the dam age conditions of gas pressure welding rail joints on the site，this paper described and analyzed the two typical cases of rupture，which occurred on the welding line and the chin of railhead on heavy haul railway．Lacks of bond on heavy haul railway and oxidation decarburization caused by local overheating on full section are comm on failure reasons of welding joints．The verticality and smooth of cross sections for welding，and conditions of heater pores have greater impacts on the quality of joints．Based on different reasons of dam age，new preventive counterm easures are put forward to improve the effect of gas pressure welding joints on the site．

Heavy haul railway;Gas pressure welding;Lack of bond;Dam age analysis

U213．4+2

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2016．11．33

1003-1995(2016)11-0124-05

2016-05-30;

2016-08-07

李金华(1987—)，男，助理研究员，硕士。