钢轨闪光焊接头过热区缺陷的形成机理及预防方法

丁 韦，张宪良，赵 国，宋宏图

(1.中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081;2.北京铁路局 工务机械段，北京 102206)

钢轨闪光焊接头过热区缺陷的形成机理及预防方法

丁 韦1，张宪良2，赵 国1，宋宏图1

(1.中国铁道科学研究院 金属及化学研究所，北京 100081;2.北京铁路局 工务机械段，北京 102206)

对钢轨闪光焊接头轨底过热区出现的微裂纹缺陷的形成和扩展机理进行了分析，并结合相关疲劳试验及断口扫描，证明裂纹缺陷与钢轨母材带状组织中的MnS夹杂物有关。MnS夹杂物沿着带状组织纵向层状分布，弱化带状组织垂直方向的强度。焊接加热使得其强度进一步下降。焊接末期的顶锻和推凸使得带状组织沿垂直方向承受较强的剪切应力，当剪切应力值超过带状组织垂直方向的强度时就会出现微小裂纹。存在这类裂纹的落锤断口特征是在裂纹源区宏观断口可观察到微小裂纹及空洞。控制该缺陷产生的方法是减小母材成分偏析和提高推凸时的接头温度。

钢轨 闪光焊 过热区裂纹 预防方法

1 概述

钢轨闪光焊接头质量稳定，是钢轨焊接最为可靠的方法。目前国内外钢轨闪光焊接头占据了绝大多数。我国目前铁路及城市轨道交通中闪光焊接的比例超过了90%，并且焊接接头的检验标准也是全世界最为严格的。闪光焊接头落锤检验是其中最有代表性的项目。60 kg/m钢轨闪光焊接头的落锤检验标准为: 1 t质量锤从5.2或3.1 m高处落下，砸向跨度1 m长、接头居中放置的钢轨的焊接接头，每根接头1锤(5.2 m)或2锤(3.1 m)不断为合格，并要求连续25根(移动闪光焊为15根)不断。由于此标准十分严格，试验经常需要用到几十根或几百根钢轨。当焊接工艺参数调整良好时，接头可承受3锤以上的冲击。

落锤检验中的不合格断口多数情况下存在灰斑，并且断裂明显起源于灰斑。由此认为，灰斑是造成落锤断裂的主要原因。调整焊接工艺参数，控制落锤灰斑是铁路行业内一贯的做法［1-2］。但也有少量试验发现一些接头1锤断裂的断口没有灰斑。虽然这类断裂的接头并不多见，但其形成原因却不清楚。本文对该类断裂接头进行了较为详细的试验和分析。

资料显示，钢轨中的合金成分偏析对接头质量有着重要影响。当前国内广泛使用的钢轨，如U71Mn或 U75V钢轨，均含有 1%左右的合金 Mn。尤其是U71Mn，其 Mn的含量更高。作为有效的钢轨强化元素，钢轨中的Mn不可缺少，但Mn也是较为容易形成偏析的元素，在钢轨当中往往也是形成脆性金属显微组织、非金属夹杂物缺陷的原因。文献［3］认为，U71Mn钢轨中Mn偏析容易导致钢轨在热处理时出现马氏体组织缺陷。文献［4］在对U76NbRE钢轨闪光焊接头失效进行分析时发现，由于Mn偏析的存在导致接头热处理后出现马氏体，最终导致钢轨断裂。文献［5］针对起重轨焊接接头不能通过落锤检验的问题，对钢轨母材和焊接接头成分进行试验分析，发现MnS等夹杂物含量增加明显降低了落锤抗断能力。文献［6］通过对贝氏体钢轨闪光焊接过热区缺陷进行分析发现，过热区裂纹、马氏体和非金属夹杂物等缺陷均与Mn，S等成分的偏析有关。

焊接工艺不当对于缺陷的产生也会起到一定作用。文献［7］介绍了U75V钢轨闪光焊由于从顶锻完成到推凸的时间过长(达到50 s以上)，接头温度较低，塑性较差，从而导致部分接头出现开裂。此外，焊接热输入也会影响焊后推凸时钢轨焊接接头温度，从而影响裂纹的产生。

2 闪光焊接头裂纹宏观特征

图1为60 kg/m的U71Mn钢轨落锤试验时出现的不合格接头。由图1(a)可以初步看出一次裂纹是沿着焊筋中部由底部向上延伸的，据此推测裂纹源在轨底焊缝或焊接过热区形成，并沿着焊缝或焊接过热区扩展。图1(b)为钢轨闪光焊接头落锤试验裂纹扩展的示意图。落锤裂纹从轨底扩展到轨头下颚后方向发生改变，生成二次裂纹。

图1 60 kg/m的U71Mn钢轨闪光焊落锤试验不合格接头

图2为落锤试验断口形貌。由图2(a)可以看出，裂纹源位于轨底中部的缺陷处，放大后(见图2(b))可以看出，缺陷由裂纹构成，由于呈不规则裂开，形成了微小的空洞，看上去有点像疏松。裂纹形成后呈放射状向上和向两端扩展，从而引起整个接头断裂。有两点值得注意:①断口形貌显示，右边轨脚处有少量灰斑，其他地方并没有看到灰斑;②在裂纹源及其扩展区周围并没有看见类似灰斑的缺陷。由这两点推测，断裂是由于不在焊缝的微裂纹引起，扩展也主要不是沿焊缝进行。而图1表明，断裂扩展是沿着推凸余量(焊筋)的中部进行的，由此推断裂纹沿焊缝较近的热影响区形成和扩展。

图2 落锤试验断口形貌

3 闪光焊接头裂纹微观特征

图3为轨底焊接过热区裂纹源部位。图3(a)对应于图2(a)中发现裂纹源的地方，其取样方向与图1(b)一致，并取自于轨底断口的左侧。图中右边为落锤试验的断裂面，下边为轨底推凸表面，图中从右上到左下颜色较浅的弯曲带为焊缝，焊缝左边近区的黑色部分为裂纹，裂纹的方向垂直于焊缝。图3(b)为焊缝近区典型裂纹特征，裂纹同样位于焊缝的左边，并垂直于焊缝。由于图3(a)的裂纹1和图3(b)的裂纹2与右边的断裂面没有连接，由此也说明裂纹形成于落锤试验前，由推凸变形造成。图3(c)也是焊缝左侧裂纹，值得注意的是裂纹在断裂面一侧(即右边的断裂面)有明显张开的痕迹。落锤裂纹形成及扩展部位如图4所示。

图3 轨底焊接过热区裂纹源部位

图4 落锤裂纹形成及扩展部位

4 裂纹源形成机理

4.1 接头带状组织流向

钢轨在轧制过程中合金成分或金属显微组织会沿着轧制方向呈水平带状分布，如图5(a)所示。这使得金属显微组织、夹杂物以及各种缺陷也沿着带状组织呈层状分布。焊接过程中，带状组织沿着水平方向呈层状分布。顶锻使得钢轨轨底发生镦粗，形成凸起，而带状组织流向也随之发生变化，如图5(b)所示。

图5 轨底带状偏析状态

对同类型的钢轨闪光焊接头进行脉冲拉伸疲劳试验发现，裂纹与带状组织流向高度吻合，如图6和图7所示，并沿带状层扩展。对裂纹表面进行扫描电镜观察，其表面特征如图8所示。表面存在溪流花样特征。对溪流状表面进行能谱成分分析，结果如图9所示，可见Mn和S含量明显偏高，说明该处存在MnS夹杂物。由于非金属夹杂物降低了与带状组织垂直方向的钢轨强度，从而在疲劳应力的作用下构成了裂纹源。

图6 闪光焊接头疲劳试样断口

图7 裂纹沿带状组织的流向形成

图8 裂纹表面溪流花样

图9 能谱成分分析结果

4.2 推凸裂纹形成

焊接末期，顶锻完成后，位于焊接接头凸起右边的推凸刀沿水平向左方向移动，将焊接凸起切掉，形成图10(a)所示的形貌。目前发现的裂纹均在焊缝左边近区并距表面很近的位置，如图10(b)所示。推凸刀从焊缝的左边向焊缝的右边移动，从而导致位于剪切边表面近区的焊缝发生向左的偏移。同样地，带状组织的流向也向左边偏移。而位于推凸下表面往上1～3 mm范围，以及焊缝左边大约0.5～1.0 mm的范围，带状组织的变形弯曲程度最大，因此，带状组织沿垂直方向承受较强的剪切应力。当剪切应力值超过带状组织垂直方向的强度，就会出现微小的裂纹。

4.3 落锤断裂过程

在进行落锤试验时，落锤冲击力使得钢轨焊接接头底部受到拉伸应力，此时轨底近区存在的推凸裂纹使得该区的强度下降，首先开裂，然后沿垂直方向向上扩展，最终造成接头断裂。由于裂纹源并不位于焊缝，并且扩展的垂直方向也不位于焊缝，因此，整个的裂纹扩展一般不通过焊缝(参见图4)。这种断口很少看到灰斑，特别是在裂纹源附近。

图10 推凸引起的带状偏析变化及焊缝弯曲部位微裂纹

5 结论与建议

造成闪光焊接头落锤断裂的主要原因是过热区轨底次表面在推凸过程中产生了微裂纹。消除这种裂纹的主要方法应当从提高钢轨母材质量和优化焊接工艺两个方面进行。建议:

1)降低母材S含量。钢轨母材中S是有害元素，必须严格控制，从根本上限制硫化夹杂物的形成量。

2)减小母材合金成分偏析。不仅应当严格控制钢轨母材成分，同时还要重视对成分偏析的控制。如合金Mn的偏析程度越低，由夹杂物造成的力学性能降低越小，推凸裂纹形成的概率就越小。

3)增加焊接热输入，降低接头冷却速度。钢轨的闪光焊接工艺主要体现在控制焊接热输入，增加焊接热输入可以在一定程度上减小焊接后的冷却速度。对于珠光体钢轨这类的高碳钢，降低冷却速度可有效减少裂纹的产生。但是，焊接热输入的增加，可能影响焊缝本身强度，因此应当谨慎处理。

4)缩短从顶锻到推凸的时间。推凸裂纹也与接头推凸时的温度有密切关系，高温时金属的强度低，塑性好，因此不容易产生裂纹。与本案例有所不同的是文献［7］介绍的案例推凸时间过长，已经达到了50 s以上，推凸直接导致大面积的宏观裂纹。综合来看，缩短推凸时间可减小微裂纹形成的概率。

［1］张建新.钢轨接触焊灰斑的生成机理及控制［J］.铁道建筑，2005(2):39-40.

［2］候启孝，许广德，王春孝，等.控制钢轨接触焊灰斑的正交优化研究［J］.铁道学报，1997，19(1):122-127.

［3］苏世怀，陈跃忠，邓建辉，等.锰及其偏析对 U71Mn钢轨雾化全长淬火工艺的影响［J］.钢铁钒钛，1987(1):61-66.

［4］高成刚，陈军，丁韦，等.钢轨化学成分偏析及接头热处理对质量的影响［J］.焊接技术，2005，34(3):7-8.

［5］周红梅，戴虹，张子豪，等.起重机钢轨焊接接头断裂原因分析［J］.物理测试，2012，30(4):46-50.

［6］丁韦，李力，赵国，等.贝氏体钢轨闪光焊接过热区缺陷的形成及控制方法［J］.热加工工艺，2015(17):209-212.

［7］丁韦，高文会，宋宏图，等.U75V钢轨闪光焊推凸引致裂纹的分析［J］.理化检验:物理分册，2005(增1):537-539.

Formation mechanism and prevention methods of defects in overheat area at rail flash-butt welding joint

DING Wei1，ZHANG Xianliang2，ZHAO Guo1，SONG Hongtu1
(1.Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China; 2.Public Works Machinery Segment，Beijing Railway Bureau，Beijing 102206，China)

T he formation and expansion mechanism of the micro cracks in overheat area at the rail flash-butt welding joint was analyzed.Combined with relevant fatigue tests and fracture scanning，it was proved that crack defects were related to M nS inclusions in rail base metal band structure.M nS inclusions showed layered distribution along the longitudinal direction of the band structureand，weaken the strength of the band structure in the vertical direction.W elding heat caused its strength decreased further.Band structure in the vertical direction bore strong shear stress while upsetting and trimming at the last stage of welding.W hen the shear stress exceeded the band structure strength at vertical direction，a tiny crack was caused.T he fracture characteristic of drop-hammer test was that in macroscopic fracture of crack source area small cracks and voids should be observed.T he method of controlling such defect is by reducing the base metal segregation and increasing joint temperature during trimming.

Rail;Flush-butt welding;Cracks in overheat area;Prevention methods

U213.4+6

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.28

(责任审编 李付军)

2015-07-15;

:2015-09-23

中国铁路总公司铁道科学技术研究发展中心科研项目(J2014G011)

丁韦(1960— )，男，研究员，硕士。

1003-1995(2015)11-0096-04