推凸質(zhì)量對(duì)鋼軌焊頭使用性能的影響

1、編號(hào)：時(shí)間：2021年x月x日書(shū)山有路勤為徑，學(xué)海無(wú)涯苦作舟頁(yè)碼：第8頁(yè) 共8頁(yè)推凸質(zhì)量對(duì)鋼軌焊頭使用性能的影響劉紅軍，陳明鳴，車(chē)小莉（1. 成都焊軌廠，成都610067；2.西南交通大學(xué)焊接研究所，成都610031） 摘要：對(duì)取自成昆線的氣壓焊和閃光焊接頭處的斷裂鋼軌試件進(jìn)行了金相、硬度、宏觀斷口和微觀斷口分析，以研究焊接接頭斷裂原因。金相和硬度分析未發(fā)現(xiàn)明顯異常組織出現(xiàn)和硬度分布，斷口分析表明試件均為疲勞斷裂，裂紋源位于焊瘤趾部或焊瘤內(nèi)部靠近軌腰表面處。關(guān)鍵詞：鋼軌焊接推凸焊瘤焊頭質(zhì)量成昆線K294+31和K297+33兩處均為整體道床，直線線路，無(wú)病害，坡度1310 1316

2、，于2000年12 月鋪設(shè)，2003 年8 月發(fā)現(xiàn)鋼軌斷裂，鋼軌為60kgPm，材質(zhì)為U71Mn。K294+31 處為現(xiàn)場(chǎng)氣壓焊接頭，297+33處為焊軌廠閃光焊接頭。1 斷口及金相分析 鋼軌試件外觀形貌如圖1和圖2 所示。K294+31處試件長(zhǎng)度260mm，軌腰焊瘤高26 mm，縱向裂紋長(zhǎng)約190 mm，焊縫開(kāi)裂處距軌底約98mm。K297+33試件長(zhǎng)度215mm，軌腰焊瘤高1154 mm，縱向裂紋長(zhǎng)135mm(不包括分枝) ，焊縫開(kāi)裂處距軌底約78mm。    從宏觀斷口(圖3、圖4)可見(jiàn)，斷口為典型的疲勞斷口，K294+31試件裂紋源處于

3、焊瘤內(nèi)部靠近軌腰表面與焊縫相交處，K297+33試件裂紋源處于焊瘤趾部。裂紋源均位于鋼軌內(nèi)側(cè)。掃描電鏡分析試件均取自啟裂區(qū)，見(jiàn)圖5和圖6。圖5為K294+31試件斷口掃描電鏡照片，其中可見(jiàn)大量的空洞、夾雜和二次裂紋。圖6為K297+33試件斷口掃描電鏡照片，也有大量的空洞和夾雜。電子探針?lè)治霰砻?，空洞和夾雜部位主要為Fe，Mn和Si等的氧化物。 對(duì)裂紋附近焊縫及熱影響區(qū)的金相分析表明，兩試件的焊縫組織主要為鐵素體+珠光體，有網(wǎng)狀晶界鐵素體，其中K294+31處試件焊縫有魏氏組織，焊縫區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)明顯的夾雜物和缺陷。過(guò)熱區(qū)組織主要為鐵素體+珠光體，與母材相比晶粒粗大，但并不嚴(yán)重。典型焊縫

4、和過(guò)熱區(qū)金相照片見(jiàn)圖7。在裂紋附近焊縫及距焊縫約60mm的范圍內(nèi)，在軌腰相距16mm的上、中、下3條線上進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，其中下測(cè)試點(diǎn)距去掉軌底后形成的邊緣10mm。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)之間相距5mm（軟化區(qū)內(nèi)相距2mm） 。K294+31試件焊縫、粗晶區(qū)、軟化區(qū)和母材硬度分別為280HB、300 HB、266 HB 和287 HB。K297+33試件焊縫、粗晶區(qū)、軟化區(qū)和母材硬度分別為270HB、315HB、260HB和300HB。軟化區(qū)均距焊縫約25mm。兩試件，以及上、中、下測(cè)試點(diǎn)之間硬度無(wú)明顯差異，粗晶區(qū)淬硬和軟化區(qū)軟化均不嚴(yán)重。2 檢驗(yàn)結(jié)果分析2.1 裂紋性質(zhì)和裂紋源兩試件切割后，均沿裂紋自然

5、分離，且整個(gè)斷口銹蝕嚴(yán)重，未見(jiàn)新鮮斷口。宏觀斷口和掃描電鏡照片（圖3、圖4、圖5、圖6） 均為將斷口經(jīng)100 弱醋酸處理，是基本清除斷口處的銹污后的結(jié)果。斷口分析（圖3、圖4、圖5、圖6） 表明，兩試件的斷裂由疲勞裂紋引起。K294+31試件疲勞裂紋的啟裂點(diǎn)位于焊瘤內(nèi)靠近推瘤的起始點(diǎn)。K297+33試件啟裂點(diǎn)位于焊瘤推瘤尾部形成的趾部。掃描電鏡分析和電子探針?lè)治霰砻骱噶鲋械膴A雜物和空洞是疲勞裂紋啟裂的重要因素。焊縫及熱影響區(qū)金相組織、硬度值和硬度分布無(wú)明顯異常，不是引起鋼軌斷裂的原因。在K297+33試件的2個(gè)裂紋尖端（圖2）、K294+31試件裂紋右側(cè)的2個(gè)分叉裂紋的尖端（圖1）和其它部位未

6、發(fā)現(xiàn)其它裂紋源；K294+31試件裂紋左部尖端已接近軌頭底面（圖1），在沿軌頭底面切割試件時(shí)試件自然分離，說(shuō)明截取試件時(shí)未能保留左側(cè)裂紋尖端，因此無(wú)法明確判斷此處是否有另一裂紋源。但與K297+33試件對(duì)比，可見(jiàn)兩裂紋形態(tài)相同，且都有基本相同的啟裂點(diǎn)，因此，可基本確認(rèn)294+31試件的焊瘤內(nèi)靠推瘤的起始部位是唯一的啟裂點(diǎn)。關(guān)于鋼軌焊縫附近的軌腰縱向裂紋的裂紋源，文獻(xiàn)1通過(guò)金相分析，認(rèn)為是焊前鋼軌端面存在微裂紋，而軌腰含碳量偏高和連續(xù)的網(wǎng)狀滲碳體組織是造成焊前裂紋的原因。文獻(xiàn)2認(rèn)為鋼軌閃光焊接頭斷裂的裂紋源在軌底和軌頭，裂紋在軌底啟裂是由于氧化使金屬脫碳，軌頭啟裂是由于輪軌的沖擊使軌頭淬火層與基

7、體界面出現(xiàn)疲勞裂紋。顯然，本文中討論的鋼軌軌腰縱向裂紋與上述文獻(xiàn)中的雖然都是疲勞裂紋，但裂紋源不同。2.2 裂紋形態(tài)和形成機(jī)理與鋼軌焊接頭有關(guān)的裂紋形態(tài)可分為3 類：S 形、H形、形3。然而，不論裂紋最終形態(tài)如何，共同的特點(diǎn)是均有與鋼軌重心線大致平行的擴(kuò)展段。K294+31試件屬S形（左側(cè)）或H 形（右側(cè)），K297+33試件屬形。啟裂點(diǎn)均在焊縫附近，裂紋通過(guò)疲勞擴(kuò)展穿透軌腰厚度后，先大致沿與鋼軌重心線平行的方向擴(kuò)展，然后轉(zhuǎn)向軌頭和（或）軌底。根據(jù)此類裂紋的啟裂點(diǎn)、裂紋形態(tài)和裂紋走向，可定性地分析裂紋啟裂和擴(kuò)展的機(jī)理。鋼軌在軋制和較直過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力4 ，5，軌腰部位如有縱向殘余壓應(yīng)力，由

8、于泊松效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生垂向拉應(yīng)力，使軌腰沿重心線劈裂。焊接殘余應(yīng)力使鋼軌中的殘余應(yīng)力更加復(fù)雜，但根據(jù)焊接殘余應(yīng)力分布的一般規(guī)律，軌腰厚度小于軌頭和軌底，最先冷卻，產(chǎn)生縱向殘余壓應(yīng)力，是產(chǎn)生裂紋的力學(xué)因素。裂紋沿重心線方向擴(kuò)展到轉(zhuǎn)向之前的長(zhǎng)度，應(yīng)與焊接殘余應(yīng)力區(qū)長(zhǎng)度有關(guān)。由圖1、圖2和裂紋長(zhǎng)度數(shù)據(jù)可見(jiàn)，K294+31試件（氣壓焊）比K297+33試件（閃光焊）水平段長(zhǎng)度長(zhǎng)，這是與兩者的加熱區(qū)寬度相對(duì)應(yīng)的。所以，盡管列車(chē)載荷會(huì)在鋼軌外側(cè)軌腰產(chǎn)生拉伸彎曲應(yīng)力6 ，但K294+31和K297+33試件均在鋼軌內(nèi)側(cè)軌腰啟裂，可見(jiàn)此時(shí)裂紋的擴(kuò)展方向主要受焊接殘余應(yīng)力控制。裂紋擴(kuò)展穿過(guò)焊接殘余應(yīng)力區(qū)之后，擴(kuò)展方向

9、則主要受列車(chē)載荷的控制，使裂紋由縱向（水平）轉(zhuǎn)為垂向。綜上所述，顯然焊接殘余應(yīng)力是裂紋啟裂和擴(kuò)展的重要力學(xué)因素。在鋼軌的冶金（包括焊接冶金）因素、殘余應(yīng)力和列車(chē)載荷之間，究竟哪個(gè)因素起決定性作用，目前還難以定量分析，而且也缺乏準(zhǔn)確詳細(xì)的調(diào)查資料。例如，啟裂點(diǎn)多數(shù)在鋼軌內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，目前尚無(wú)資料可查。因此，筆者建議有關(guān)研究機(jī)構(gòu)和施工、維修單位，開(kāi)展對(duì)此類裂紋的調(diào)查，這將有利于加深對(duì)此類斷裂的認(rèn)識(shí)。3 結(jié)論K294+31和K297+33試件均為疲勞斷裂，且啟裂點(diǎn)均在鋼軌內(nèi)側(cè)。K294+31試件啟裂源在焊瘤內(nèi)部靠近軌腰表面與焊縫相交處，K297+33試件啟裂源在焊瘤趾部。兩試件焊縫和熱影響區(qū)組織、硬

10、度值和硬度分布無(wú)明顯異常。K294+31和K297+33試件的裂紋形態(tài)與常見(jiàn)的類似裂紋相同，但啟裂點(diǎn)與現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的不同。建議重視此類斷裂現(xiàn)象，加強(qiáng)有關(guān)此類斷裂事故的調(diào)查和研究。定性分析判斷，此類裂紋受焊接殘余應(yīng)力控制，先沿鋼軌重心線方向擴(kuò)展，裂紋穿過(guò)焊接殘余應(yīng)力區(qū)后，則主要受列車(chē)載荷的控制，由沿重心線方向擴(kuò)展轉(zhuǎn)為沿垂向擴(kuò)展，最終形成S 形、H 形或形裂紋。參考文獻(xiàn)1 鄒定強(qiáng)，邢麗賢，楊其全，等。焊前軌端軌腰裂紋造成的焊接接頭傷損的研究J。鐵道建筑，2003，(10) ：729。2 丁成鋼，陳春煥，史春元，等。鋼軌閃光對(duì)焊接頭斷裂研究J . 焊接技術(shù)，1999， (3)：425。3 許廣德，從鋼軌斷裂情況談無(wú)縫線路焊軌應(yīng)注意的問(wèn)題J . 鐵道建筑技術(shù)，1996， (1)：