列車支撐轉轍機彎板開裂失效分析

戴開明

（中國兵器工業集團江山重工研究院有限公司，湖北襄陽 441057）

轉轍機是軌道交通的岔道轉換與閉鎖的信號傳輸設備，在軌道交通之中發揮重要的作用。轉轍機為軌道交通通行提供有力的保障，保證車輛行駛的安全，提高車輛運輸效率具有重要意義。隨著我國鐵路向高速、重載方向發展，道岔轉轍機所受的沖擊震動越來越大；而目前國內道岔轉轍機的安裝托板采用的是懸臂梁結構，其中固定端安裝在線路鋼軌上，懸臂端上安裝著轉轍機；當固定端由于火車的沖擊產生震動時，其懸臂端在轉轍機重量和托板彈性的共同作用下，會產生更大的震動，使轉轍機的可靠性下降，嚴重危及行車安全。

支撐轉轍機彎板（見圖1）作為外鎖閉安裝裝置，主要起支撐轉轍機的作用，降低列車通過對轉轍機的沖擊、振動，加強轉轍機的工作穩定性，保持轉轍機與基本軌相對距離穩定，提高轉轍機使用壽命。因此，支撐轉轍機彎板的可靠性很大程度決定了轉轍機的安全性，將影響到整個運作體系的正常生產，嚴重時帶來巨大的經濟損失。近年，某鐵路段列車支撐轉轍機彎板服役過程中出現批量開裂情況。該型彎板采用雙筋板焊接結構，開裂焊縫位于筋板的短豎焊縫處。該型彎板從2006 年開始上道使用，未出現焊縫批量開裂情況。雙筋板焊接結構彎板最早使用于1999 年，也未出現焊縫批量開裂情況。發生焊縫開裂的彎板供貨時間是2018 年底至2019 年初，2019 年開通使用。

圖1 彎板結構及實際安裝圖

故對雙筋板產生裂紋的原因進行分析至關重要。為查明列車支撐轉轍機彎板斷裂的原因，以便采取措施避免類似失效再次發生，筆者對斷裂的彎板進行了檢驗和分析，并提出了可行的預防措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

通過對從鐵路現場運回的、已開裂的彎板（見圖2）進行觀察發現，上筋板短豎焊縫開裂居多，下筋板短豎焊縫開裂較少，且開裂均始于短豎焊縫上下端。彎板板材厚度為16mm，短豎焊縫設計為雙向4mm 坡口角焊縫，鈍邊為8mm，未要求全焊透。

圖2 短豎焊縫開裂形貌

選取開裂比例較大的兩個供貨商生產的、在道上已經開裂的彎板分別取樣進行焊縫低倍檢查、裂紋分析及斷口分析；為了方便描述將所選取的兩個供貨商樣品分別編號為1#、2#，1#為左彎板（見圖3a），2#為右彎板（見圖3b）。1#其中一個短豎焊縫開裂較長，人工打開觀察斷口形貌，其余用來進行宏觀分析。

將彎板短豎焊縫沿垂直焊縫方向剖開，進行熱酸蝕低倍檢查。檢查發現1#、2#均存在焊接氣孔、夾渣及根部未焊透現象，母材具有一定的帶狀偏析及分層現象，見圖3c、3d，1#兩個焊縫與彎板基板的熔深約為0.5mm 及1mm；2#兩個焊縫與彎板基板的熔深約為1mm 及2mm。

圖3 1#、2#試樣及其短豎焊縫剖面宏觀形貌

1.2 斷口分析

1#試樣其中一個短豎焊縫開裂較長（圖4a），采用機械手段打開觀察斷口形貌（圖4b）。發現該焊縫存在大量氣孔及未熔合（圖4c），靠近人工打開區域可見疲勞貝紋線（圖4d），斷面局部微觀可見疲勞輝紋（圖4e），斷口最后開裂區域為韌窩（圖4f）。

圖4 彎板焊縫斷口SEM形貌

1.3 金相分析

對1#、2#試樣焊縫處進行金相高倍觀察。在1#焊縫熔合區可見超大單顆粒氧化物非金屬夾雜物，直徑為0.7mm（圖5a）；焊縫內存在夾渣及焊接裂紋（圖5b）。2#試樣熔合區發現粗系氧化鋁類非金屬夾雜物，長約345μm，寬約10μm，依據標準評定為B2e（圖5f）。1#焊縫區金相組織為索氏體+鐵素體，呈魏氏組織形態（圖5c），熱影響區組織為欠熱珠光體+鐵素體，焊縫熱影響區晶粒度為6.5 級（圖5d），母材組織為鐵素體+珠光體，母材晶粒度為8.5 級（圖5e）。2#焊縫區索氏體+鐵素體，呈魏氏組織形態（圖5g），熱影響區組織為欠熱珠光體+鐵素體，焊縫熱影響區晶粒度為7.5級（圖5h），母材組織為鐵素體+珠光體，母材晶粒度為8 級（圖5i）。

圖5 1#、2#、試樣短豎焊縫金相顯微組織

1.4 化學成分分析

按照GB/T 223-2008《鋼鐵及合金化學分析方法》分別對彎板的四家供貨商所用的焊絲及其中開裂的彎板母材取樣進行化學成分分析，結果見表1，可見試樣的化學成分均符合GB/T8110 和GB/T700 標準要求。

表1 各彎板供貨商用材化學成分 w/%

2 分析與討論

雙筋彎板主要應用于有砟道岔，整體板性能優于雙筋板，其受力方向改變，受力面增大，受力為切應力，而雙筋板焊接彎板的短豎焊縫屬于彎板工作時承受應力最大的區域，由于長時間振動和承受交變拉應力，且焊縫熔深不夠而導致疲勞斷裂。承受拉應力角焊縫面斷裂后，由于振動撕扯，導致壓應力角焊縫面斷裂。

因該結構焊接接頭承受正向拉壓應力，焊接接頭質量對彎板受力時的可靠性形成較大影響。通過低倍檢查、高倍觀察及斷口分析均發現該焊接接頭存在較嚴重焊接缺陷，開裂嚴重的焊接接頭存在大量氣孔、夾渣、焊接裂紋及未熔合，開裂略微輕微的也存在氣孔及夾渣。

通過以上試驗結果，可以得出，彎板開裂的主要原因為受正應力的短豎焊縫焊接接頭質量較差，存在較多焊接缺陷。存在焊接缺陷的焊接接頭在鐵路上承受較大的交變載荷作用，焊接裂紋擴展或者萌生疲勞裂紋，進而裂紋擴展，發生開裂。

為了進一步明確開裂原因，對出現開裂的三個供貨商進行了必要的生產現場調查，發現供貨商對該處焊接接頭均采用人工氣保焊，焊接工藝相對混亂。發現三家存在的共性問題：一是坡口未嚴格按照設計要求開具，存在一定的隨意性，導致熔深不一，出現焊偏的現象。二是焊接接頭鈍邊預留的熔合縫不規范，易導致未熔合缺陷。三是沒有對焊縫附近區域的鐵銹及污物進行清理打磨，從而極易引起夾渣及氣孔。個性的問題是：個別供貨商存在與工藝不符的問題，操作人員未按照焊接工藝執行，存在焊接電流偏大、咬邊等問題。這些不規范均會導致焊接接頭出現氣孔、夾渣、焊接裂紋等焊接缺陷，大大降低接頭強度。

3 結論與建議

列車支撐轉轍機彎板短豎焊縫開裂主要是由于彎板長時間振動和承受交變拉應力，且焊縫熔深不夠，致使沿短豎焊縫熔合線開裂而導致疲勞斷裂，承受拉應力角焊縫面斷裂后，由于振動撕扯，導致壓應力角焊縫面斷裂。

建議焊接應該在環境溫度大于等于5℃，溫度過低，焊接過程會發生冷變形，有殘余應力，會造成使用過程中應力集中。寒冷天氣，底板應預熱，減少冷變形。焊接應該在屋內，屋外風大氣孔會增多。加強焊接過程工藝控制，保證在焊縫兩側20mm 內必須清理干凈，去除表面氧化皮和銹蝕。對于16mm 的筋板，4mm 的坡口過于小，不能焊透，建議加大坡口至7mm，進行雙面焊，保證焊透，提高焊縫的強度。點焊時焊縫間隙加2mm 的板，焊接時去掉，可以通過多層多道工藝保證焊透。焊接時氣體比例對焊縫有影響，二氧化碳保證焊縫熔深，氬氣主要是保證表面質量，防止氧氣進入，造成焊縫氣孔。建議彎板出廠前進行型式實驗，在振動臺進行模擬，掌握現場使用工況以及與承載負荷是否相適應。