60 kg/m U75V鋼軌閃光焊接頭斷裂原因分析

許鑫 楊其全 鐘進軍 呂晶 張倩 王玉婷 王雪娜

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081；2.中國鐵路上海局集團有限公司工務部，上海 200071

國內一鐵路線路60 kg/m U75V 鋼軌閃光焊接頭在服役過程中發生斷裂，斷裂的閃光焊接頭于2017年12 月在現場焊接。斷軌處為無縫有砟線路曲線上股，曲線長617 m，曲線半徑800 m，超高120 mm，平坡，坡長945 m。鎖定軌溫為32.4 ℃，斷軌時軌溫為19.8 ℃。斷軌時通過總質量約為1.4 億t。斷裂閃光焊接頭處存在低塌病害，低塌達1.8 mm，造成線路空吊。為查明閃光焊接頭斷裂原因，本文對斷裂閃光焊接頭進行檢驗和分析。

1 理化檢驗及分析

1.1 宏觀形貌觀察

從斷裂閃光焊接頭宏觀形貌（圖1）可以看出，焊接接頭為橫向斷裂。裂紋源附近的軌底下表面可見白亮打磨痕跡，如圖2 所示。從耦合斷口的宏觀形貌（圖3）可以看出，斷口為典型的疲勞斷口。斷裂起源于鋼軌軌底角下表面，從軌底角外側面至腰底過渡圓弧處的弧形區域（半徑約80 mm）為慢速擴展區和快速擴展區。慢速擴展區斷口平直，整個區域為黑色，氧化銹蝕嚴重，在慢速擴展區內存在一塊特殊區域，其形貌凹凸不平；快速擴展區斷口粗糙，為淺灰色，部分銹蝕，可見疲勞弧線；瞬斷區為粗糙的脆性斷口。

圖1 斷裂閃光焊接頭宏觀形貌

圖2 軌底下表面裂紋源附近宏觀形貌

圖3 耦合斷口宏觀形貌

1.2 斷口掃描電鏡觀察及能譜分析

對2#斷口進行掃描電鏡形貌觀察及能譜分析，結果見圖4、圖5。選樣位置參見圖3（b）。

圖4 掃描電鏡觀察的斷口形貌

圖5 不同區域能譜分析結果

從圖4 可以看出：閃光焊接頭斷裂起源于軌底角下表面打磨區域，裂紋源附近斷口已碾壓變平；慢速擴展區斷口已碾壓變平；宏觀斷口觀察到的特殊區域斷口為碾壓形貌，無其他異常形貌。從圖5可以看出，各區域斷口氧化銹蝕嚴重。綜上，該閃光焊接頭斷口主要表現為疲勞碾壓形貌特征。

1.3 顯微組織及顯微維氏硬度測試

為了觀察裂紋源區域及附近區域的顯微組織特征，制取金相試樣，取樣位置參見按圖3（b）。試樣經4%硝酸酒精浸蝕前后的組織形貌見圖6（a）、圖6（b）。可以看出，浸蝕前裂紋源附近無異常組織，浸蝕后裂紋源及其附近位置存在白層組織［圖6（c）］。觀察發現，遠離裂紋源的軌底下表面也存在斷續的白層組織，厚度約為0.03 mm，如圖6（d）所示，對白層組織及其附近母材組織進行顯微維氏硬度測試，其硬度平均值分別為766、392 HV0.1，可知裂紋源及其附近白層組織應為馬氏體。

圖6 試樣金相組織及顯微維氏硬度（單位：HV0.1）

1.4 閃光焊接頭材質性能檢測分析

1.4.1 母材化學成分

按 TB/T 2344—2012《43 kg/m ～ 75 kg/m 熱軋鋼軌訂貨技術條件》的要求取樣，依據GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜法（常規法）》進行閃光焊接頭母材化學成分檢測，結果見表1。可知，閃光焊接頭母材化學成分符合TB/T 2344—2012的要求。

表1 母材化學成分 %

1.4.2 焊縫晶粒度

依據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》進行閃光焊接頭不同部位的晶粒度檢測，晶粒度照片及評級結果見圖7。TB/T 1632.2—2014《鋼軌焊接第2 部分：閃光焊接》對焊縫晶粒度的規定為：軌頭不應低于8 級，軌底三角區不應低于6 級。由圖7 可知，該焊接接頭的晶粒度滿足技術要求。

圖7 不同部位的晶粒度照片及評級結果

1.4.3 熱影響區形貌

鋼軌經閃光焊焊接后，焊縫區域脆性增大，影響無縫線路的使用性能和壽命，須進行焊后熱處理［1］。一般閃光焊接頭原焊接熱影響區寬度在20 ～40 mm，呈長條形，如圖8（a）所示。為細化焊縫晶粒進行焊后熱處理，熱處理后的熱影響區寬度一般在60 ～90 mm，為花瓶狀。按照TB/T 1632.2—2014，對閃光焊接頭縱斷面試樣用5%硝酸酒精進行腐蝕，可清晰觀察到焊縫及焊縫兩側熱影響區與母材的交界線，如圖8（b）所示。可見，該閃光焊接頭的焊后熱處理正常。

圖8 焊后熱處理前后焊接熱影響區宏觀形貌

2 原因分析與討論

閃光焊接頭發生起源于軌底的橫向斷裂，主要原因包括：①軌底存在銹蝕坑引起應力集中發生斷裂；②軌底存在推凸飛邊等應力集中缺陷；③焊接接頭內部存在缺陷，如未焊合、焊后熱處理不當產生粗晶組織等；④出現馬氏體等導致鋼軌強韌性降低的組織，如焊接過程中電極灼傷，砂輪打磨不當形成打磨灼傷等；⑤使用不當造成閃光焊接頭發生非正常斷裂［2-3］。

所檢測的閃光焊接頭在線路使用近一年半時間發生斷裂，宏觀形貌結果表明其表面輕微銹蝕，裂紋源及軌底附近未見銹蝕坑、推凸飛邊等，因此排除銹蝕或推凸飛邊引起斷裂的可能。斷口掃描電鏡微觀形貌未見未焊合缺陷，閃光焊接頭的焊后熱處理正常，焊縫晶粒度結果滿足技術要求，未見粗晶組織，因此也可排除焊接接頭內部缺陷的可能。

在役鋼軌軌底斷面承受的應力主要有動彎應力、鋼軌不平順引起的沖擊應力、長軌條的溫度拉應力和鋼軌殘余應力等［4］。當上述應力的合力（彎曲拉應力）達到或接近鋼軌的彎曲疲勞強度極限時，在受拉應力較大的缺陷處萌生疲勞裂紋并擴展。所檢測的閃光焊接頭軌底下表面裂紋源及其附近位置存在白層馬氏體組織，馬氏體的存在會降低鋼軌疲勞強度，且斷軌附近存在低塌病害，增大了閃光焊接頭的受力［5］。在彎曲拉應力作用下，裂紋由馬氏體組織處萌生并擴展最終導致閃光焊接頭橫向疲勞斷裂。因此，軌底下表面出現馬氏體是導致閃光焊接頭斷裂的主要原因。

鋼軌材料屬于高碳鋼，產生的馬氏體組織為硬度高、韌性差的高碳馬氏體組織。馬氏體組織的存在使鋼軌結構脆化以及韌性變差，導致鋼軌承受載荷及沖擊的能力下降，壽命縮短，在應力作用下極易萌生疲勞裂紋并引起鋼軌斷裂，影響線路行車安全［6-7］。

鋼軌現場閃光焊的工藝流程主要包括三個步驟：焊前檢查預處理→鋼軌焊接→焊后處理［8］。其中鋼軌焊接過程中，如果鋼軌與焊機電極接觸不良會產生電極灼傷，而焊后處理會對閃光焊接頭進行粗打磨、精磨，如果打磨不當會產生打磨灼傷。電極灼傷和打磨灼傷都會在鋼軌表面局部形成硬而脆的馬氏體組織，區別在于電極灼傷會在鋼軌表面形成明顯的凹坑。由于該閃光焊接頭裂紋源及附近未觀察到凹坑形貌，但可以觀察到明顯打磨痕跡，可見軌底下表面的馬氏體是打磨不當產生的。

砂輪打磨鋼軌時，一次打磨量過大會造成鋼軌表面產生局部高溫。當其超過該鋼材的臨界轉變溫度時，就會使材料處發生奧氏體轉變，然后通過鋼軌自身的熱傳導快速冷卻，從而產生馬氏體組織［8-9］。所檢測的閃光焊接頭的焊接時間正值冬季，環境溫度和軌溫都較低，進一步加速了鋼軌打磨后局部溫度的降低，促進了馬氏體的形成。

觀察閃光焊接頭軌底下表面打磨痕跡特征，僅在裂紋源附近局部有打磨痕跡。究其原因，可能是在焊后處理進行探傷檢查和外觀檢查時發現該位置有傷損或尺寸不合格，使用手砂輪進行局部打磨，打磨量過大造成軌底局部產生高溫，形成了馬氏體組織。

3 結語

本文針對斷裂60 kg/m U75V 鋼軌閃光焊接頭進行了宏觀形貌觀察、斷口掃描電鏡觀察及能譜分析、顯微組織觀察和材質分析試驗，并根據檢驗結果分析了斷裂原因。認為閃光焊接頭軌底下表面因打磨不當產生了馬氏體組織，服役過程中在彎曲拉應力作用下由馬氏體組織處萌生裂紋并疲勞擴展，最終導致了焊接接頭橫向斷裂。建議焊接施工人員總結經驗，用打磨方式清除焊縫表面缺陷時控制好單次打磨量，避免打磨工藝不當造成打磨灼傷，進而產生馬氏體這類有害組織。