地鐵線路鋼軌閃光焊接頭軌頭下顎傷損原因分析

王若愚 李大東 陸 鑫 申永代

(1.攀鋼集團(tuán)攀枝花鋼鐵研究院有限公司， 617000， 攀枝花； 2.攀鋼集團(tuán)公司鋼軌技術(shù)服務(wù)中心， 617067， 攀枝花∥第一作者， 副教授)

0 引言

無縫軌道線路能降低列車在運(yùn)行過程中的振動和沖擊，延長輪軌部件的使用壽命，為列車的正常運(yùn)行和行車安全提供有力保障[1]，因此，地鐵的軌道線路廣泛采用無縫線路。鋼軌接頭是地鐵軌道結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)之一[2]，鋼軌的焊接質(zhì)量受焊接設(shè)備、焊接工藝等眾多因素的影響。在鋼軌的焊接過程中，若不嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)，則在焊縫內(nèi)易產(chǎn)生如夾渣、氣孔、疏松、過燒、裂紋等缺陷[3-4]，這些缺陷在焊后探傷過程中容易被發(fā)現(xiàn)。但是，有的焊接接頭在焊后探傷中并未發(fā)現(xiàn)有缺陷，而在線路服役一段時間后，在軌頭下顎焊筋邊緣出現(xiàn)裂紋,該裂紋很快發(fā)展為線路的嚴(yán)重缺陷，最后導(dǎo)致斷軌事故[5]。

2020年初，我國已服役兩年多的某地鐵線路的鋼軌閃光焊接頭出現(xiàn)了多起軌頭下顎傷損，傷損接頭裂紋均從軌頭下顎焊筋邊緣發(fā)生，并向軌頭方向近乎垂直發(fā)展，且裂紋發(fā)展十分迅速，部分接頭在幾天時間內(nèi)即由輕微傷發(fā)展為嚴(yán)重缺陷。傷損接頭為U75V熱軋鋼軌，采用某國產(chǎn)閃光焊機(jī)焊接，對傷損接頭進(jìn)行滲透探傷后得到的裂紋形貌如圖1所示。傷損先在軌頭下顎處出現(xiàn)，部分嚴(yán)重情況已發(fā)展至軌頭，軌頭斷面的傷損情況如圖2所示。本文對該軌頭下顎的傷損原因進(jìn)行分析，以防止此類傷損再次發(fā)生。

圖1 傷損接頭滲透探傷的裂紋形貌Fig.1 Crack morphology in penetrant inspection of damaged joints

圖2 軌頭斷面的傷損情況Fig.2 Damage condition of rail head cross section

1 軌頭下顎傷損的宏觀檢驗

圖3為傷損接頭下顎的宏觀形貌，可見軌頭下顎部位焊縫外觀不佳、棱角多、推瘤后與母材形成的夾皮未打磨干凈。經(jīng)測量，接頭下顎部位推瘤焊縫余高大于3.0 mm(見圖4)，不滿足TB/T1632.2—2014《鋼軌焊接 第2部分：閃光焊接》標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“標(biāo)準(zhǔn)”)中下顎部位推瘤焊縫余高小于等于2.5 mm的要求[6]。

圖3 接頭下顎宏觀形貌及裂紋長度測量Fig.3 Macrostructure and crack length of rail jaw

圖4 下顎部位推瘤焊縫余高測量Fig.4 Measurement of weld reinforcement after trimming at rail jaw

同時，對傷損接頭進(jìn)行了滲透探傷，在接頭工作側(cè)下顎推瘤夾皮處下顎表面和工作側(cè)表面各有1條貫穿性的裂紋，其裂紋形貌如圖1所示。每條裂紋的長度約為12.0 mm，裂紋的總長度約為24.0 mm。

2 裂紋源微觀分析

為弄清裂紋的產(chǎn)生原因及查明焊縫組織是否異常，對有裂紋的工作側(cè)軌頭下顎部位取240 mm的長條樣壓斷，非工作側(cè)軌頭下顎焊縫處取長度25 mm的金相樣。

2.1 斷口形貌分析

鋸切下有裂紋的軌頭下顎樣，在壓力試驗機(jī)上壓斷，其斷口形貌如圖5所示。由圖5可見,斷口上有典型的疲勞核傷(俗稱“黑核”)[7-8]，該核傷表面平滑，疲勞裂紋源位于工作側(cè)和下顎的交界棱角的尖角處。

圖5 裂紋部位的斷口形貌Fig.5 Fracture morphology of the crack

為進(jìn)一步觀察起裂位置，采用LEICA M80體視顯微鏡觀察斷口，得到的裂紋形貌如圖6所示。對裂紋源進(jìn)一步放大，可見疲勞核傷裂紋起源位于推瘤與母材形成的夾皮處。

a) 斷口形貌

2.2 掃描電鏡分析

對帶有夾皮斷口的試樣采用線切割取樣。割下的試樣置于裝有丙酮的燒杯中,然后將燒杯放進(jìn)超聲波振蕩器中振蕩清洗2 min，烘干后采用ZEISS Sigma 500型場發(fā)射掃描電鏡觀察其斷口的微觀形貌。在掃描電鏡不同放大倍數(shù)下的斷口形貌如圖7所示。由圖7 a)可見,核傷起源位于推瘤與母材形成的夾皮處。對起裂源進(jìn)一步放大，由圖7 b)可見,該處有大量的微裂紋。再對局部裂紋進(jìn)行放大，由如圖7 c)可見,起裂源處有塑性變形萌生的疲勞裂紋。

a) 微觀形貌

2.3 金相分析

觀察電鏡形貌后，將該試樣沿圖8 a)白線切開，對切割面進(jìn)行觀察。金相試樣中部為閃光焊接頭焊縫，如圖8 b)所示，核傷處離焊縫約17 mm。

a) 線切割位置

推瘤后的焊縫彎曲及推瘤夾皮如圖9所示。工作側(cè)焊縫的組織形貌如圖10所示。推瘤夾皮與起裂源部位不同放大倍數(shù)的金相組織如圖11所示。通過仔細(xì)觀察可知，焊縫組織為鐵素體+珠光體，焊接熱影響區(qū)為珠光體+少量鐵素體，未發(fā)現(xiàn)馬氏體等異常組織。

a) 推瘤后焊縫偏轉(zhuǎn)

圖10 工作側(cè)焊縫的組織形貌Fig.10 Organizational morphology of working side weld

由圖11可見：焊縫推瘤夾皮與母材交界處脫碳明顯(圖11中的白色網(wǎng)狀區(qū)域)，脫碳層深度達(dá)到50～150 μm。尖角部位脫碳后形成了大量的鐵素體組織，加上該處尖角的應(yīng)力集中，鐵素體的疲勞強(qiáng)度很低[9]。在輪軌的反復(fù)作用力下,脫碳部位逐漸擴(kuò)展形成疲勞裂紋，在列車服役過程中疲勞裂紋逐漸擴(kuò)展形成疲勞核傷，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致接頭斷裂。

a) 起裂源脫碳微觀形貌

2.4 非工作側(cè)軌頭下顎焊縫金相分析

在鋼軌非工作側(cè)軌頭下顎焊縫取金相樣，其焊縫金相形貌如圖12所示。該軌頭下顎推瘤夾皮與母材過渡處的組織形貌如圖13所示。由圖13可見，非工作側(cè)軌頭下顎推瘤夾皮與母材過渡處也有明顯的尖角，在該尖角處形成了應(yīng)力集中，且脫碳深度達(dá)到了50～150 μm。在輪軌反復(fù)作用力下，該尖角處根部的脫碳部位已開始擴(kuò)展。隨時間推移,該脫碳部位持續(xù)擴(kuò)展,也會形成疲勞核傷。

圖12 非工作側(cè)軌頭下顎焊縫組織形貌截圖Fig.12 Screenshot of weld seam morphological microstructure of rail jaw on non-working

圖13 非工作側(cè)軌頭下顎推瘤夾皮與母材過渡處組織形貌截圖Fig.13 Screenshot morphology of transition part between the skin and base material of the non-working side rail jaw

通過對鋼軌非工作側(cè)軌頭下顎取樣分析可知，該處的焊縫組織為鐵素體+珠光體，焊接熱影響區(qū)為珠光體+少量鐵素體，未發(fā)現(xiàn)馬氏體等異常組織。軌頭下顎焊縫晶粒度為9級，這表明接頭在閃光焊接后采用了焊后正火工藝。該處的接頭組織及晶粒度均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3 軌頭下顎傷損原因分析

3.1 下顎處產(chǎn)生推瘤夾皮的原因分析

正常情況下，閃光焊機(jī)配套的推瘤刀與需焊接的鋼軌廓形匹配使用，可保證推瘤后的接頭全斷面焊縫余高滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，不會在下顎處的焊縫與母材間出現(xiàn)推瘤夾皮。當(dāng)推瘤刀與鋼軌廓形的間隙過大(其原因可能是使用時間較長、局部磨耗嚴(yán)重或與標(biāo)準(zhǔn)鋼軌廓形匹配不佳等)時，將導(dǎo)致推瘤后焊縫余高超高，焊縫與母材形成夾皮缺陷，該缺陷在正火前接頭平直度打磨或局部精磨時沒有修磨干凈。因此，在輪軌的反復(fù)作用下，該缺陷形成塑性變形、在尖角處萌生疲勞微裂紋，微裂紋逐漸擴(kuò)展形成疲勞核傷，并進(jìn)一步擴(kuò)展后導(dǎo)致接頭斷裂。地鐵線路的鋼軌在閃光焊接過程中，通常采用1臺移動閃光焊機(jī)匹配1把推瘤刀的做法，若推瘤刀與鋼軌的間隙過大，其產(chǎn)生的推瘤夾皮缺陷通常是批量性的，因此，該地鐵線路鋼軌閃光焊接頭軌頭下顎處出現(xiàn)了多起同一類型的傷損。

3.2 產(chǎn)生推瘤夾皮脫碳的原因分析

經(jīng)金相分析可知，軌頭下顎處的推瘤夾皮較薄(約500 μm)，接頭焊后火焰正火時間較長。當(dāng)接頭在高溫段的時間較長或加熱火焰為氧化焰時，將導(dǎo)致夾皮與母材過渡尖角處嚴(yán)重脫碳，該處脫碳將形成鐵素體組織，導(dǎo)致脫碳部位疲勞強(qiáng)度降低[9]。

4 結(jié)語

綜上所述，地鐵線路鋼軌閃光焊接頭下顎傷損的原因為：下顎部位推瘤后焊縫余高超標(biāo)，且推瘤后與母材形成的夾皮未打磨干凈，從而形成了明顯的尖角，導(dǎo)致應(yīng)力集中；此外，該處在焊后正火過程中脫碳，疲勞強(qiáng)度降低，在輪軌的反復(fù)作用下，夾皮與母材尖角處逐漸擴(kuò)展形成微裂紋，微裂紋逐漸擴(kuò)展形成疲勞核傷并進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致接頭斷裂。

為此，建議嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的3.4.4.2條規(guī)定(閃光焊接頭軌頭下顎部位推瘤后焊縫余高小于等于2.5 mm)，并將推瘤后焊縫與母材形成的夾皮打磨干凈。應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化正火工藝，采用弱碳化焰加熱，嚴(yán)格控制加熱的溫度和時間，避免接頭長時間處于高溫區(qū)形成脫碳。

對該地鐵線路的修復(fù)整改方案建議如下：對采用了與該下顎傷損同一臺閃光焊機(jī)焊接的其余接頭，須將推瘤后與母材形成的夾皮及脫碳層采用角磨機(jī)打磨干凈，并對軌頭下顎部位焊縫余高超標(biāo)處進(jìn)行打磨，使其與母材平緩過渡，以降低應(yīng)力集中。