钢轨闪光焊焊接断裂分析

刘锦燕，李大东，张春兰

（攀枝花钢铁有限责任公司钢铁研究院，四川攀枝花  617001）

摘  要：应用金相和电镜方法对75kg/m断轨的金相组织、断口形貌进行了分析。结果表明，闪光焊焊接时锻量不足，加之焊缝在正火后冷速较快形成粗大马氏体组织是造成钢轨早期断裂的原因。

关键词：钢轨；闪光焊；焊接接头；断裂分析

概况

钢轨及其焊接接头的质量直接涉及到国家和旅客的生命财产安全，历来受到铁路工务部门的高度重视和严格检验。某焊轨厂通过CAas-80/580型闪光焊机将75kg/mPD3热轧钢轨焊接成长轨条后，发往线路段换轨。其中一支25m定尺焊轨在换轨过程中接头出现断裂，为避免类似事故的发生，对断轨进行了分析。

1  宏观形貌观察及低倍检验

断轨的外观形貌如图1所示，起裂于轨头焊缝处，断裂轨迹呈“S”形。从断口上的放射状形貌特征和疲劳纹可判定裂纹源在轨头端面中心部位，其颜色也说明是先断部位并经历了疲劳过程，局部存在熔融状覆盖层，使局部断口失去金属光泽；其余部分为瞬断区，具有金属光泽，裂纹源局部放大形貌如图2所示。在近断面处横向截取试片做低倍检验，试片上未发现异常冶金缺陷。

2  断口分析

用电子探针对裂纹源及近裂纹源处的断口进行观察，裂纹源区的微观形貌如图3 所示，其上及周围存在大量熔凝的颗粒状物，经能谱分析，主要成分有S、Si、Mn、Fe、Al。图4、图5分别为裂纹源附近的熔融状表面和未闭合的火坑。

3  显微组织分析

分别截取裂纹源及周围的金相试样数个，纵横向进行磨制、抛光、腐蚀后，在显微镜下观察，发现裂纹源处(垂直于断面)的边缘组织为马氏体+珠光体+少量上贝氏体，马氏体的显微硬度为HV(100g)=665。裂纹沿马氏体区扩展且晶粒粗大，如图6、图7所示，按YB/T5148-93《金属平均晶粒度测定方法》评定为3.5级，经测定从断口面至全珠光体处，马氏体层的深度约为6.6mm。轨头踏面试样纵向磨面上，肉眼可见白色的脱碳层焊缝，经测量其宽度为0.5mm。距踏面约4.5mm处的焊缝两侧开始出现马氏体，如图7 所示。断口母材的非金属夹杂物级别按GB/T10561-89《非金属夹杂物评定标准》评定：A 类2.5级，B 类1.5级，C类1.0级，D类0.5级。钢轨母材为正常珠光体组织。

4  结果分析与结论

由以上检验可知，钢轨母材的非金属夹杂物、组织和成分均属正常。钢轨属疲劳断裂。断口端面上的熔融状表层和火坑是由于闪光焊过程中工艺异常等原因所致，顶锻不足，使焊口处熔融金属层难以排净，火口难以封闭，形成了薄弱部位，降低了钢轨接头的承载能力。在正常情况下，闪光焊的焊缝脱碳层宽度约0.2mm左右，而该钢轨焊缝接头脱碳层达到0.5mm，从另一个侧面也表明了顶锻量不足。钢轨接头表面金属组织为珠光体+微量铁素体，说明接头的表面焊后冷速正常。而踏面以下4.5mm处焊缝出现粗大马氏体的异常现象，表明接头内部冷速过快。此现象与正常的钢轨接头焊后冷却规律相反，一般是接头表面冷却速度较快，而内部冷却速度较慢。由此表明，出现异常现象的原因是焊后接头正火工序中，当表面温度下降到相变温度以下，而内部尚仍在相变温度以上时，采取了强制浇水冷却的方式冷却，导致异常现象发生。后经焊轨厂调查确认：由于正火工作人员急于下班，当接头表面颜色刚变暗时(温度约450℃左右)，采用冷却水强制冷却接头。由于焊缝出现大面积的马氏体，因而使焊接接头处于脆性状态，在外力的作用下，此钢轨在焊缝处发生断裂是必然的。

因此钢轨闪光焊焊接工艺异常和焊缝组织不良是造成断轨的主要原因。