推凸质量对钢轨焊头使用性能的影响

1、推凸质量对钢轨焊头使用性能的影响刘红军，陈明鸣，车小莉（1. 成都焊轨厂，成都610067；2.西南交通大学焊接研究所，成都610031）摘要：对取取自成昆线的的气压焊和闪闪光焊接头处处的断裂钢轨轨试件进行了了金相、硬度度、宏观断口口和微观断口口分析，以研研究焊接接头头断裂原因。金金相和硬度分分析未发现明明显异常组织织出现和硬度度分布，断口口分析表明试试件均为疲劳劳断裂，裂纹纹源位于焊瘤瘤趾部或焊瘤瘤内部靠近轨轨腰表面处。关键词：钢轨轨焊接推凸凸焊瘤焊头头质量成昆昆线K2944+31和KK297+333两处均为为整体道床，直直线线路，无无病害，坡度度1310 13116 ，于于2000年年12

2、 月铺铺设，20003 年8 月发现钢轨轨断裂，钢轨轨为60kggPm，材质质为U71MMn。K2994+31 处为现场气气压焊接头，2297+333处为焊轨厂厂闪光焊接头头。1 断口及金金相分析钢轨试件外外观形貌如图图1和图2 所示。K2294+311处试件长度度260mmm，轨腰焊瘤瘤高26 mm，纵向向裂纹长约1190 mmm，焊缝开裂裂处距轨底约约98mm。KK297+333试件长度度215mmm，轨腰焊瘤瘤高1154 mm，纵纵向裂纹长1135mm(不包括分枝枝) ，焊缝缝开裂处距轨轨底约78mmm。从宏观断口(图3、图44)可见，断断口为典型的的疲劳断口，KK294+331试件裂纹

3、纹源处于焊瘤瘤内部靠近轨轨腰表面与焊焊缝相交处，KK297+333试件裂纹纹源处于焊瘤瘤趾部。裂纹纹源均位于钢钢轨内侧。扫扫描电镜分析析试件均取自自启裂区，见见图5和图66。图5为KK294+331试件断口口扫描电镜照照片，其中可可见大量的空空洞、夹杂和和二次裂纹。图图6为K2997+33试试件断口扫描描电镜照片，也也有大量的空空洞和夹杂。电电子探针分析析表明，空洞洞和夹杂部位位主要为Fee，Mn和SSi等的氧化化物。对裂纹附近焊焊缝及热影响响区的金相分分析表明，两两试件的焊缝缝组织主要为为铁素体+珠珠光体，有网网状晶界铁素素体，其中KK294+331处试件焊焊缝有魏氏组组织，焊缝区区内未发现

4、明明显的夹杂物物和缺陷。过过热区组织主主要为铁素体体+珠光体，与与母材相比晶晶粒粗大，但但并不严重。典典型焊缝和过过热区金相照照片见图7。在裂纹附近近焊缝及距焊焊缝约60mmm的范围内内，在轨腰相相距16mmm的上、中、下下3条线上进进行维氏硬度度试验，其中中下测试点距距去掉轨底后后形成的边缘缘10mm。每每个测试点之之间相距5mmm（软化区区内相距2mmm） 。KK294+331试件焊缝缝、粗晶区、软软化区和母材材硬度分别为为280HBB、300 HB、2666 HB 和287 HB。K2297+333试件焊缝、粗粗晶区、软化化区和母材硬硬度分别为2270HB、3315HB、2260HB和和

5、300HBB。软化区均均距焊缝约225mm。两两试件，以及及上、中、下下测试点之间间硬度无明显显差异，粗晶晶区淬硬和软软化区软化均均不严重。22 检验结结果分析2.1 裂纹纹性质和裂纹纹源两试试件切割后，均均沿裂纹自然然分离，且整整个断口锈蚀蚀严重，未见见新鲜断口。宏宏观断口和扫扫描电镜照片片（图3、图图4、图5、图图6） 均为为将断口经1100 弱醋酸处理理，是基本清清除断口处的的锈污后的结结果。断口分分析（图3、图图4、图5、图图6） 表明明，两试件的的断裂由疲劳劳裂纹引起。KK294+331试件疲劳劳裂纹的启裂裂点位于焊瘤瘤内靠近推瘤瘤的起始点。KK297+333试件启裂裂点位于焊瘤瘤推

6、瘤尾部形形成的趾部。扫扫描电镜分析析和电子探针针分析表明焊焊瘤中的夹杂杂物和空洞是是疲劳裂纹启启裂的重要因因素。焊缝及及热影响区金金相组织、硬硬度值和硬度度分布无明显显异常，不是是引起钢轨断断裂的原因。在K297+33试件的2个裂纹尖端（图2）、K294+31试件裂纹右侧的2个分叉裂纹的尖端（图1）和其它部位未发现其它裂纹源；K294+31试件裂纹左部尖端已接近轨头底面（图1），在沿轨头底面切割试件时试件自然分离，说明截取试件时未能保留左侧裂纹尖端，因此无法明确判断此处是否有另一裂纹源。但与K297+33试件对比，可见两裂纹形态相同，且都有基本相同的启裂点，因此，可基本确认294+31试件的焊

7、瘤内靠推瘤的起始部位是唯一的启裂点。关于钢轨焊缝附近的轨腰纵向裂纹的裂纹源，文献1通过金相分析，认为是焊前钢轨端面存在微裂纹，而轨腰含碳量偏高和连续的网状渗碳体组织是造成焊前裂纹的原因。文献2认为钢轨闪光焊接头断裂的裂纹源在轨底和轨头，裂纹在轨底启裂是由于氧化使金属脱碳，轨头启裂是由于轮轨的冲击使轨头淬火层与基体界面出现疲劳裂纹。显然，本文中讨论的钢轨轨腰纵向裂纹与上述文献中的虽然都是疲劳裂纹，但裂纹源不同。2.2 裂纹形态和形成机理与钢轨焊接头有关的裂纹形态可分为3 类：S 形、H形、形3。然而，不论裂纹最终形态如何，共同的特点是均有与钢轨重心线大致平行的扩展段。K294+31试件属S形（左

8、侧）或H 形（右侧），K297+33试件属形。启裂点均在焊缝附近，裂纹通过疲劳扩展穿透轨腰厚度后，先大致沿与钢轨重心线平行的方向扩展，然后转向轨头和（或）轨底。根据此类裂纹的启裂点、裂纹形态和裂纹走向，可定性地分析裂纹启裂和扩展的机理。钢轨在轧制和较直过程中会产生 HYPERLINK 残余应力4 ，5，轨腰部位如有纵向残余压应力，由于泊松效应会产生垂向拉应力，使轨腰沿重心线劈裂。焊接 HYPERLINK 残余应力使钢轨中的残余应力更加复杂，但根据焊接残余应力分布的一般规律，轨腰厚度小于轨头和轨底，最先冷却，产生纵向残余压应力，是产生裂纹的力学因素。裂纹沿重心线方向扩展到转向之前的长度，应与焊接

9、残余应力区长度有关。由图1、图2和裂纹长度数据可见，K294+31试件（气压焊）比K297+33试件（闪光焊）水平段长度长，这是与两者的加热区宽度相对应的。所以，尽管列车载荷会在钢轨外侧轨腰产生拉伸弯曲应力6 ，但K294+31和K297+33试件均在钢轨内侧轨腰启裂，可见此时裂纹的扩展方向主要受焊接残余应力控制。裂纹扩展穿过焊接残余应力区之后，扩展方向则主要受列车载荷的控制，使裂纹由纵向（水平）转为垂向。综上所述，显然焊接残余应力是裂纹启裂和扩展的重要力学因素。在钢轨的冶金（包括焊接冶金）因素、残余应力和列车载荷之间，究竟哪个因素起决定性作用，目前还难以定量分析，而且也缺乏准确详细的调查资料

10、。例如，启裂点多数在钢轨内侧还是外侧，目前尚无资料可查。因此，笔者建议有关研究机构和施工、维修单位，开展对此类裂纹的调查，这将有利于加深对此类断裂的认识。3 结论K294+31和K297+33试件均为疲劳断裂，且启裂点均在钢轨内侧。K294+31试件启裂源在焊瘤内部靠近轨腰表面与焊缝相交处，K297+33试件启裂源在焊瘤趾部。两试件焊缝和热影响区组织、硬度值和硬度分布无明显异常。K294+31和K297+33试件的裂纹形态与常见的类似裂纹相同，但启裂点与现有文献报道的不同。建议重视此类断裂现象，加强有关此类断裂事故的调查和研究。定性分析判断，此类裂纹受焊接残余应力控制，先沿钢轨重心线方向扩展，裂纹穿过焊接残余应力区后，则主要受列车载荷的控制，由沿重心线方向扩展转为沿垂向扩展，最终形成S 形、H 形或形裂纹。参考文献1 邹定强，邢丽贤，杨其全，等。焊前轨端轨腰裂纹造成的焊接接头伤损的研究J。铁道建筑，2003，(10) ：729。2 丁成钢，陈春焕，史春元，等。钢轨闪光对焊接头断裂研究J . 焊接技术，1999， (3)：425。3 许广德，从钢轨断裂情况谈无缝线路焊轨应注意的问题J