钢轨焊前轨端轨腰裂纹造成焊接接头伤损的研究

钢轨焊前轨端轨腰裂纹造成焊接接头伤损的研究摘要:通过对多起焊接接头伤损典型案例的分析研究,综合描述几种轨腰裂纹的断裂形态以及裂纹源区的断口宏观形貌、金相组织等典型特征,确定在焊接前轨端存在轨腰裂纹是导致接触焊焊接接头形成轨腰纵向、斜向裂纹和横向断裂的主要原因,并分析讨论了轨端、轨腰裂纹产生的原因。关键词:钢轨焊接轨端裂纹焊接接头伤损1断裂形态及裂纹源区的断口宏观形貌图1至图3为焊接接头轨腰裂纹的断裂形态典型照片(虚线箭头所指为裂纹扩展方向),裂纹有的从熔合线一侧沿纵向以单边扩展为主,扩展到一定阶段改变方向向轨头和轨底斜向扩展至横向断裂(图1);而有的则向熔合线两侧双边扩展,在钢轨动弯应力的作用下,向轨头和轨底斜向扩展,裂纹穿透轨头轨底最终形成“S”形断裂(图2)或横向断裂(图3)。钢轨焊前轨端裂纹造成钢轨焊接接头轨腰纵向、斜向裂纹的宏观断口的主要区域为:①裂纹源区,是位于轨腰焊缝熔合线一侧、具有一定面积的脆性扩展区;②从裂纹源脆性扩展区前沿向前扩展的疲劳扩展区;③与裂纹源区位于熔合线同一侧的快速扩展区和最终断裂区;④起源于裂纹源区从熔合线向熔合线另一侧扩展的疲劳扩展区;⑤位于熔合线另一侧的快速扩展区和最终断裂区。上述5个区域并非此类伤损的每个断口上都全部存在,对于在熔合线一侧以单边扩展为主的,在熔合线另一侧疲劳和快速扩展区将很小或没有;有的断口由于裂纹源区较大或受力较大而疲劳扩展区并不明显。但它们的裂纹源区却有共同特点,即都是位于焊缝熔合线一侧且形貌特征基本相似。图4、图5、图6分别为图1、图2、图3所示的焊接接头轨腰纵向、斜向裂纹宏观断口的形貌。裂纹源区均为脆性扩展区(焊前微裂纹及焊后快速扩展区),位于焊缝熔合线一侧,该区断口已明显氧化锈蚀和呈暗色。断口有脆性断口的形貌特征,同时在这一区域靠近熔合线一侧有横向条纹状或层状形貌(为接触焊顶锻时在裂纹处的挤压变形特征)。根据其形貌特征和分布位置,可判定该脆性扩展区是在焊接以前原钢轨轨端就已存在裂纹,焊接后继续向轨腰内部扩展而形成脆性裂纹即裂纹源区。2裂纹源区的微观形貌特征经对断口靠近熔合线处的金相组织观察,发现在熔合线一侧即宏观断口有氧化特征的裂纹源区(焊前裂纹及焊后快速扩展区),因焊接时原有轨端裂纹受到高温氧化作用,金相组织有明显脱碳特征,铁素体含量较多(图7);熔合线另一侧的裂纹是在焊后使用过程中形成的,没有脱碳特征(图8)。通过扫描电镜检验断口裂纹源区,除观察到有明显氧化锈蚀特征(图9)外,还有因轨端裂纹在焊接顶锻过程中受挤压而形成的挤压条纹特征(图10),也证明了钢轨在焊接前就已经存在轨端裂纹。3焊接钢轨断裂的原因通过对所检验的十几起类似伤损案例的总结分析,认为这些焊接接头伤损案例的发生不是由于偶然原因引起的,而是有它的必然原因,因钢轨在焊接前端部存在轨腰裂纹,焊接后钢轨在使用中轨腰裂纹不断扩展,最终导致了钢轨发生断裂。钢轨在焊接前就在其轨腰端部存在有纵向或斜向分布的裂纹(通常为脆性裂纹),靠近熔合线处的裂纹表层金属,在焊接过程中受焊接高温和氧化作用,使裂纹表层金属氧化脱碳颜色变黑;同时由于焊接顶锻过程中使部分裂纹受到挤压变形,裂纹源区断口有挤压条纹特征。这一原有裂纹在接触焊焊接时由于顶锻使其全部或部分熔融。通常钢轨在接触焊时对接钢轨的每个端面在闪弧至顶锻的焊接过程中,将分别缩短约16mm。当焊前轨腰裂纹沿纵向方向的长度16mm时,裂纹的尖端部分将仍存在于轨腰中即所谓微裂纹。由于焊接后长钢轨在铺设使用前的运输和铺设过程中可能会承受较大的弯曲应力,此时的微裂纹在裂纹尖端的应力集中作用下将可能快速扩展,形成焊后脆性扩展区即成为焊接接头轨腰的裂纹源区,裂纹源区通常是由焊前微裂纹及焊后快速扩展区组成的。由于每根接头轨的原有裂纹源区的分布位置、大小、形貌不同,列车通过时受力情况也不尽相同,因此裂纹沿裂纹源区扩展的方向和形式也不同,裂纹在裂纹尖端的应力集中作用下有的向熔合线一侧以单边扩展为主,有的向熔合线两侧双边扩展。裂纹在轨腰沿纵向水平或斜向扩展一定阶段后,分别向轨头和轨底方向扩展,发展成横向断裂或“S”形断裂,导致钢轨失效。因此可以认为在焊接前有轨端裂纹存在是造成焊接后接头轨腰裂纹产生和发展的根本原因,找出产生轨端裂纹的原因并采取有效措施,是避免此类焊接接头轨腰裂纹伤损的主要途径。4轨端裂纹产生原因分析与讨论在检验的此类伤损案例中,发现有多起轨腰的成分存在偏析,如1996年9月3日在上海局津浦线发生的断轨,轨腰碳含量达0.93%,并出现断续的网状渗碳体组织,造成焊接前轨端轨腰产生纵向裂纹;1998年1月11日,京沪线K1007+6号轨右股钢轨接触焊接头处折断和轨头揭盖,也与钢轨轨腰成分偏析(碳含量达0.88%,并出现断续的网状渗碳体组织)有关,因此控制钢轨成分偏析非常重要。在“时速200km客运专线60kgPm钢轨暂行技术条件”、和“时速300km客运专线60kgPm钢轨行技术条件”中,明确规定了成品钢轨横断面上任何部位的化学成分验证分析限值与熔炼分析限值的允许偏差(%)为:C为±0.02,Si为±0.02,Mn为+0.05,P为+0.005,S为±0.005。如果成品钢轨能够满足上述要求,将可有效地避免或减少由于冶金质量引起的轨腰伤损。由于接触焊时两对接钢轨通常将缩短约32mm,对接钢轨的每个端面在接触焊时闪弧至推突的焊接过程中,将分别缩短约16mm。如果轨端裂纹的裂纹源是位于或起源于原钢轨的端部,在焊接后该裂纹源已经消失,因此许多案例无法找出轨端裂纹形成原因的有力证据。钢轨轨端裂纹产生的具体原因,有待于研究部门与生产、焊接和使用部门密切合作进行深入细致的、系统的跟踪调查与研究。由于类似焊接接头断轨事故仍时有发生,严重危及行车安全。因此加强焊后探伤工作是防止存在轨腰裂纹的钢轨上道危及行车安全的必要措施。