钢轨闪光焊试验件断裂原因分析

摘 要： 采用光谱分析、金相分析和扫描电镜等手段对钢轨闪光焊试验件断裂原因进行分析，其结果表明，由于焊接工艺不当，使熔合区产生夹层及轨底角出现灰斑，降低了钢轨的强度，在做落锤试验时发生断裂。
关键词： 钢轨 闪光焊 断裂
1 情况简介
    某铁路工务机械厂对新研制的钢轨闪光焊试验件做落锤试验时发生断裂，两个试验件均在闪光焊熔合区沿钢轨横截面发生脆性断裂，断口宏观形貌如图1，为查明其断裂原因，对断口化学成分、金相组织及断口宏观、微观形貌等进行分析。钢轨试验件的材质为U75V；型号：60Kg/m；工艺流程是：纵向焊接将两个钢轨对接在一起—纵焊缝火焰正火处理—钢轨横截面对接手工封闭焊—钢轨闪光对焊——闪光焊熔合区中频正火处理，（见图2）。

图1 断口宏观形貌

图2 钢轨焊接示意图

2 理化检验
2.1 化学成分分析
    钢轨（材质：U75V）和断口平整面（闪光焊熔合区）两部分进行化学成分光谱分析（试样为图3中的3#），结果见表1。

表1 化学成分分析结果
Tab．1 Result of chemical composition analysis （%）

上述结果可看出：钢轨化学成分符合标准要求，但断口平整面的含碳量远远低于钢轨的含碳量。
2.2 断口宏观特征
    断口宏观形貌为:轨腰和轨脚处为灰色平整面，且无塑性变形，此平整面为发亮的小刻面，具有金属光泽；轨头为撕裂区，可显见撕裂棱的扩展方向，此撕裂区与平整面有一定的高度差，使整个断口呈“L”型，见图4。

 

2.3 断口微观分析
    在轨腰处取一段断口试样做扫描电镜分析(见图4中的B段)，断口微观形貌为准解理(见图5)，属偏脆性断口；A段为撕裂区,其微观形貌为解理断口(见图6)，也属于脆性断口；焊缝区微观形貌为解理+准解理+少量沿晶(见图7)，此区未发现夹杂等缺陷，属偏脆性断口；轨底角处发现少量灰斑存在（见图 8）。

图6 250×   

图8  

 

2.4 金相试样分析
    将图2中1#试样（即钢轨轨头部分取下的断口面）磨平，经4%的硝酸酒精浸蚀后，宏观显示钢轨纵焊缝熔合良好，如图9，图中a区显微镜观察其金相组织为索氏体，b区金相组织为树枝晶状的铁素体+索氏体，见图10，热影响区组织为细珠光体+铁素体；将图2中钢轨轨腰部分取下，磨其纵截面，经4%的硝酸酒精浸蚀后，显示出轨腰纵向宏观形貌，见图11，图中焊肉处金相组织为索氏体+铁素体，热影响区金相组织：细珠光体+铁素体，钢轨基体组织：珠光体。

 

3 结果分析与讨论
    1、由以上检验可知，钢轨母材的组织和成分均属正常，但闪光焊熔合区即断口平整面的化学成分异常。
    2、断口无未焊合、夹渣、过烧等缺陷，焊缝区金相组织为索氏体+少量的树枝晶状铁素体，说明焊肉已经过正火处理，但还存在树枝晶状铁素体，是由于正火处理的加热时间短造成的；焊缝周围轨头处微观形貌为粗大的解理面，其金相组织为较粗的珠光体组织，图11中闪光焊焊接热影响区金相组织为细珠光体+铁素体，说明闪光焊后正火处理状态良好，其断口微观形貌为较细的解理面；而钢轨基体组织为粗的珠光体。
    3、大的平整断口区域组织为索氏体+铁素体，其含碳量为0.19%，且微观形貌为偏脆性准解理面，此区域与钢轨基体成分相差很大，接近焊丝的成分，经了解，厂家为了减少闪光焊出现的灰斑，在闪光对焊前，将两段钢轨对接处进行了手工封闭焊，由于封闭焊时，焊接工艺制定不合理，使闪光焊顶锻时未将封闭焊的焊肉全部挤出，使其部分残留在熔合区内，形成以低含碳量为主的夹层，此夹层强度比钢轨本体强度低，无法承受标准要求的冲击功，在做落锤试验时，锤头着落点为闪光焊熔合区，经受力分析，力的分布见图12，由图12可看出，闪光焊熔合区上下表面受力最大，加之轨底角处有少量的灰斑存在，因此试验件受力后，在轨底处先开裂，并沿着夹层迅速扩展。此夹层宏观反映为断口平整面。

4 结论
    综上所述，两个试验件的断口一个存在灰斑、另一个未见灰斑存在，但两个试验件在闪光焊熔合区都有夹层存在，因此，试验件断裂主要原因是由于焊接工艺不当，使闪光焊熔合区存在低强度夹层造成的。
5 建议
    制定手工封闭焊工艺时，要减小试验件坡口的深度及焊缝的宽度，使闪光焊顶锻时把焊缝处的焊肉全部挤出，熔合区不存在夹层，而是钢轨熔合后的整体，以保证闪光焊熔合区的强度。