60 kg/m U75V钢轨闪光焊接头断裂原因分析

许鑫 杨其全 钟进军 吕晶 张倩 王玉婷 王雪娜

1.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081；2.中国铁路上海局集团有限公司工务部，上海 200071

国内一铁路线路60 kg/m U75V 钢轨闪光焊接头在服役过程中发生断裂，断裂的闪光焊接头于2017年12 月在现场焊接。断轨处为无缝有砟线路曲线上股，曲线长617 m，曲线半径800 m，超高120 mm，平坡，坡长945 m。锁定轨温为32.4 ℃，断轨时轨温为19.8 ℃。断轨时通过总质量约为1.4 亿t。断裂闪光焊接头处存在低塌病害，低塌达1.8 mm，造成线路空吊。为查明闪光焊接头断裂原因，本文对断裂闪光焊接头进行检验和分析。

1 理化检验及分析

1.1 宏观形貌观察

从断裂闪光焊接头宏观形貌（图1）可以看出，焊接接头为横向断裂。裂纹源附近的轨底下表面可见白亮打磨痕迹，如图2 所示。从耦合断口的宏观形貌（图3）可以看出，断口为典型的疲劳断口。断裂起源于钢轨轨底角下表面，从轨底角外侧面至腰底过渡圆弧处的弧形区域（半径约80 mm）为慢速扩展区和快速扩展区。慢速扩展区断口平直，整个区域为黑色，氧化锈蚀严重，在慢速扩展区内存在一块特殊区域，其形貌凹凸不平；快速扩展区断口粗糙，为浅灰色，部分锈蚀，可见疲劳弧线；瞬断区为粗糙的脆性断口。

图1 断裂闪光焊接头宏观形貌

图2 轨底下表面裂纹源附近宏观形貌

图3 耦合断口宏观形貌

1.2 断口扫描电镜观察及能谱分析

对2#断口进行扫描电镜形貌观察及能谱分析，结果见图4、图5。选样位置参见图3（b）。

图4 扫描电镜观察的断口形貌

图5 不同区域能谱分析结果

从图4 可以看出：闪光焊接头断裂起源于轨底角下表面打磨区域，裂纹源附近断口已碾压变平；慢速扩展区断口已碾压变平；宏观断口观察到的特殊区域断口为碾压形貌，无其他异常形貌。从图5可以看出，各区域断口氧化锈蚀严重。综上，该闪光焊接头断口主要表现为疲劳碾压形貌特征。

1.3 显微组织及显微维氏硬度测试

为了观察裂纹源区域及附近区域的显微组织特征，制取金相试样，取样位置参见按图3（b）。试样经4%硝酸酒精浸蚀前后的组织形貌见图6（a）、图6（b）。可以看出，浸蚀前裂纹源附近无异常组织，浸蚀后裂纹源及其附近位置存在白层组织［图6（c）］。观察发现，远离裂纹源的轨底下表面也存在断续的白层组织，厚度约为0.03 mm，如图6（d）所示，对白层组织及其附近母材组织进行显微维氏硬度测试，其硬度平均值分别为766、392 HV0.1，可知裂纹源及其附近白层组织应为马氏体。

图6 试样金相组织及显微维氏硬度（单位：HV0.1）

1.4 闪光焊接头材质性能检测分析

1.4.1 母材化学成分

按 TB/T 2344—2012《43 kg/m ～ 75 kg/m 热轧钢轨订货技术条件》的要求取样，依据GB/T 4336—2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》进行闪光焊接头母材化学成分检测，结果见表1。可知，闪光焊接头母材化学成分符合TB/T 2344—2012的要求。

表1 母材化学成分 %

1.4.2 焊缝晶粒度

依据GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》进行闪光焊接头不同部位的晶粒度检测，晶粒度照片及评级结果见图7。TB/T 1632.2—2014《钢轨焊接第2 部分：闪光焊接》对焊缝晶粒度的规定为：轨头不应低于8 级，轨底三角区不应低于6 级。由图7 可知，该焊接接头的晶粒度满足技术要求。

图7 不同部位的晶粒度照片及评级结果

1.4.3 热影响区形貌

钢轨经闪光焊焊接后，焊缝区域脆性增大，影响无缝线路的使用性能和寿命，须进行焊后热处理［1］。一般闪光焊接头原焊接热影响区宽度在20 ～40 mm，呈长条形，如图8（a）所示。为细化焊缝晶粒进行焊后热处理，热处理后的热影响区宽度一般在60 ～90 mm，为花瓶状。按照TB/T 1632.2—2014，对闪光焊接头纵断面试样用5%硝酸酒精进行腐蚀，可清晰观察到焊缝及焊缝两侧热影响区与母材的交界线，如图8（b）所示。可见，该闪光焊接头的焊后热处理正常。

图8 焊后热处理前后焊接热影响区宏观形貌

2 原因分析与讨论

闪光焊接头发生起源于轨底的横向断裂，主要原因包括：①轨底存在锈蚀坑引起应力集中发生断裂；②轨底存在推凸飞边等应力集中缺陷；③焊接接头内部存在缺陷，如未焊合、焊后热处理不当产生粗晶组织等；④出现马氏体等导致钢轨强韧性降低的组织，如焊接过程中电极灼伤，砂轮打磨不当形成打磨灼伤等；⑤使用不当造成闪光焊接头发生非正常断裂［2-3］。

所检测的闪光焊接头在线路使用近一年半时间发生断裂，宏观形貌结果表明其表面轻微锈蚀，裂纹源及轨底附近未见锈蚀坑、推凸飞边等，因此排除锈蚀或推凸飞边引起断裂的可能。断口扫描电镜微观形貌未见未焊合缺陷，闪光焊接头的焊后热处理正常，焊缝晶粒度结果满足技术要求，未见粗晶组织，因此也可排除焊接接头内部缺陷的可能。

在役钢轨轨底断面承受的应力主要有动弯应力、钢轨不平顺引起的冲击应力、长轨条的温度拉应力和钢轨残余应力等［4］。当上述应力的合力（弯曲拉应力）达到或接近钢轨的弯曲疲劳强度极限时，在受拉应力较大的缺陷处萌生疲劳裂纹并扩展。所检测的闪光焊接头轨底下表面裂纹源及其附近位置存在白层马氏体组织，马氏体的存在会降低钢轨疲劳强度，且断轨附近存在低塌病害，增大了闪光焊接头的受力［5］。在弯曲拉应力作用下，裂纹由马氏体组织处萌生并扩展最终导致闪光焊接头横向疲劳断裂。因此，轨底下表面出现马氏体是导致闪光焊接头断裂的主要原因。

钢轨材料属于高碳钢，产生的马氏体组织为硬度高、韧性差的高碳马氏体组织。马氏体组织的存在使钢轨结构脆化以及韧性变差，导致钢轨承受载荷及冲击的能力下降，寿命缩短，在应力作用下极易萌生疲劳裂纹并引起钢轨断裂，影响线路行车安全［6-7］。

钢轨现场闪光焊的工艺流程主要包括三个步骤：焊前检查预处理→钢轨焊接→焊后处理［8］。其中钢轨焊接过程中，如果钢轨与焊机电极接触不良会产生电极灼伤，而焊后处理会对闪光焊接头进行粗打磨、精磨，如果打磨不当会产生打磨灼伤。电极灼伤和打磨灼伤都会在钢轨表面局部形成硬而脆的马氏体组织，区别在于电极灼伤会在钢轨表面形成明显的凹坑。由于该闪光焊接头裂纹源及附近未观察到凹坑形貌，但可以观察到明显打磨痕迹，可见轨底下表面的马氏体是打磨不当产生的。

砂轮打磨钢轨时，一次打磨量过大会造成钢轨表面产生局部高温。当其超过该钢材的临界转变温度时，就会使材料处发生奥氏体转变，然后通过钢轨自身的热传导快速冷却，从而产生马氏体组织［8-9］。所检测的闪光焊接头的焊接时间正值冬季，环境温度和轨温都较低，进一步加速了钢轨打磨后局部温度的降低，促进了马氏体的形成。

观察闪光焊接头轨底下表面打磨痕迹特征，仅在裂纹源附近局部有打磨痕迹。究其原因，可能是在焊后处理进行探伤检查和外观检查时发现该位置有伤损或尺寸不合格，使用手砂轮进行局部打磨，打磨量过大造成轨底局部产生高温，形成了马氏体组织。

3 结语

本文针对断裂60 kg/m U75V 钢轨闪光焊接头进行了宏观形貌观察、断口扫描电镜观察及能谱分析、显微组织观察和材质分析试验，并根据检验结果分析了断裂原因。认为闪光焊接头轨底下表面因打磨不当产生了马氏体组织，服役过程中在弯曲拉应力作用下由马氏体组织处萌生裂纹并疲劳扩展，最终导致了焊接接头横向断裂。建议焊接施工人员总结经验，用打磨方式清除焊缝表面缺陷时控制好单次打磨量，避免打磨工艺不当造成打磨灼伤，进而产生马氏体这类有害组织。