重载铁路U78CrVH钢轨闪光焊接头轨头核伤缺陷分析

王东 涂占宽 彭鹏 李昕淼 谭锦红，3 李金华

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 100086； 2.大秦铁路股份有限公司 太原工务机械段，山西 晋中 030600； 3.华南理工大学， 广州 510641

重载铁路轴重大，运量大，单列最大载重大［1］，对轨道结构特别是钢轨性能要求很高。U78CrV 热处理（U78CrVH）钢轨是国内成功研发的高强高耐磨钢轨，广泛应用于重载铁路和小半径曲线线路［2］。

轮轨接触时，作用在钢轨顶面的力主要是接触应力。当接触应力超过钢轨的接触疲劳强度时，钢轨的轨头表面会产生接触疲劳伤损，如剥离裂纹、掉块等。同时，轮轨接触时钢轨轨头接触法向力和接触切向力共同作用，在轨头表面至内部产生与钢轨长度方向成45°角的接触剪应力。轮轨接触最大剪应力分布区域在轨头内部踏面以下5 ～ 13 mm［3］。重载铁路由于载重大的特点，作用在钢轨上的接触应力和接触剪应力更大，从力学的角度而言，钢轨表面更容易出现剥离裂纹、掉块等伤损。当钢轨内部存在夹杂物或有害组织时，更容易萌生出疲劳裂纹，疲劳裂纹发展到一定阶段，裂纹会转向横向扩展，从而形成轨头大面积疲劳裂纹。重载铁路闪光焊接头轨头核伤一般是由焊缝灰斑夹杂、疏松、存在马氏体有害组织等内部缺陷导致的，在焊接生产中应引起重视。

一重载铁路区段铺设了U78CrVH 钢轨，服役半年左右，陆续发现多个闪光焊接头轨头探伤存在反射回波超标的问题，出波位置基本相同，怀疑轨头存在核伤缺陷。本文针对其中一个伤损接头进行分析，找到出现伤波的原因并提出改进建议。

1 宏观形貌

从反射回波超标的U78CrVH 钢轨闪光焊接头中随机选取一个作为研究对象。样品顶面经车轮碾压后存在一定的磨耗，在轨距角附近存在鱼鳞状裂纹和轻微辗边，落锤试验锤断后发现轨头断口存在核伤疲劳形貌，见图1。由于疲劳裂纹未扩展到钢轨表面，内部裂纹没有受到氧化腐蚀作用，疲劳裂纹源的断口具有金属光泽，称为白核［4］。疲劳断口中的疲劳弧线是在钢轨接头服役过程中形成的。瞬断区断口是接头在落锤试验中受到落锤冲击力折断而形成的。疲劳裂纹源距轨顶面13 mm，距钢轨断面对称轴约5 mm。疲劳断口垂向长约45 mm，横向长约53 mm。

图1 样品宏观形貌

2 试验分析

2.1 断口电镜观察

对核伤疲劳断口进行电镜观察，见图2。可以看出：电镜下疲劳裂纹源长3.1 mm，宽0.8 mm，呈黑色团状，内部有白色夹杂物，疲劳扩展区呈暗黑色。

图2 核伤疲劳断口电镜观察结果

对白色夹杂物的化学成分进行能谱测试，并与基体的化学成分进行对比，见图3。可知：白色夹杂物中氧、锰、硅三种元素明显偏高，质量百分比分别为35.67%、30.01%、26.07%，而原本应该占主要成分的铁元素只占5.66%；基体中铁元素质量百分比最高（90.19%），含有少量氧元素（4.13%），锰、硅元素含量略高，分别为1.50%、2.34%。

图3 白色夹杂物及基体的能谱分析

电镜观察时，在疲劳断口裂纹源连接处发现横向扩展裂纹，见图4（a）、图4（b）。对该横向扩展裂纹进行能谱成分测试，见图4（c）。可知：铁元素质量百分比为96.33%，未发现其他元素含量异常。

图4 裂纹源连接处横向疲劳裂纹及能谱分析

2.2 金相显微观察

对轨头疲劳断口进行取样磨制，取样的位置参见图1（c）中的红色虚线，金相磨面见图5。可以看出，疲劳裂纹源与焊缝熔合线基本在同一断面上。金相显微观察发现，断裂边缘的疲劳裂纹源完全处于焊缝的网状铁素体上，在焊缝白色网状铁素体周围发现异常黑色夹杂物，见图6。可以看出：焊缝和热影响区组织均为珠光体和少量铁素体，未发现马氏体等有害组织；焊缝晶粒度良好，轨头焊缝晶粒度可达到9级。

图5 断口金相磨面

2.3 金相面电镜观察

为了明确金相中黑色夹杂物的化学成分，对金相面进行电镜观察和能谱测试。电镜观察下的金相面形貌见图7（a）。可以看出，焊缝熔合线顶部为裂纹源的位置。对该处进行200 倍放大观察，发现焊缝熔合线上存在黑色斑点夹杂物，见图7（b）。进一步放大观察确认了异常夹杂物的存在［图7（c）］，其边界尖锐，和周围正常组织及晶粒的颜色、形状有明显不同，小粒状夹杂物较多分布在晶粒晶界处，较大块状夹杂物覆盖多个晶粒并伴随细长尾部连接。对黑色夹杂物进行能谱分析，见图7（d）。可知，黑色夹杂物中氧、硅、锰三种元素的含量异常偏高，质量百分比分别为39.74%、21.95%、19.66%。

综合以上分析可以确定，取样前电镜观察的疲劳断口裂纹源就是金相磨面焊缝熔合线上的夹杂物，该夹杂物属于硅锰氧化物或者硅酸盐的灰斑夹杂，是闪光焊中常见的焊接缺陷。在闪光焊顶锻前的烧化阶段，钢轨端面间的过梁爆破连续而激烈，其作用是产生大量烟气作为保护性气氛［5］，阻止空气中的氧气进入焊接接口与高温的熔融金属发生反应生成氧化物或者硅酸盐夹杂物。如果生成了含氧夹杂物，后续的顶锻力在把液态金属挤出的过程中可能会把含氧夹杂物一并带出，但是这种挤出作用比较有限，与夹杂物出现的位置、大小以及顶锻力大小都有关系。本文中的焊缝灰斑夹杂出现在轨头内部（踏面往下13 mm处），不易在顶锻阶段挤出。因此，在调试焊接工艺参数时，应关注顶锻前闪光烧化阶段工艺参数的合理性。

闪光焊灰斑缺陷属于平面状缺陷，是含氧、硅、锰等元素的夹杂物。灰斑存在于闪光焊焊缝断口中，与周边金属存在明显界限。超声波探伤检测有自发自收单探头扫查和一发一收双探头扫查两种方式，其中双探头扫查针对的就是平面状缺陷。在生产中，可以针对重载铁路闪光焊接头轨头特定部位加强探伤，如提高探伤灵敏度、重点部位重点扫查等，提高伤损接头检出率。

2.4 钢轨母材检验

2.4.1 母材化学成分

在轨头核伤附近母材取样测试了C、Si、Mn、P、S、Cr、V、Al八种化学元素的含量。测试采用ARL4460真空直读光谱仪。检测方法依照国家标准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）》，判定标准依照铁道行业标准TB/ T 2344.1—2020《钢轨 第1部分：43 kg/m ～75 kg/m 钢轨》的要求。检测结果符合标准要求，见表1。

表1 母材化学成分测试

2.4.2 母材夹杂物

对金相磨面（参见图5）上检验母材夹杂物情况，检验方法和评级按照国家标准GB/ T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》。观察发现了较多的A 类硫化物类夹杂物，部分恶劣视场的夹杂物级别已经超过2.5级，见图8。

图8 金相面母材夹杂物情况

TB/ T 2344.1—2020 中对非金属夹杂物的要求是A 类夹杂物不大于2.5 级（取样部位：在钢轨头部距轨顶面10 ～ 15 mm 纵向切取；检查面应平行于轨顶面且居中，面积不小于200 mm2）。在出现焊缝灰斑夹杂附近的母材上发现较多的A 类夹杂物（主要是MnS），可能会导致在闪光焊接过程中低熔点的夹杂物聚集在焊缝液态金属的局部区域，相比于铁元素基体，夹杂物的亲氧性更强，更容易产生氧化物或者硅酸盐类反应物。反应生成的含氧夹杂物硬而脆，如果没有被闪光出去或者顶锻挤出，而是封闭在焊缝当中，会破坏焊缝组织的连续性，从而降低焊缝的综合力学性能。

3 结论与建议

1）引起重载铁路U78CrVH 钢轨闪光焊接头探伤轨头反射回波超标的原因是接头存在轨头核伤，核伤裂纹源出现在焊缝中心并存在大量的O、Si、Mn 等元素的灰斑夹杂。

2）核伤裂纹源连接处存在横向扩展裂纹，表明接头在服役过程中，在车轮循环载荷作用下，焊缝灰斑夹杂的区域首先成为裂纹源并逐渐横向扩展，最终导致轨头出现大面积核伤疲劳裂纹。

3）在轨头核伤附近钢轨母材中A 类夹杂物较多，可能与闪光焊接过程中焊缝灰斑的形成有关，两者的相关性有待深入研究。

4）建议改进焊接工艺参数，提高顶锻前闪光烧化阶段参数的合理性，减少轨头焊缝灰斑的产生。

5）建议提高探伤检测技术，针对重载铁路闪光焊接头轨头部位尤其是轮轨最大接触剪应力范围（踏面往下5 ～ 13 mm）加强探伤检查，及时发现存在焊接缺陷的接头。