固定闪光焊接头轨底过热区微裂纹产生原因及控制措施_杨其全.pdf

第 2 卷 第 1 期2 0 2 3 年 2 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.1February 2 0 2 3固定闪光焊接头轨底过热区微裂纹产生原因及控制措施杨其全1，吕晶1，丁韦1，王晨阳1，赵曦2，周华3（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.中国铁路北京局集团有限公司 北京工电大修段，北京 100071；3.中国铁路济南局集团有限公司 济南工务机械段，济南 250022）摘要：针对固定闪光焊接头轨底过热区微裂纹问题，通过逐层磨削、超声波探伤、金相检验的试验方法对3种不同状态的固定闪光焊接头进行检验与分析，明确固定闪光焊接头轨底微裂纹的产生原因并提出控制措施。结果表明：接头轨底下表面存在的微裂纹缺陷是引起固定闪光焊接头轨底轻伤的原因；微裂纹是在推凸过程中产生的推凸裂纹，探伤得到的伤损严重程度与微裂纹的总体积及分布密度相关；增大推凸余高、提高焊接热输入、增大顶锻力、提高母材的纯净度和均质化程度均可以有效降低轨底微裂纹的严重程度，但要结合操作的复杂程度和成本进行综合考虑。关键词：固定闪光焊；焊缝；轻伤；微裂纹；推凸中图分类号：U213.4+6 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.01.014我国铁路工务部门对于高速铁路固定闪光焊接头进行探伤检查时，检验按照TG/GW 1162013 高速铁路有砟轨道线路维修规则 和TG/GW 1152012 高速铁路无砟轨道线路维修规，对轨底轻伤的评判标准是在重伤判据的基础上加严6 dB。前期对于存在轨底轻伤的接头进行检验发现，轻伤位置处均存在轨底微裂纹，目前国内对于轨底微裂纹的产生原因有不同说法。丁韦等1-2、王莹莹等3认为焊接过热区微裂纹缺陷的形成主要与焊接推凸过程及钢轨内部普遍存在的MnS夹杂物有关。梁正伟等4认为引起固定闪光焊接头轨底探伤不合格的原因为轨底面焊缝熔合线及两侧热影响区的孔洞和裂纹缺陷，该孔洞和裂纹为过烧缺陷，其形成与焊接工艺密切相关。王瑞敏等5认为引起接头轨底部位探伤出波的原因是焊接接头轨底熔合线两侧晶界部位存在的大量裂纹，该种缺陷为过烧缺陷，是由于焊接时加热温度过高，局部金属熔化或接近熔化状态而造成的一种组织缺陷。国外未见对该类型伤损的研究报道，分析原因可能与国外的探伤标准有关，除澳大利亚的标准AS 1085.20：2012 Railway track material Part 20:Welding of steel rail 外，大多数国家和组织的标准中均没有对固定闪光焊轨底探伤提出要求6-7。通过逐层磨削、超声波探伤结合金相检验的试验方法对3种不同状态的固定闪光焊接头进行检验与分析，明确了固定闪光焊接头轨底微裂纹的产生原因，并提出相应控制措施以减少或消除该类伤损。1 试验材料和试验方法 以焊轨基地新焊的固定闪光焊接头以及在线路使用过的下道闪光焊接头作为试验材料（均为U71MnG）。其中焊轨基地新焊的固定闪光焊接头轨底表面推凸和打磨状态分为3类，（1）经过推凸和打磨的接头见图1（a）；（2）经过推凸但是未打磨推凸余高的接头见图1（b）；（3）未推凸接头见图1（c）。采用M7120E平面磨床和普通砂轮机对轨底进行逐层磨削；采用金相法观察轨底轻伤处的缺陷，设备主要为PTI5500实物金相显微镜和DMI5000光学金相显微镜；采用CTS9002通用探伤仪进行超声波探伤，对伤损进行定位并评判。2 试验结果及分析 2.1轨底轻伤的位置及其与微裂纹的对应关系对编号为LZ03#和LZ12#的2件新焊接头，轨底状态为图1（a）经过推凸和打磨，切取轨底板状试样，如文章编号：2097-0846（2023）01006707收稿日期：20221125；修回日期：20230115基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划项目（J2020G002）第一作者：杨其全（1976），男，研究员，硕士。E-mail：高速铁路新材料第 2 卷图2所示，采用逐层对轨底进行磨削+超声波探伤+轨底实物金相检验的方法，确定探伤异常反射波的具体分布位置及波高等信息。每一遍的总磨削量、探伤结果、实物金相观察结果汇总见表1。可见在总磨削量分别为0.8 mm和1.0 mm时，2个接头最初判定为轻伤的位置探伤反射波高均小于20%，达到高速铁路维修规则中无伤的要求，表明引起探伤异常反射波的缺陷大部分已经通过磨削去除，在实物金相观察结果中只观察到了微裂纹，典型照片见图3。表明轻伤缺陷应当是较多类似尺寸和形态的微裂纹聚集在一起引起的超声波反射，对于检验的2个接头而言，大部分微裂纹应位于轨底下表面1 mm以内，在逐层磨削去除的过程中，引起的探伤回波高度逐渐降低，直至均降低到20%以下。对最终磨削完的2件接头试样进行探伤，然后在原轻伤区域和轨底中心区域分别切取金相试样，经磨削和抛光后，在光学金相显微镜下观察，观察结果及相应位置的探伤结果见表2。金相结果表明，观察到的微裂纹数量和尺寸与探伤波高没有明显的对应关系，波高 17%的区域未观察到缺陷（LZ03#距轨底边缘42 mm处），无反射波的区域观察到较多微裂纹（LZ12#距轨底边缘46 mm处），表明引起探伤回波的缺陷不完全在轨底面上，应分布在一定深度范围内。在同样磨削去除1.0 mm的情况下LZ12#轨底中心区域探伤回波依然达到60%，表明其轨底中心区域类似微裂纹伤损程度更严重一些。2.2接头轨底存在微裂纹的普遍性鉴于前述检验结果发现轨底轻伤区域仅观察到微裂纹，为确定微裂纹的普遍性，选择更多的接头（经过推凸和轨底打磨）取样进行轨底面金相观察，选取的接头包括不同焊轨基地、移动闪光焊和从京广高铁下道的接头，探伤和观察结果汇总见表3。观察结果表明所有接头的轨底下表面，不管是探伤有反射波还是无反射波，都能够观察到轨底微裂纹，有些探伤结果无反射波的接头（如LZ07#）,观察到的微裂纹数量更多，尺寸也更大。微裂纹都分布在焊缝（即熔合线）两侧的过图2接头轨底磨削及金相观察面示意图表1磨削、探伤、实物金相观察结果汇总表磨削遍数123LZ03#接头总磨削量/mm0.00.30.8探伤距边缘42 mm，波高66%距边缘42 mm，波高40%距边缘42 mm，波高17%实物金相未观察到缺陷12处微裂纹未观察到缺陷LZ12#接头总磨削量/mm0.00.51.0探伤距边缘46 mm，波高80%距边缘46 mm，波高40%距边缘46 mm，无反射波实物金相未观察到缺陷1处微裂纹未观察到缺陷图3LZ03#接头磨去0.3 mm实物金相观察到的典型缺陷（微裂纹）形貌表2磨削后的轨底面探伤和光学金相显微镜观察结果接头编号LZ03#LZ12#取样前的探伤结果距边缘42 mm波高17%轨底中心区域，无反射波距边缘46 mm，无反射波轨底中心区域，波高60%光学金相显微镜观察结果未观察到缺陷2处微裂纹，平均尺寸53 m，最大尺寸76 m9处微裂纹，平均尺寸216 m，最大尺寸364 m35处微裂纹，平均尺寸167 m，最大尺寸486 m图1焊轨基地新焊接头的3种状态68第 1 期杨其全等：固定闪光焊接头轨底过热区微裂纹产生原因及控制措施热区范围内，见图4。2.3接头轨底微裂纹分布规律取经过推凸但未打磨轨底的LZ09#接头（焊筋余高约2.7 mm）焊缝处金相试样，每隔大约0.5 mm厚度打磨一次焊筋并进行金相观察（推凸余高位置和磨面位置示意见图5），统计焊筋余高与微裂纹数量、平均尺寸和最大尺寸之间的关系，结果见表4和图6。可见微裂纹在焊筋内沿一定深度范围（3.7 mm左右）内分布；焊筋推凸表面下 0.92.2 mm（对 应 焊 筋 余 高 1.80.5 mm）微裂纹数量较多，尺寸较大；微裂纹的平均尺寸随距离焊筋推凸表面的距离增大而逐渐减小。在距焊筋推凸表面约1.5 mm（对应焊筋余高1.2 mm）的位置，微裂纹数量最多，在宏观条件下用肉眼也可观察到其形貌，见图7(a)，光学显微镜下观察照片见图7(b)，有些微裂纹呈微孔洞形貌。2.4微裂纹与探伤回波大小的对应关系上述检验发现微裂纹在轨底表面的金相检查结果与探伤回波大小没有明显的对应关系，且微裂纹在焊筋内部沿一定深度分布，推测探伤回波大小与微裂纹在一定深度范围内的分布体积和密度相关，同时微裂纹的取向也会影响探伤回波大小。为验证该推测，选择DQ02#接头进行试验，该接头为大秦线服役通过总图4微裂纹位于焊缝两侧的过热区内图5焊筋推凸余高位置及轨底磨削面位置示意图表4轨底未打磨接头（LZ09#）轨底微裂纹统计表打磨遍数123456焊筋余高/mm2.51.81.20.5-0.2（打平）-1.0微裂纹数量/个182164100371微裂纹平均尺寸/m20016716413712367微裂纹最大尺寸/m20072271452427667图6LZ09#接头焊筋余高与微裂纹数量、平均尺寸、最大尺寸的对应关系表3接头轨底面探伤和光学金相显微镜观察结果汇总表样品来源A焊轨基地移动闪光焊B焊轨基地京广高铁接头编号LZ01#LZ02#LZ06#LZ07#LZ08#LZ14#Y2#Y3#G2#G3#JG01#探伤有反射波，最大波高79%有反射波，最大波高41%无反射波无反射波有反射波，最大波高32%有反射波，最大波高34%无反射波有反射波，波高46%有反射波，最大波高34%有反射波，波高50%无反射波微裂纹数量/个3102155362422494328平均尺寸/m1021561181631261181289315115199最大尺寸/m14783135853329420715711457139322269高速铁路新材料第 2 卷质量达到22亿t后下线的固定闪光焊接头，探伤结果表明，接头里口（钢轨轨头工作边一侧）有反射波，波高在20%40%，接头外口（钢轨轨头非工作边一侧）无反射波。为更好地对比无反射波处与有反射波处微裂纹的区别，制定了如下更加详细的金相检验原则：（1）当微裂纹长度小于或等于40 m时，不记录；（2）当两微裂纹之间的纵向距离小于或等于40 m、横向距离小于或等于40 m时，视为1个微裂纹，并以最大宽度记录微裂纹宽度，示意见图8。通过每隔约0.2 mm厚度打磨一次的方式进行金相观察，统计每个磨制遍数下的微裂纹数量、微裂纹尺寸（长度、宽度级别）并计算微裂纹面积，打磨到观察不到微裂纹为止。将每个磨制遍数下的微裂纹总面积乘以该遍的磨削深度（0.2 mm）得到该遍数下的微裂纹累加体积，将每个磨制遍数下的微裂纹累加体积相加可以得到该试样观察区域的微裂纹总体积。接头里口有反射波区域（距轨底角侧面2030 mm处）和外口无反射波区域（距轨底角侧面 2030 mm处）的微裂纹面积及总体积统计结果见表5，可见里口微裂纹计算的总体积（0.050 01 mm3）比外口计算的总体积（0.034 86 mm3）大，同时里口微裂纹分布的深度范围（2.0 mm）比外口（2.8 mm）小，即探伤有反射波侧的微裂纹总体积较无反射波侧大，探伤有反射波侧的微裂纹密度较无反射波侧也大。2.5微裂纹产生阶段分析在前述检验过程中，可知微裂纹在轨底距推凸表面一定深度范围分布，所检焊接接头均发现了这种类型的微裂纹，这种分布规律表明微裂纹可能与焊接之后的推凸有关，为验证该结论，取2件未推瘤接头作为研究对象，接头轨底面焊瘤高度约为14 mm，线切割切除轨底焊瘤后，切取金相试样，直接磨制轨底面，观察轨底面焊缝附近的金相组织形貌（见图9），结果在焊缝附近未观察到微裂纹，即在未推瘤接头轨底焊缝附近未发现微裂纹的存在，证实在闪光焊接推凸前的几个阶段不会产生微裂纹，焊缝附近微裂纹产生于闪光焊接的推凸阶段。表5DQ02#接头微裂纹统计结果磨制遍数12345678910111213141516合计总面积总体积/mm3里口（距轨底角侧面2030 mm）磨削深度/mm0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0无裂纹无裂纹总面积/mm20.04