贝氏体钢轨闪光焊接头伤损分析及预防对策黄坚

贝氏体钢轨闪光焊接头伤损分析及预防对策黄坚

黄坚

南京地铁运营有限责任公司

摘要：在现今重载试验线路中，贝氏体钢轨引起良好的韧性以及强度而得到了广泛的应用。而在实际应用中，其也将存在一定的伤损问题，并因此对实际应用效果产生了较大的影响。在本文中，将就贝氏体钢轨闪光焊接头伤损分析及预防对策进行一定的研究。

关键词：贝氏体钢轨，闪光焊接头，伤损分析，预防对策

一、引言

钢轨滚动接触疲劳伤损是现今世界范围内铁路运输当中的重点问题，不仅对铁路运输安全具有关联，也将直接影响到钢轨使用寿命，并因此对线路的维修养护成本产生影响。对于钢轨的滚动接触疲劳伤损，我国不同铁路运输部门也开展了较多的研究，主要包括有伤损机理的研究、新型抗接触疲劳钢轨材质的研究和钢轨打磨技术的研究等。在轨道交通建设中，通过具有较高强度耐磨钢轨的应用能够对重载线路的疲劳伤损起到较好的减缓作用，避免其进一步发展，其中，其具体伤损类型包括有核伤、波浪磨耗、接触疲劳裂纹以及剥离裂纹等。目前，贝氏体钢轨因其在韧性以及强度方面的较好表现在试验线路当中得到了较多的推广应用。在上世纪90年代，美、日、德等国家就陆续开展了贝氏体钢轨的相关试验研究，并获得了较好的试验结果。贝氏体钢轨具有较好的性能，对于低温回火贝氏体钢轨，其性能指标具有较高的水平，而根据现场服役情况，其也将具有较好的使用性能。根据具体焊接类型的不同，其可以分为现场闪光焊、现场铝热焊以及基地闪光焊这几种类型，在本研究中，主要根据现场服役贝氏体钢轨伤损情况对伤损的产生原因以及预防对策做好分析，以此对贝氏体钢轨的应用效果进行提升。

二、轨头焊缝裂纹接头情况

2.1宏观分析

对于问题焊接接头，在经过磁粉探伤以及超声波检测处理后，则可以发现其轨头侧边存在有伤情况，且很多外观观察不存在问题的钢轨在经过检测后则可以发现疲劳裂纹已经扩展到钢轨表面位置。在将轨头裂纹位置打开之后，则可以发现在轨头内部具有疲劳裂纹源，在向四周扩展的情况下最终形成疲劳裂纹。而在裂纹不断扩展的情况下，其一端则将达到轨透表面，下端以及左端则将继续扩展。对于该种疲劳裂纹来说，焊缝为其产生的主要源头，但却并没有沿着焊缝扩展，而是在同焊缝25°方向的情况下扩展，在扩展到一定距离后沿着钢轨的垂直方向扩展。

2.2显微组织观察分析

经过对裂纹源显微组织观察后发现，金属显微组织即为贝氏体，在焊接当中，由于其端面脱碳情况的发生，贝氏体则表现为粒状贝氏体，自身硬度较低。同时，由于接头没有做好正火热处理，焊缝则具有着较大的晶粒度，为二级。此外，受到焊接热循环过热方面的影响，焊缝贝氏体组织表现较大，而同其相比，木材贝氏体组织则较为细小。在经过对裂纹源开展扫描电镜观察后发现，裂纹位置断口形貌为韧窝与解理。由于没有对焊接接头进行热处理，对此，晶粒较粗，且表现出解理特征。而由于焊缝脱碳，则将表现出一定的韧性，并因此使其局部存在韧窝断口情况。

三、轨底开裂接头

3.1宏观分析

对于轨底开裂接头断口情况来说，裂纹主要起源在轨底推凸余高未打磨处，在钢轨荷载应力的不断作用下，裂纹源将萌生，顺着垂直轨底地面上相不断扩展，在扩展到轨腰位置后进入到焊缝当中，并进一步向轨头方向不断扩展。如闪光焊接头推凸方向为从左向右，那么在右侧的推凸余高根部与轨底构成较为尖锐的锐角，裂纹源即为推凸余高的根部。

3.2显微组织观察分析

通过扫描电镜的应用对裂纹源进行观察后，可以发现裂纹源端口位置形状整体较平，在局部位置存在二次裂纹情况，金属显微组织方面，其处于结构的焊接热影响区，同焊缝间存在一定的距离，并因此没有观察到焊缝脱碳层组织的情况，而如果存在少量脱碳，那么则是推瘤边缘瘤子过热而导致的，并非为脱碳层组织情况。贝氏体为该处金属显微组织类型，由于没有对接头进行焊后热处理，晶粒度以及贝氏体组织同其相比较为粗大，但却没有观察到异常组织，也不存在夹杂物以及裂纹源等缺陷问题。经过对热影响区、母材以及焊缝等开展显微硬度试验后发现，并没有存在硬度异常，而由于裂纹源处于过热区，那么该位置的硬度则同热影响区较为接近。

四、伤损原因与对策

4.1轨头焊缝裂纹

经过对轨头焊缝裂纹试样开展显微组织分析、断口扫描以及显微硬度试验后可以了解到，由于热影响区以及焊缝晶粒较为粗大，且在硬度方面同木材相比相对较低。对此，在实际应用当中，在车轮对钢轨轨头形成压力的情况霞，在焊缝的局部位置将发生塑性变形情况，进而导致开裂问题的发生。而当形成裂纹之后，受到切应力方向的影响，裂纹则会向焊接热影响区方向不断扩展，在发展一定时间之后则将扩展到整个轨头。对于该类裂纹，对其进行避免的主要方式通常为对焊接接头进行正火热处理，以此对热影响区以及焊缝区域的晶粒进行细化，以此实现焊缝硬度以及抗拉强度的提升。通过该种方式的应用，则能够在对焊接过热去同焊缝间力学性能差距进行减小的情况下不断降低因韧性差异存在使焊缝发生裂纹的产生几率。

4.2轨底推凸余高边缘开裂

经过对轨底接口开裂试样进行分析可以发现，在裂纹源区域当中，由于因没有对其开展热处理、使晶粒度较为粗大以外，并没有发现存在组织异常情况，而裂纹源区则禁靠推凸余高的根部。该种情况的存在，即表明在推凸余高根部区域具有结构应力集中条件，即在外部荷载的影响下，推凸余高根部将首先发生开裂情况，且裂纹起源同没有经过打磨处理的轨底余高相比具有相同的长度，该情况的存在，即充分表明了推凸余高是造成轨底发生开裂情况的主要原因。同时，由于没有对接头进行热处理，也将因此加大晶粒体积，以此对裂纹萌生的可能性进行了加大此外，在钢轨实际应用当中，由于轨底受到拉伸应力作用的影响，当其开裂之后，裂纹则将以较快的速度向上扩展，直至轨头位置。针对该问题，避免其产生的只要方式即对推凸余高进行适当的打磨处理，以此对V形应力集中缺口进行消除，具体方式方面，仅仅对其进行倒圆角处理即可。

五、结束语

在现今交通运输工作中，在做好钢轨打磨的基础上，也需要做好新型钢轨材质的研究，其中，贝氏体钢轨正是具有较好应用前景的钢轨类型。在上文中，我们对贝氏体钢轨闪光焊接头伤损分析及预防对策进行了一定的研究，并获得了以下结论：第一，没有对接头进行焊后热处理是轨头焊缝裂纹形成的主要原因，在实际应用中，由于过热区以及焊缝强度强度同母材相比明显较低，焊缝则会因塑性变形的存在导致裂纹发生，在向热影响区发展的情况下导致伤损问题的发生；第二，轨底热影响区发生裂纹缺陷问题的主要原因为轨底平面以及推凸余高形成结构突变，即外观呈现出V形的缺口，并因此导致应力集中情况的发生。在钢轨服役中，应力集中情况的存在也将使轨底发生开裂情况，并因此以较为快速的方式向着轨头方向扩展；第三，在情况允许下，需要对贝氏体钢轨闪光焊接头进行焊后热处理，即通过强度提升以及晶粒细化的方式对轨头裂纹的形成进行避免；第四，在具体处理中，尽可能做好轨底推凸余高的打磨处理，在对轨底推凸余高根部的拐角进行消除的基础上对应力集中的情况进行避免。通过上述分析，即能够对贝氏体钢轨闪光焊接头伤损问题进行较好的把握，在未来工作开展中，需要能够做好相关问题的类型把握，在问题发生后能够全面、及时的做好问题原因分析，以科学对策的应用做好问题处理。

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