1、高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed Railway第 2 卷 第 1 期2 0 2 3 年 2 月Vol.2 No.1February 2 0 2 360N U75V钢轨铝热焊接头断裂失效分析研究杨春旭（中国铁路北京局集团有限公司 丰台工务段，北京 100071）摘要：对线路断裂的60N U75V钢轨铝热焊接头进行了失效分析研究，对断口进行了宏观形貌观察、扫描电镜微观分析、显微组织观察，对母材进行了理化性能测试。结果表明：断裂的铝热焊接头为脆性断裂，裂纹起源于钢轨非工作边侧铝热焊缝轨腰和轨底过渡圆弧部位，该处存在夹砂和夹渣缺陷。钢轨母材横向的断裂韧性
2、值高于轨头下颚处沿钢轨纵向的断裂韧性值、钢轨轨头部位的抗拉强度高于轨腰部位、轨头部位尺寸大于轨腰，这些因素造成铝热焊接头从焊缝缺陷处起裂，发展到母材轨头下颚处转为水平纵向扩展，进而引发钢轨断成多节。关键词：铝热焊接头；脆性断裂；失效分析中图分类号：U213.4+6 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.01.015铝热焊焊接施工是无缝线路施工的重要组成部分，具有设备简单、操作方便、适宜在线路上进行焊接等优点，是目前钢轨无缝线路联合接头、辙岔、锁定焊、既有线应力放散、断轨抢修和日常换轨等工作采用的主要焊接方法1-2。铝热焊接头的焊接质量受自然条件、人
3、员操作水平、焊剂质量等因素影响，容易出现焊接缺陷。常见的焊接缺陷有溢流飞边、缩孔和疏松、气孔、夹渣、夹砂、未焊合、热裂纹等3，这些缺陷的存在会降低焊接接头质量，严重影响线路行车安全。某线路铝热焊接头在使用过程中发生断裂，该铝热焊接头为2016年10月焊接，焊接接头的母材材质为60N U75V钢轨，2017年4月9日实际锁定轨温放散至31.7，2020 年 7 月 2 日发生断裂，焊缝折断处顶面低塌，暗吊 6 mm，焊缝前后打白砟，综合形成静态下-2 mm、动态下-8 mm的高低不良。本文通过对断裂铝热焊接头进行理化检验，分析了铝热焊接头的断裂原因，以期减少此类断轨的发生，保障线路行车安全。1
4、检验及分析 1.1宏观形貌观察如图1所示，铝热焊接头碎裂呈4部分。轨头揭盖尺寸为140 mm73 mm40 mm；轨底脱落呈三角形，底长360 mm，边长分别为270、150 mm，高度130 mm；左侧为钢轨母材；右侧为包含铝热焊接头的部分。对铝热焊接头的断口进行了观察（见图1图3），该铝热焊接头为脆性断裂，裂纹源位于钢轨非工作边一侧的轨腰和轨底过渡圆弧位置，裂纹向下扩展至轨底，裂纹沿60斜向母材一侧扩展，扩展至轨头下颚部位后发生转向：一处裂纹与踏面呈45向焊缝侧扩展；一处裂纹与踏面呈45斜向母材轨头扩展；一处裂纹转为水平后图1断裂铝热焊接头宏观形貌图2断裂铝热焊接头耦合断口宏观形貌文章编号
5、：2097-0846（2023）01007406收稿日期：20221209；修回日期：20230128作者简介：杨春旭（1990），男，工程师。E-mail：第 1 期杨春旭：60N U75V钢轨铝热焊接头断裂失效分析研究沿轨头下颚纵向扩展，扩展一定距离后斜 45转向轨底。1.2断口扫描电镜微观分析按图2（b）白色虚线所示制取扫描电镜试样，使用Quanta 400扫描电子显微镜和能谱分析仪对断口裂纹源区及其附近断口进行扫描电镜观察，结果见图4和图5。在裂纹源区的轨底上表面观察到了亮白色的非金属夹杂物，按图5（a）所示的3个位置进行能谱分析，分析谱图见图5（b）5（d），结果表明夹杂物为氧化硅夹
6、砂和氧化铝夹渣。裂纹源附近区域和瞬断区断口为脆性断口形貌，见图6所示。1.3裂纹源区显微组织观察在裂纹源处截取金相试样，以观察裂纹源及附近的显微组织，金相试样经4%硝酸酒精浸蚀后的宏观形貌见图7，浸蚀后可观察到焊缝和焊接热影响区。图8为裂纹源及附近区域浸蚀前后的显微组织照片，试样浸蚀前可在裂纹源区附近观察到夹渣缺陷，试样浸蚀图5裂纹源区放大形貌及各位置的能谱分析图4断口低倍形貌图3轨头揭盖各部位断口的宏观形貌75高速铁路新材料第 2 卷后在靠近裂纹源附近位置可以观察到脱碳层形貌。焊缝内部也可观察到夹渣缺陷，见图9。1.4理化性能检验1.4.1母材及焊缝化学成分按TB/T 23442012 43
7、 kg/m75 kg/m热轧钢轨订货技术条件 和TB/T 1632.32019 钢轨焊接 第3部分：铝热焊接 的要求制取母材和焊缝的化学成分检测试样。使用 ARL-4460 真空直读光谱仪，依据 GB/T 43362016 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），对铝热焊接头母材和焊缝化学成分进行检测。结果见表1和表2，母材和焊缝化学成分均符合标准技术要求。1.4.2母材显微组织检验依据GB/T 132982015 金属显微组织检验方法的试验方法，使用Leica DMI5000M金相显微镜对母材的显微组织进行检验，结果见图10。显微组织为珠光体及少量铁素体，满足
8、TB/T 23442012对U75V牌号的要求。1.4.3母材低倍检验依据GB/T 2262015 钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法，对母材进行低倍检验，结果见图11。未见白点、缩孔、皮下气孔等缺陷，低倍检测结果满足 TB/T 图7金相试样浸蚀后宏观形貌图8裂纹源附近区域浸蚀前后显微组织图9焊缝氧化铝夹渣照片图6脆性断口形貌表1母材化学成分(质量分数)单位：%项目1#母材2#母材TB/T 23442012要求C0.800.800.710.80Si0.670.660.500.80Mn0.910.910.751.05P0.0140.0130.030S0.0060.0050.025V0.0620.061
9、0.0400.120Al0.0030.0030.01076第 1 期杨春旭：60N U75V钢轨铝热焊接头断裂失效分析研究23442012对U75V牌号的要求。1.4.4母材拉伸性能检验使用CMT5305型电子万能试验机，按TB/T 23442012 的要求在轨头位置取 2 个拉伸试样，如图 12 所示，在靠近轨头下颚的轨腰位置制取 2个拉伸试样，按照 GB/T 228.12010 金属材料 拉伸试验 第 1 部分：室温试验方法，对钢轨母材的轨头和轨腰的拉伸性能进行检测，结果见表3。结果表明轨头的抗拉强度明显高于靠近轨头下颚的轨腰部位的抗拉强度，轨头 母 材 的 拉 伸 性 能 满 足 TB/
10、T 23442012 的 技 术要求。1.4.5母材断裂韧性检验按照TB/T 23442012的要求，按图13（a）所示在轨头制取沿钢轨横向的断裂韧性试样。按图13（b）所示在钢轨轨头下颚处制取沿钢轨纵向的断裂韧性试样进行断裂韧性检验。使用MTS-810疲劳试验机，采用单边缺口三点弯曲试样，试验方法按照GB/T 41612007 金属材料平面应变断裂韧度KC试验方法 进行，试验温度为室温，结果见表4。送检钢轨轨头沿钢轨横向的断裂韧性值为43.5 MPam1/2，轨头下颚处沿钢轨纵向的断裂韧性值为39.8 MPam1/2。图10母材显微组织图11母材低倍形貌图12拉伸试样取样位置示意图表2焊缝化
11、学成分（质量分数）单位：%项目焊缝TB/T 1632.32019要求C0.700.500.80Si0.841.20Mn0.880.501.40P0.0250.035S0.0210.030Al0.0450.0200.600表3钢轨母材拉伸性能检测结果取样位置轨头轨腰TB/T 23442012要求试样编号1#2#3#4#抗拉强度Rm/MPa1 2891 2831 1811 1221 180屈服强度Rp0.2/MPa730761728666断后伸长率A/%1314131310断面收缩率Z/%3439283077高速铁路新材料第 2 卷2 原因分析与讨论 2.1伤损类型断裂铝热焊接头的宏观及微观形貌、
12、显微组织检验结果表明，铝热焊接头为脆性断裂，裂纹起源于钢轨非工作边侧焊缝轨腰和轨底过渡圆弧部位。按TB/T 17782010 钢轨伤损分类 标准规定，该类型的钢轨伤损编码为：60804。2.2铝热焊接头断裂原因分析在铝热焊接头轨腰和轨底过渡圆弧处表面及焊缝内部存在夹砂和夹渣是焊缝断裂的主要原因。再加上焊缝轨面低塌，暗吊6 mm，焊缝前后打白砟，综合形成静态下-2 mm、动态下-8 mm的高低不良，增大了焊缝所受的冲击力，焊缝在列车反复冲击荷载作用下发生脆性断裂。夹砂或夹渣是焊缝表面或内部存在的低倍夹杂物缺陷。在浇注冷凝过程中，当坩埚、砂模等耐火材料被烧损，或脱落的碎块、浮砂等进入钢水被凝固时，
13、则形成夹砂3-4。在浇注过程中，如钢水中部分熔渣未及时上浮流走，而在焊筋内部被凝固或贴附在焊筋表面，则形成熔渣型的夹杂物，通常称为夹渣5。该铝热焊接头轨腰和轨底过渡圆弧处存在夹砂和夹渣缺陷，应在焊接后使用角磨机将其打磨干净，以减少这类断轨的发生。2.3铝热焊接头母材断裂原因分析由于焊接接头裂纹在一侧母材处的扩展方向是沿轨头下颚处水平纵向扩展一定距离后斜45转向轨底断裂，而不是直接扩展至轨头踏面。为分析钢轨母材多节断裂的原因，对钢轨母材进行了常规的理化性能检验，在轨腰位置制取了2根拉伸试样，同时制取了钢轨轨头沿钢轨横向和轨头下颚处沿钢轨纵向的断裂韧性试样，检测结果表明：（1）轨头的抗拉强度平均值
14、为1 286 MPa，靠近轨头下颚的轨腰部位的抗拉强度平均值为1 151.5 MPa，差值为134.5 MPa，轨头的抗拉强度明显高于轨腰。（2）钢轨母材轨头沿钢轨横向的断裂韧性值为43.5 MPam1/2，明显高于轨头下颚处沿钢轨纵向的断裂韧性值39.8 MPam1/2，表明在轨头下颚位置处，钢轨在横向方向的抗断能力高于纵向。由断裂韧性试验数据可以看出，断裂的焊缝母材轨头沿钢轨横向的断裂韧性值高于轨头下颚处沿钢轨纵向的断裂韧性值，同时钢轨轨头部位的抗拉强度高于轨腰部位，轨头部位尺寸大于轨腰，也是裂纹扩展至轨头下颚处发生转向的影响因素，即从轨底起裂发展到轨头下颚处，导致裂纹从轨底扩展至轨头下颚
15、处时，受轨头强度高、韧性好以及轨头宽度尺寸大的影响，裂纹沿断裂韧性较小的纵向扩展，进而引发钢轨母材断成多节。吕晶等6针对PG4钢轨断裂原因进行了分析，与本文所述的焊缝母材的断裂形态基本一致，即裂纹横向向上扩展到轨头下颚时转成水平纵向扩展，该研究指出了钢轨裂纹产生及转向的原因，轨头下颚处沿钢轨纵向的断裂韧性未与轨头横向断裂韧性同比例提高，使得裂纹由轨底扩展至轨头下颚处后沿纵向扩展，后期钢厂通过调整工艺消除了这种情况。3 结论 针对线路断裂的60N U75V钢轨铝热焊接头进行断口宏观形貌观察、扫描电镜微观分析、显微组织观察，对接头的母材进行了理化性能测试，并根据检验结果分析了铝热焊接头的断裂原因。
16、具体结论如下：（1）断裂铝热焊接头的断裂性质为脆性断裂，铝热焊接头断裂裂纹起源于钢轨非工作边侧铝热焊缝轨腰图13断裂韧性试样取样位置示意图（单位：mm）表4断裂韧性试验数据试样编号1#2#试样厚度/mm25.1316.02试样宽度/mm39.9222.10裂纹长度/mm21.68711.469最大力值/kN20.8659.405特定力值/kN17.7688.418最大力值/特定力值1.171.12断裂韧性/(MPam1/2)43.539.878第 1 期杨春旭：60N U75V钢轨铝热焊接头断裂失效分析研究和轨底过渡圆弧部位，该处存在的夹砂和夹渣缺陷是铝热焊接头断裂的主要原因。（2）钢轨母材横向的断裂韧性值高于轨头下颚处沿钢轨纵向的断裂韧性值、钢轨轨头部位的抗拉强度高于轨腰部位、轨头部位尺寸大于轨腰，是铝热焊接头从焊缝缺陷处起裂，发展到母材轨头下颚处转为水平纵向扩展，进而引发钢轨断成多节的原因。参考文献：1 高松福，张健，任金雷，等.钢轨铝热焊砂型硬化工艺试验研究和失效分析 J.中国铸造装备与技术，2021，56（6）：85-88.2 杨艳玲，崔成林，高松福，等.钢轨铝热焊接头质量的影
