基本轨铝热焊接头裂纹原因分析

许鑫 杨其全 张倩 吕晶 王玉婷 王晨阳

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

铁路道岔是列车实现转线和跨线运行的重要线路设备［1］。道岔转辙器轨件包括尖轨和基本轨，基本轨除承受车轮的垂直压力外，还与尖轨共同承受车轮的横向水平推力，并保持尖轨稳定［2］。基本轨与其他钢轨件联接一般采用铝热焊方式。铝热焊是目前国内外无缝线路道岔联合接头焊接的主要方法，具有设备简单、操作方便、适宜在线路上进行焊接等优点。无缝线路在区间铺设完成后，在岔区采用铝热焊焊接工艺联接成跨区间无缝线路，实现真正的无缝线路［3］。

为保证道岔区行车安全，各维护单位定期对道岔部件（含铝热焊接头）进行探伤检查，为及时发现早期伤损、防止裂纹扩展至断裂做了大量工作，但仍不能完全避免伤损道岔的产生。据不完全统计，2005—2015年全路高速道岔共发生13起钢轨伤损事件［4］。

一客运专线道岔基本轨铝热焊接头在探伤检查时发现在基本轨跟端铝热焊缝附近轨头部位有横向贯穿裂纹。本文通过在伤损铝热焊接头取样进行理化检验，分析裂纹产生原因。

1 理化检验及分析

送检伤损铝热焊接头于2018年5月焊接，在同年11月探伤过程中发现伤损。焊接接头的母材材质为60 kg/m的U71Mn钢轨。为确定裂纹位置及分布，对伤损铝热焊接头踏面进行磁粉探伤。制取条状试样将裂纹打开，对裂纹处断口进行宏观形貌观察、扫描电镜微观分析、显微组织观察和显微维氏硬度测试，观察裂纹源及附近显微组织的形貌特征。

1.1 磁粉探伤结果及压断断口宏观形貌观察

对送检伤损铝热焊接头踏面进行磁粉探伤，结果见图1。可以看出，在距离焊缝中心线53～65 mm区域内有两条裂纹，裂纹长度约为40 mm，裂纹呈横向连续分布。

图1 伤损铝热焊接头踏面磁粉探伤结果

制取轨头部位条状试样，用钢轨静弯机压断，断口宏观形貌见图2。可以看出，裂纹位于踏面中部，已扩展至轨头内部1.5 mm处，这一区域断口颜色较深。

图2 裂纹处压断断口宏观形貌

1.2 断口扫描电镜微观分析

选取铝热焊焊缝一侧断口进行扫描电镜观察，检验结果见图3。可以看出：踏面下1.5 mm范围内为裂纹源区和裂纹扩展区，该区域能谱分析结果氧含量较高，表明该区域氧化锈蚀严重；部分断口因碾压变平，高倍下可观察到沿晶形貌；压断断口为解理形貌。

图3 裂纹处断口扫描电镜微观形貌

1.3 显微组织及显微维氏硬度测试

为了观察裂纹区域及附近区域的显微组织特征，按图2黑色虚线所示位置制取两个金相试样。试样经4%硝酸酒精浸蚀后的宏观形貌见图4。图中可观察到不同颜色的区域，其中区域①、区域②为焊补区，区域③、区域④为焊补热影响区，区域⑤为焊缝，区域⑥为焊缝热影响区。分别对这6个区域进行显微组织检验和显微维氏硬度检测。

图4 显微组织试样宏观形貌

1）焊补区

焊补区宏观为亮白色，在铝热焊接接头的焊缝区内，长度约8 mm，宽度约2 mm。焊补区显微组织及显微维氏硬度见图5。可以看出：其显微组织呈胞状树枝晶分布，组织为珠光体及沿晶分布细条状铁素体；该区域显微维氏硬度平均值为292 HV0.3。

图5 焊补区显微组织及显微维氏硬度（单位：HV0.3）

2）焊补热影响区

焊补热影响区宏观为灰色，也在铝热焊接接头的焊缝区内，在该区域观察到多处裂纹。焊补热影响区显微组织及显微维氏硬度见图6。可以看出：焊补热影响区③的显微组织为白色针状马氏体组织，显微维氏硬度平均值为715 HV0.3；压断断口的断裂位置位于焊补热影响区④内，裂纹源腐蚀前后未观察到异常组织（图7），该区域显微组织为回火态组织，显微维氏硬度平均值为463 HV0.3。

图6 焊补热影响区显微组织及显微维氏硬度（单位：HV0.3）

图7 裂纹源区及附近位置显微组织形貌

3）其他区域

其他区域显微组织及显微维氏硬度值见图8。可以看出：焊缝热影响区显微组织为片层状珠光体组织，显微维氏硬度平均值为324 HV0.3；焊缝显微组织形貌为片层状珠光体组织，还可观察到未熔的白色铝块，显微维氏硬度平均值为310 HV0.3。

图8 其他区域显微组织及显微维氏硬度（单位：HV0.3）

2 裂纹原因分析

当轨头踏面出现掉块、擦伤、低接头等缺陷时，可采用焊补方法恢复轨面平顺性，延长钢轨使用寿命。TB/T 1631—2002《钢轨电弧焊补技术条件》［5］对焊补用焊条材质、电焊机、测温仪、焊补范围、焊补要求等作了具体规定，且为了确保焊补层及热影响区不产生马氏体组织，对预热温度进行了规定。如果焊补前预热不够或焊后保温不足，焊补层及热影响区会出现马氏体组织，脆性马氏体组织在车轮碾压过程中产生微小裂纹，随后裂纹向周围扩展，严重时会发展成横向疲劳断裂［6-8］。

由铝热焊接头宏微观检验结果可知，伤损铝热焊接头焊缝熔合线一侧踏面经过焊补，在焊补热影响区存在马氏体组织。马氏体是硬而脆的组织且极易碎裂，当列车通过时在轮轨接触应力下易在此处萌生裂纹并进一步扩展，因此送检铝热焊接头踏面横向裂纹属于焊接缺陷。TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》［9］明确规定焊缝和新钢轨不应焊补。因此，铝热焊接时应严格按照规定执行。

3 结语

本文对线路探伤检查发现的重伤基本轨铝热焊接头进行了磁粉探伤复核，在钢轨踏面发现横向贯穿裂纹，对裂纹处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，显微维氏硬度测试，并根据检验结果分析裂纹产生的原因，认为道岔基本轨铝热焊接头踏面横向裂纹属于焊接缺陷。焊接接头焊缝熔合线一侧踏面经过焊补，在焊补热影响区存在马氏体组织，列车通过时在轮轨接触应力下由马氏体组织处萌生裂纹并进一步扩展。铝热焊接时应严格按照规范执行。