钢轨厂焊接头焊缝轨腰轨底圆弧过渡区缺陷检测及分析.pdf
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1、第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号:10031995(2023)07004005钢轨厂焊接头焊缝轨腰轨底圆弧过渡区缺陷检测及分析王东 涂占宽 代韬 倪峥嵘 范振中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摘要 U71MnG钢轨厂焊接头焊缝轨腰轨底圆弧过渡区超声波探伤回波超标,表面磁粉探伤显现出缺陷形貌。针对这一问题,采用光学显微镜、扫描电镜和能谱对缺陷进行了分析。结果表明:缺陷为钢轨焊缝表面裂纹,微观下以大小孔洞的形态分布在焊缝正中心及其两侧,长约12 mm,宽约2
2、mm,深度至少1.2 mm;断口存在沿晶断裂和烧蚀孔洞形貌,能谱未发现晶粒及晶界有明显的元素偏析。该缺陷是闪光焊弧坑裂纹,形成过程是焊接顶锻前出现异常的大体积过梁爆破形成端面弧坑,大体积弧坑在顶锻瞬间未被液态金属完全填充而形成密闭孔洞,孔洞周围高温液态金属自由凝固形成大小不同的微小孔洞,在高温和组织应力作用下晶界产生少量的晶间裂纹。建议检查焊接设备的机械和电气状态,优化焊接工艺参数。关键词 钢轨厂焊;焊缝;超声波探伤;磁粉探伤;表面裂纹;孔洞;过梁爆破;弧坑裂纹中图分类号 U213.4+6 文献标识码 A DOI:10.3969/j.issn.10031995.2023.07.08引用格式:王
3、东,涂占宽,代韬,等.钢轨厂焊接头焊缝轨腰轨底圆弧过渡区缺陷检测及分析 J.铁道建筑,2023,63(7):4044.我国铁路无缝线路大约90%的接头是采用闪光焊方法焊接的,其中80%的闪光焊接头是在工厂内焊接完成的,因此厂焊接头的质量对线路行车安全具有重要影响。规范1-2要求厂焊接头成品检验时应对每个接头进行超声波探伤,表面探伤不做强制要求。逐个厂焊接头超声波探伤已在全路实现,而表面探伤尚未大量应用。既有研究认为闪光焊焊接缺陷大多数存在异常元素偏析,还有一些是焊接工艺不当造成的。文献3-4 研究了灰斑的形成机理,认为母材中的夹杂物在过梁爆破时与空气中的氧气反应,形成了硅酸盐夹杂物,在顶锻过程
4、形成了焊缝内部的灰斑。文献 5认为由于顶锻力过大导致焊接流线升角过大,接头轨底角沿流线逐渐开裂氧化,最终导致接头脆性断裂。文献 6 对焊接热输入过大导致轨底出现过烧缺陷进行了研究。文献 7 认为存在于母材中的MnS夹杂物在焊接时导致轨底近焊缝产生微裂纹和空洞,进一步降低了接头强度。文献 8 采用激光光谱原位分析仪测试了闪光焊焊缝及其热影响区C、Si、Mn等元素的平面分布情况,结果表明Si元素和Mn元素具有明显的偏析现象。某批次U71MnG厂焊接头经型式检验合格,但正常焊接一段时间后,进行接头探伤时发现不合格率明显升高。这给焊接生产带来了较大困扰,因此有必要进行分析研究。本文以该批次中探伤不合格
5、的U71MnG厂焊接头为研究对象,采用超声波探伤和表面磁粉探伤两种检测方法定位缺陷并显现缺陷形貌,同时对存在于焊缝中的大孔洞裂纹缺陷(缺陷内部未发现明显的异常元素偏析)展开研究,找出探伤不合格的原因,为车间焊接生产提供指导和帮助。1 试验内容及方法 1.1无损检测对该厂焊接头进行超声波探伤检查。采用手工双探头在钢轨顶面对轨腰及其延伸部位进行超声波收稿日期:20230113;修回日期:20230504基金项目:中国铁道科学研究院集团有限公司基金(2022YJ207)第一作者:王东(1991),男,助理研究员,硕士。E-mail:通信作者:涂占宽(1972),男,副研究员,博士。E-mail:第
6、7 期王东等:钢轨厂焊接头焊缝轨腰轨底圆弧过渡区缺陷检测及分析扫查;采用手工单探头在焊缝轨腰处进行超声波扫查。由于双探头扫查只能确定回波产生位置距钢轨顶面的距离,无法确定回波位置在哪一侧面及与侧面的距离,因此需要用手工单探头在出波位置(即轨腰轨底圆弧过渡区)前后侧面进行超声波扫查。磁粉探伤用于检测试件表面的缺陷,分别在试件的正面和反面进行干法、湿法磁粉探伤。1.2检验分析进一步对缺陷位置取样,磨制金相试样进行宏观观察。采用Leica DM6M型光学显微镜(OM)分别对探伤发现异常和探伤未出现异常的两个侧面进行金相显微观察。在金相试样上的缺陷部位切取小试样,在缺陷处掰断小试样,观察缺陷的断口形貌
7、,测量缺陷深度并用能谱测试断口微区化学成分。2 试验结果及分析 2.1超声波和磁粉探伤手工双探头探伤发现,距轨顶面下约 140 mm处(即轨腰轨底圆弧过渡区)存在波高为90%的反射回波,根据规范2判定该接头不合格。为确定出波位置与前后表面的距离,采用手工单探头在焊缝圆弧过渡区进行扫查,发现了较高回波,如图1所示。根据探伤仪深度显示,确定缺陷位于靠近表面一侧,标记为A面,另一侧标记为B面。对试样A、B面进行磁粉探伤,结果见图2。可知:对于A面,干法和湿法磁粉探伤均发现明显的表面裂纹,表面存在的黑色磁粉堆积磁痕显现了裂纹缺陷的宏观形貌;对于B面,未发现表面裂纹,而是显示了一条没有磁粉堆积的白线,即
8、焊缝熔合线。2.2金相显微观察以A面为金相观察面进行磨制,经过砂轮机、砂纸压磨后抛光,发现有肉眼可见的麻点孔洞缺陷,如图3(a)所示。经过4%硝酸酒精腐蚀后,观察到缺陷主要分布在焊缝正中心和焊缝两侧边缘,如图3(b)所示。对该焊接缺陷进行金相显微观察。腐蚀前后缺陷全貌金相如图4所示。由图3、图4可以看出:缺陷分布在沿着焊缝长度方向约12 mm、在焊缝两侧宽度约2 mm范围内,以散布的小孔洞和外形不规则的大孔洞形式分布在焊缝正中心及其两侧,其中1#大孔洞最长约2.0 mm,2#大孔洞最长约1.5 mm。由于焊缝正中心缺陷的存在,焊缝网状铁素体组织消失了约7 mm。以B面为金相磨面,观察钢轨焊缝的
9、表面情况,结果见图5。可以看出:表面存在肉眼可见的沿焊缝线平行分布的麻点孔洞缺陷;孔洞分布在焊缝线两侧并间断排列,单个孔洞大小一般几十至一百多微米,一般不会超过200 m;孔洞较浅,一般深100 300 m。文献 9 指出,这种缺陷是推凸裂纹。由于孔洞尺寸极小,超声波探伤和磁粉探伤并未发现。目前尚未发现这种缺陷造成钢轨接头折断,其出现的原因和对接头性能的影响待进一步研究。图1手工单探头扫查轨腰轨底圆弧过渡区图2轨腰A、B面磁粉探伤结果图3A面腐蚀前后金相宏观照片图4A面腐蚀前后缺陷全貌金相照片41铁道建筑第 63 卷2.3扫描电镜分析如图6所示,在金相试样上切取两个条形试样,尺寸为20 mm(
10、长)2 mm(宽)2 mm(深)。切试样时选取焊缝附近出现肉眼可见缺陷的位置。将两个试样在焊缝缺陷处掰断,得到扫描电镜观察的缺陷断口试样(试样1和试样2)。对掰断后的试样 1、试样 2断口表面进行电镜观察,结果见图7。可以看出:掰断后的断口形貌存在解理断裂、少量的沿晶断裂、少量韧窝和烧蚀孔洞。其中,解理断裂的断口有许多强烈反光的小平面(区域和区域),是在掰断时受到正应力作用产生的一种宏观穿晶脆性断裂;沿晶断裂(区域和区域)是裂纹沿着晶界扩展而产生的脆性断裂,在沿晶断裂的边缘局部存在着韧窝的显微微坑,是金属塑性断裂的微观特征;同时断口上还存在着孔洞形貌(区域和区域)。电镜测量异常形貌边界与试样表
11、面最大距离约1.2 mm,可知缺陷深度约1.2 mm。对沿晶断裂和孔洞进行能谱成分分析,见图 8。可知:试样 1 中 C、Si、Mn、Fe 元素的质量占比依次为2.36%、0.64%、1.11%、95.89%,试样2中C、Si、Mn、Fe元 素 的 质 量 占 比 依 次 为 1.95%、0.75%、1.05%、96.25%;未发现沿晶断裂和大孔洞处存在明显的元素偏析。结合闪光焊焊接原理和焊接过程进行分析,闪光阶段的过梁爆破会在焊接端面留下弧坑,也称火口10,如图9所示。弧坑的深度和大小取决于原有过梁的尺寸、焊接电压和焊接电流。焊接电压提高会导致过梁爆破剧烈程度加大,弧坑深度变大,焊接端面不平
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