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

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 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 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，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（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，焊接端面不平更加严重。在闪光阶段末期和顶锻阶段，不断形成的液态金属层图6扫描电镜断口取样图7扫描电镜观察结果图8能谱成分分析结果图5B面腐蚀前后金相照片42第 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在重力、挤压力以及电磁力的作用下流动，靠近钢轨表面的液态金属流出焊缝部分形成焊瘤；而在接口内部，液态金属流进弧坑中并将其填平，完成顶锻后接口封闭成型。这个过程中可能会发生顶锻前出现过大弧坑，液态金属来不及完全填充进去，后面的顶锻过程将接口封闭形成内部密闭空间的孔洞，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，最终形成后面探伤时发现的裂纹缺陷。孔洞形成过程如图10所示。综上，针对焊缝弧坑裂纹，建议采取如下措施。1）检查焊机设备状态是否存在异常检查焊机设备包括检查其机械状态（顶锻力测试、油缸压力测试、位移测试等）和电气状态（电流测试、电压测试等）。2）在条件允许的情况下优化焊接工艺参数优化焊接工艺参数可以试着降低加热量和闪光阶段的烧化速度，尽量使顶锻前一阶段闪光爆破的强度均匀一些，减少大的过量爆破；适当增大顶锻力以及保压压力，加大接口的挤压力，将可能存在的大弧坑填满、压平。3 结论与建议 本文对某批次型式检验合格但焊接一段时间后探伤不合格的U71MnG厂焊接头进行研究，采用光学显微镜、扫描电镜和能谱对缺陷进行了分析，找出了探伤不合格的原因，并提出了相应措施。主要结论如下：1）采用超声波探伤准确发现了U71MnG钢轨厂焊接头轨腰轨底圆弧过渡区一侧存在异常回波，磁粉探伤显现出该异常回波位置是表面裂纹缺陷。2）检验分析显示，微观下缺陷以大、小孔洞的形态分布在焊缝正中心及其两侧，范围约为12 mm（长）2 mm（宽），深度至少1.2 mm，断口观察发现沿晶断裂和烧蚀孔洞的形貌，能谱分析未发现断口中存在晶粒及晶界元素成分偏析。3）分析闪光焊焊接原理和焊接过程，认为缺陷是闪光焊弧坑（火口）裂纹。形成过程是顶锻前出现了异常的大体积过梁爆破形成了端面弧坑，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。4）在生产中接头出现该焊接缺陷时，建议检查焊机机械和电气状态，优化焊接工艺参数，从而减少钢轨焊接缺陷的产生。参考文献1 国家铁路局.钢轨焊接 第 1 部分：通用技术条件：TB/T 1632.12014 S.北京：中国铁道出版社，2015.2 中国国家铁路集团有限公司.固定式钢轨闪光焊接：Q/CR 7072019 S.北京：中国铁道出版社，2019.3 丁韦，李力，赵国，等.钢轨闪光焊灰斑缺陷形成原因及预防方法 J.铁道建筑，2018，58（10）：128-131.4 高伟.钢轨闪光焊接头灰斑特性及成因分析 J.铁道建筑，2020，60（5）：119-122.5 陆鑫，李大东，王若愚，等.高强度热处理钢轨闪光焊接头断裂原因分析 J.铁道建筑，2020，60（1）：116-119.6 王瑞敏，徐光，朱敏，等.U71Mn钢轨闪光焊接头轨底伤波成因分析 J.热加工工艺，2020，49（23）：141-144.7 王莹莹，李力，高振坤，等.钢轨固定闪光焊接头轨底缺陷分析 J.铁道建筑，2017，57（12）：106-108.8 王东，高文会，王莹莹，等.钢轨闪光焊接头心部马氏体的成因及对策 J.高速铁路新材料，2022，1（1）：82-89.9 丁韦，张宪良，赵国，等.钢轨闪光焊接头过热区缺陷的形成机理及预防方法 J.铁道建筑，2015，55（11）：96-99.10 高世一，刘正林，房卫萍，等.闪光对焊技术及应用 M.北京：机械工业出版社，2015.图9焊接端面弧坑（火口）图10孔洞形成过程示意43铁道建筑第 63 卷Detection and Analysis of Defects in Arc Transition Zone of Waist and Bottom of Rail Factory Welding Joint Weld SeamWANG Dong，TU Zhankuan，DAI Tao，NI Zhengrong，FAN ZhenzhongMetals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，ChinaAbstract The ultrasonic detection echo of the arc transition zone at the waist and bottom of the U71MnG rail factory welding joint exceeds the standard,and the surface magnetic particle flaw detection shows defect morphology.In response to this issue，optical microscopy，scanning electron microscopy，and energy spectrum were used to analyze the defects.The results show that the defect is a surface crack on the rail weld seam，which is distributed in the form of small and medium-sized holes at the center and both sides of the weld seam at the micro level，with a length of about 12 mm，a width of about 2 mm，and a depth of at least 1.2 mm.The fracture surface exhibits intergranular fracture and ablative pore morphology，and no significant elemental segregation was observed in the grains and grain boundaries by energy spectrum.The defect is a flash welding crater crack，which is formed by an abnormal large volume lintel explosion before welding and forging，and formed an end face crater.The large volume crater is not completely filled by liquid metal at the moment of forging，forming a closed hole.The high-temperature liquid metal around the hole solidifies freely to form small holes of different sizes，and a small amount of intergranular cracks are generated at the grain boundary under the action of high temperature and structural stress.It is recommended to check the mechanical and electrical status of welding equipment and optimize welding process parameters.Key words rail factory welding；weld seam；ultrasonic flaw detection；magnetic particle flaw detection；surface cracks；hole；lintel explosion；crater crackCitation format：WANG Dong，TU Zhankuan，DAI Tao，et al.Detection and Analysis of Defects in Arc Transition Zone of Waist and Bottom of Rail Factory Welding Joint Weld Seam J.Railway Engineering，2023，63（7）：4044.（编辑：苗蕾 校对：刘莉）44