钢轨闪光焊接头过热区缺陷的形成机理及预防方法

对钢轨闪光焊接头轨底过热区出现的微裂纹缺陷的形成和扩展机理进行了分析,并结合相关疲劳试验及断口扫描,证明裂纹缺陷与钢轨母材带状组织中的Mn S夹杂物有关。Mn S夹杂物沿着带状组织纵向层状分布,弱化带状组织垂直方向的强度。焊接加热使得其强度进一步下降。焊接末期的顶锻和推凸使得带状组织沿垂直方向承受较强的剪切应力,当剪切应力值超过带状组织垂直方向的强度时就会出现微小裂纹。存在这类裂纹的落锤断口特征是在裂纹源区宏观断口可观察到微小裂纹及空洞。控制该缺陷产生的方法是减小母材成分偏析和提高推凸时的接头温度。     

钢轨闪光焊推凸缺陷的形成及预防对策

钢轨闪光焊接接头轨底过热区出现推凸裂纹的原因是钢轨带状偏析较为严重或不当的焊接工艺。通过对裂纹宏观和微观特征、焊接接头带状组织流向变化、裂纹表面MnS夹杂物偏析的分析,得出推凸裂纹形成机理,并查明该类缺陷造成落锤断裂原因。在此基础上,提出应通过优化钢轨母材质量及焊接工艺等方法,消除该类缺陷。     

钢轨闪光焊灰斑缺陷形成原因及预防方法

在钢轨闪光焊接过程中,母材中的MnS夹杂物从焊接过热区溶于焊缝金属。在焊接末期的连续闪光阶段,出现大的过梁爆破,形成暴露于空气的空洞,使焊缝金属中的Mn和Si在高温下与氧气发生反应,形成硅酸盐夹杂物,构成灰斑缺陷,其中Mn约占40%～50%。对比试验发现,U71Mn钢轨的MnS夹杂物和Mn含量分别是U75V钢轨的2倍和1. 2倍;对U71Mn和U75V钢轨闪光焊接头分别进行静弯和落锤试验,经统计,U71Mn钢轨断口灰斑面积分别是U75V钢轨的4. 5倍和2. 3倍。试验结果表明,钢轨母材中的MnS含量与焊缝金属中灰斑面积成正比。控制母材中的MnS含量可有效降低焊缝断口灰斑面积,从而提高钢轨闪光焊接头强度。     

不同强度等级珠光体钢轨韧性指标对比分析

对珠光体钢轨的强度和韧性指标进行了统计分析,并对其韧性指标的影响因素进行了讨论。结果表明:随着钢轨含碳量和合金元素加入量的增加,钢轨的强度逐渐提高,韧性指标逐渐降低;钢轨的冲击韧性主要由其原奥氏体晶粒尺寸决定,细化晶粒可以改善韧性,夹杂物、成分偏析和缩松等缺陷会使钢轨的冲击韧性显著降低;断裂韧性指标与钢轨的化学成分和组织结构密切相关,强度等级1 080 MPa级及以上的U78Cr V热轧钢轨的断裂韧性较低,建议热处理后使用;细化奥氏体晶粒及减少珠光体钢轨的夹杂物、成分偏析和缩松可提高钢轨的韧性。建议加快强度韧性配合优良的贝氏体钢轨的开发及应用。     

成套焊接工艺下贝氏体钢轨接头组织及性能研究

采用交叉试验的方法制备无碳化物贝氏体钢轨固定式闪光焊接头,对不同工艺条件下钢轨正向载荷敏感区域的金相组织进行观察分析,对贝氏体钢轨焊接过程中合金元素的迁移以及焊接缺陷的出现做出解释,并测定不同工艺条件下接头的拉伸、冲击、硬度性能。结果表明:不同工艺条件下焊缝过热区均由于合金元素迁移出现块状马氏体组织及带状组织;正火工艺后焊缝组织为仿晶界型先共析铁素体+粒状贝氏体相结构,拉伸、冲击性能均有提高,但过热区贝氏体局部重构导致白色微区、带状组织在过热区的体积百分数及分布范围增大;金相视野内焊后及正火后接头喷风工艺令白色微区、带状组织体积分布范围增大。     

U71Mn钢轨闪光焊接头暗色灰斑成因及消除方法

针对U71Mn钢轨闪光焊中容易出现暗色灰斑的现象,分析暗色灰斑的成分。从钢材焊接角度,探究暗色灰斑形成原因。U71Mn钢轨的Mn含量较其他类型钢轨高,因而在焊接过程形成锰酸盐的几率高,表现为暗色灰斑。当顶锻前的过热区过宽时,这类锰酸盐的聚集无法在顶锻过程中被挤出,暗色灰斑会残余在焊缝中。为尽可能消除暗色灰斑,开展消除暗色灰斑试验。分析3组不同参数焊接的钢轨接头暗色灰斑情况,为确定闪光焊工艺参数提供参考。     

提高钢轨工厂焊接接头可靠性的研究

通过对影响钢轨焊接接头可靠性因素的分析,找出了焊接工艺过程中产生缺陷的原因,提出了消除应力集中点,减少和消除焊接过程中残余应力的控制措施,通过研发国内首创的轨腰焊缝自动化打磨机、轨底焊缝自动化打磨机和预拱度控制装置等设备,消除或减少了焊接过程中的残余应力和微细裂纹,减少了应力集中点,对于提高钢轨工厂焊接接头可靠性有显著效果。     

钢轨铝热焊接头断裂失效分析研究

针对U71Mn钢轨铝热焊接头发生的横向断裂,对铝热焊接头的外观、断裂位置及断口宏观形貌进行检查,以确定铝热焊接头断裂起源和断裂特征;对其进行扫描电镜观察,以检验断口的微观形貌特征;对其进行金相检验,以确定裂纹源附近的组织形态。根据检验结果分析铝热焊接头伤损的状态、特点及原因。分析表明,U71Mn钢轨铝热焊接头焊缝在高温状态下,受焊接热应力及钢轨纵向拉应力的作用,沿疏松处形成横向热裂纹缺陷,最终造成焊接接头的横向断裂。     

钢轨闪光焊接轨头焊缝缺陷分析

通过对钢轨闪光焊接头样品的超声波探伤检查和钢轨接头轨头受拉静弯试验,分析断口微观形貌和疲劳源区能谱、剖面显微组织和剖面形貌及能谱,提出钢轨接头焊缝未焊合缺陷构成疲劳裂纹源、疲劳裂纹扩展产生钢轨接头大面积核伤和钢轨闪光焊接头轨顶面下10～15mm附近容易出现焊缝未焊合缺陷等结论;提出铺设前对新焊接钢轨接头焊缝进行全断面超声波探伤检查、研究开发现场焊接接头热处理中频感应加热方式、优化焊接工艺参数和调整检验规则等建议。     

钢轨闪光焊焊接接头轨面横向裂纹成因分析

针对秦沈线17处钢轨闪光焊焊接接头轨面产生的横向裂纹,通过在伤损部位取样,分别进行洛氏硬度、金相组织和显微硬度等试验,结合焊轨生产的实际,分析裂纹形成原因。认为所检闪光焊焊接接头的裂纹起源于钢轨表面的白亮层马氏体组织,并在外力作用下扩展进入正常的珠光体组织区域,裂纹深度达到5mm。研究钢轨精磨方式与焊缝凸起之间的关系,得出:对矫直后具有明显焊缝凸起的焊接接头进行精磨时有可能因打磨中进刀量过大,引起钢轨局部机械热损伤,造成局部金属的急速高温和急速冷却,形成高硬度的脆性白亮层马氏体组织,是导致焊接接头轨面产生裂纹的根本原因。建议进一步研究钢轨焊接生产打磨工艺规范以及客运专线铁路钢轨的预打磨规范,避免钢轨及焊接接头出现马氏体组织。     

钢轨固定闪光焊接头轨底缺陷分析

对钢轨固定闪光焊接头轨底缺陷进行分析,发现造成静弯样品断裂的主要原因是轨底热影响区微裂纹及空洞。通过金相及微观成分分析,发现微裂纹存在明显的沿晶断裂特征,说明微裂纹为焊接过程中产生的高温裂纹。缺陷区域存在硫化锰夹杂物,其取向垂直于钢轨轧制方向,说明缺陷处微裂纹与钢轨母材的硫化锰夹杂物有关,顶锻使得近焊缝区的夹杂物取向发生改变,硫化锰夹杂物割裂晶体的连续性,造成钢轨强度下降。同时由于固定焊机顶锻完成到推凸时间间隔较长,造成推凸时近焊缝区温度降低,钢轨塑性变差,从而形成微裂纹及空洞。     

贝氏体钢轨铝热焊接头缺陷及原因分析

对一种新型的贝氏体钢轨铝热焊接头进行疲劳试验后,在轨头部位熔合区出现大面积的沿晶裂纹。针对裂纹出现的原因进行了扫描电镜、电子探针等分析,分析发现该区域原奥氏体晶粒粗大且会发生奥氏体向高碳马氏体转变,导致不均匀应变,最终在外力作用下,形成沿晶断裂。虽然在熔合区出现了脆性相,但接头的宏观力学性能仍能满足现行铁路标准的要求。特别是在出现了大面积裂纹后,贝氏体钢轨仍能通过疲劳实验,而不出现裂纹扩展断裂。这说明对贝氏体钢轨接头套用珠光体钢轨接头标准不可取,需作适当调整。     

沈阳铁路局科学技术研究所

移动式焊接接头轨面硬化技术及设备 主要完成单位：沈阳铁路局科学技术研究所 钢轨焊接接头性能及质量的优劣直接关系到铁路运输的效率和安全。全长淬火钢轨在经现场焊接（移动式闪光焊、气压焊）后，钢轨焊接接头部位原有的硬化层消失．原有的强度和韧性降低．焊缝和热影响区原有的硬度指标也有较大程度的减少，形成硬度低落区。焊头轨面硬度下降会造成钢轨低接头，轨顶低陷日趋严重，将加大车轮和钢轨间的冲击力，从而缩短了钢轨的使用寿命。     

典型生产工艺对无碳化物贝氏体钢轨组织与性能的影响

基于矫直、回火和在线热处理3种典型钢轨生产工艺,采用不同工艺组合工业试制5种无碳化物贝氏体钢轨;基于扫描电子显微镜、透射电子显微镜、背散射电子衍射法和X射线衍射法,分析无碳化物贝氏体钢轨的微观组织;采用布氏硬度、单轴拉伸、锯切应变片法、冲击韧性、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速度测试等试验,研究典型生产工艺对无碳化物贝氏体钢轨组织和力学性能的影响。结果表明:矫直使无碳化物贝氏体钢轨中的残余奥氏体体积分数自12.44%降至10.6%,有利于促进亚稳态残余奥氏体的转变;回火稳定残余奥氏体,提升冲击韧性20%以上;在线热处理降低残余奥氏体体积分数,提高屈服强度19%以上,尤其能提高抗拉强度和冲击韧性,对轨底残余应力的影响不大。据此,为了综合提升无碳化物贝氏体钢轨的耐磨性和抗接触疲劳性能,在提高屈服强度和抗拉强度的同时增大残余奥氏体体积分数,以提升加工硬化能力和塑性。     

钢轨闪光焊焊缝断裂原因分析

某运营线路一钢轨闪光焊焊缝发生全断面断裂,通过宏观、微观形貌观察,微区成分分析,金相组织、化学成分及低倍检验,分析钢轨闪光焊焊缝的断裂性质及断裂原因。分析结果表明:钢轨焊缝断裂性质为折叠裂纹导致的横向脆性断裂,在钢轨焊缝区域轨腰和轨底之间过渡圆弧部位的焊接推凸飞边根部形成的类似折叠裂纹缺陷导致疲劳裂纹的萌生,进而发展为横向脆性断裂。建议钢轨闪光焊焊接时尽量减小焊接推凸区厚度并避免在焊接推凸飞边根部形成类似折叠裂纹缺陷,防止焊缝发生横向脆性断裂。     

提高钢轨焊接接头机械性能的措施

钢轨焊接后焊缝及热影响区由于受到焊接高温的影响，造成晶粒粗大，脆性增大，塑性、韧性下降。为了改善焊接头的塑性、韧性，提高焊接头综合机械性能，对接头进行焊后热处理，使焊头性能符合TB／T1632—91《钢轨焊接接头技术条件》要求。PD3钢轨焊接接头经过中频电感应加热正火工艺处理，使焊接接头晶粒细化，组织均匀，从而提高焊头的塑性、韧性，达到TB／T1632—91标准，满足无缝线路的使用要求。     

重载铁路60kg·m~(-1)贝氏体钢轨试验及应用

为开发适应重载铁路发展和应用的高强高韧高耐磨钢轨,在对60 kg·m~(-1)贝氏体钢轨进行试制的基础上,利用蔡司倒置式光学显微镜、透射电镜及静态液压万能试验机,对钢轨母材和焊接接头的组织性能进行检验,并对钢轨和道岔辙叉翼轨、尖轨进行试铺,系统分析强韧和耐磨性能。结果表明:60 kg·m~(-1)贝氏体钢轨的母材组织均匀,基体为无碳化物贝氏体,存在少量稳定残余奥氏体和M/A组织,硬度较高,耐磨性良好,具有良好的强韧性匹配;焊接接头组织均匀,性能良好;铺设在重载线路曲线段的贝氏体钢轨服役时间达48个月、通过总重近6亿吨时,其使用寿命比珠光体钢轨提高1倍以上,道岔辙叉翼轨和尖轨的使用寿命比U75V钢轨提高3～4倍,且均未出现重伤问题,贝氏体钢轨还具有较强的抗剥离掉块能力。     

重载铁路钢轨焊接接头磨耗特征研究

本文对重载线路钢轨焊接接头与母材相对磨耗进行了测量与分析,测量结果分析表明,热处理钢轨焊接接头相对磨耗明显大于热轧钢轨,且钢轨强度越高,磨耗越严重;铝热焊接头磨耗明显大于闪光焊.影响焊接接头不均匀磨耗的主要因素是接头部位的硬度;对接头磨耗与硬度关系的分析表明,钢轨焊接接头(含软化区)平均硬度与母材接近相等时,接头与母材磨耗量也大致相当,此时,接头热处理区(或焊缝及热影响区)硬度约为母材的1.05倍.建议在重载铁路条件下,对于高强度热处理钢轨的焊接应分情况处理:铝热焊应进一步提高焊缝硬度,闪光焊应进一步优化接头热处理工艺.     

超声冲击技术消除转向架构架焊接残余应力试验方案分析

为消除转向架构架焊接接头残余应力,尝试应用超声冲击法消除焊接接头残余应力。给出了采用超声冲击测试转向架构架焊接接头残余应力试验方案,测试超声冲击前后工艺条件下,焊接接头残余应力的变化特征和规律。对超声冲击前后焊接接头的微观组织和常规力学性能进行了检查测试。结果表明,超声冲击后焊缝区强度有所提高。     

低相变温度焊接材料的研究

介绍了日本材料研究所新开发的低相变温度焊接材料的设计理念及应用课题。指出了该材料能够降低焊接区产生的拉伸残余应力,提高接头的疲劳强度,改善焊缝根部(应力集中部)的抗裂性能。现已确立了该焊接材料的实用化目标。