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焊接技術
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鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析

時間:2020/6/22 21:46:29   作者:未知   來源:網絡文摘   閱讀:7   評論:0

摘 要: 采用光譜分析、金相分析和掃描電鏡等手段對鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因進行分析,其結果表明,由于焊接工藝不當,使熔合區產生夾層及軌底角出現灰斑,降低了鋼軌的強度,在做落錘試驗時發生斷裂。
關鍵詞: 鋼軌 閃光焊 斷裂
1 情況簡介
    某鐵路工務機械廠對新研制的鋼軌閃光焊試驗件做落錘試驗時發生斷裂,兩個試驗件均在閃光焊熔合區沿鋼軌橫截面發生脆性斷裂,斷口宏觀形貌如圖1,為查明其斷裂原因,對斷口化學成分、金相組織及斷口宏觀、微觀形貌等進行分析。鋼軌試驗件的材質為U75V;型號:60Kg/m;工藝流程是:縱向焊接將兩個鋼軌對接在一起—縱焊縫火焰正火處理—鋼軌橫截面對接手工封閉焊—鋼軌閃光對焊——閃光焊熔合區中頻正火處理,(見圖2)。


鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析
圖1 斷口宏觀形貌



鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析 

鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析

圖2 鋼軌焊接示意圖



鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析
圖3 斷口取樣示意圖


2 理化檢驗
2.1 化學成分分析
    鋼軌(材質:U75V)和斷口平整面(閃光焊熔合區)兩部分進行化學成分光譜分析(試樣為圖3中的3#),結果見表1。

表1 化學成分分析結果
Tab.1 Result of chemical composition analysis (%)

項    目

C

Si

Mn

P

S

V

Ni

鋼軌 基體實測值

0.74

0.58

0.93

0.016

0.006

0.04


斷口平整面實測值

0.19

0.47

1.30

0.010

0.005

1.03

0.41

鋼軌 標準值

0.71~0.80

0.50~0.80

0.70~1.05

≤0.030

≤0.030

0.04~0.12


上述結果可看出:鋼軌化學成分符合標準要求,但斷口平整面的含碳量遠遠低于鋼軌的含碳量。
2.2 斷口宏觀特征
    斷口宏觀形貌為:軌腰和軌腳處為灰色平整面,且無塑性變形,此平整面為發亮的小刻面,具有金屬光澤;軌頭為撕裂區,可顯見撕裂棱的擴展方向,此撕裂區與平整面有一定的高度差,使整個斷口呈“L”型,見圖4。


鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析
圖4 斷口取樣部位


鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析 


圖5 390×
2.3 斷口微觀分析
    在軌腰處取一段斷口試樣做掃描電鏡分析(見圖4中的B段),斷口微觀形貌為準解理(見圖5),屬偏脆性斷口;A段為撕裂區,其微觀形貌為解理斷口(見圖6),也屬于脆性斷口;焊縫區微觀形貌為解理+準解理+少量沿晶(見圖7),此區未發現夾雜等缺陷,屬偏脆性斷口;軌底角處發現少量灰斑存在(見圖 8)。
 鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析


圖6 250×   

鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析


圖7 1024×
  鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析 


圖8  

鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析 


圖9
2.4 金相試樣分析
    將圖2中1#試樣(即鋼軌軌頭部分取下的斷口面)磨平,經4%的硝酸酒精浸蝕后,宏觀顯示鋼軌縱焊縫熔合良好,如圖9,圖中a區顯微鏡觀察其金相組織為索氏體,b區金相組織為樹枝晶狀的鐵素體+索氏體,見圖10,熱影響區組織為細珠光體+鐵素體;將圖2中鋼軌軌腰部分取下,磨其縱截面,經4%的硝酸酒精浸蝕后,顯示出軌腰縱向宏觀形貌,見圖11,圖中焊肉處金相組織為索氏體+鐵素體,熱影響區金相組織:細珠光體+鐵素體,鋼軌基體組織:珠光體。



鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析
圖10 


鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析 


圖 11
3 結果分析與討論
    1、由以上檢驗可知,鋼軌母材的組織和成分均屬正常,但閃光焊熔合區即斷口平整面的化學成分異常。
    2、斷口無未焊合、夾渣、過燒等缺陷,焊縫區金相組織為索氏體+少量的樹枝晶狀鐵素體,說明焊肉已經過正火處理,但還存在樹枝晶狀鐵素體,是由于正火處理的加熱時間短造成的;焊縫周圍軌頭處微觀形貌為粗大的解理面,其金相組織為較粗的珠光體組織,圖11中閃光焊焊接熱影響區金相組織為細珠光體+鐵素體,說明閃光焊后正火處理狀態良好,其斷口微觀形貌為較細的解理面;而鋼軌基體組織為粗的珠光體。
    3、大的平整斷口區域組織為索氏體+鐵素體,其含碳量為0.19%,且微觀形貌為偏脆性準解理面,此區域與鋼軌基體成分相差很大,接近焊絲的成分,經了解,廠家為了減少閃光焊出現的灰斑,在閃光對焊前,將兩段鋼軌對接處進行了手工封閉焊,由于封閉焊時,焊接工藝制定不合理,使閃光焊頂鍛時未將封閉焊的焊肉全部擠出,使其部分殘留在熔合區內,形成以低含碳量為主的夾層,此夾層強度比鋼軌本體強度低,無法承受標準要求的沖擊功,在做落錘試驗時,錘頭著落點為閃光焊熔合區,經受力分析,力的分布見圖12,由圖12可看出,閃光焊熔合區上下表面受力最大,加之軌底角處有少量的灰斑存在,因此試驗件受力后,在軌底處先開裂,并沿著夾層迅速擴展。此夾層宏觀反映為斷口平整面。


鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析


鋼軌閃光焊試驗件斷裂原因分析
圖12


4 結論
    綜上所述,兩個試驗件的斷口一個存在灰斑、另一個未見灰斑存在,但兩個試驗件在閃光焊熔合區都有夾層存在,因此,試驗件斷裂主要原因是由于焊接工藝不當,使閃光焊熔合區存在低強度夾層造成的。
5 建議
    制定手工封閉焊工藝時,要減小試驗件坡口的深度及焊縫的寬度,使閃光焊頂鍛時把焊縫處的焊肉全部擠出,熔合區不存在夾層,而是鋼軌熔合后的整體,以保證閃光焊熔合區的強度。


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