谈钢轨铝热焊接头横向断裂分析

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1、112铁道建筑下列公式列出了铝热反应过程及其产生的热能。于合金元素沿晶界处析出，进而引起合金元素的成份3Fe3O4+8A1=4A12O3+9Fe(3088℃，719．3kca1)；偏析，焊后冷却时转变为珠光体和不同硬度的马氏体3FeO+2A1=A12O3+3Fe(2500℃，187．1kca1)；组织。铝热焊剂成份异常(合金元素成份偏高或合金元素尺寸偏大)或铝热反应不充分(合金元素未充分扩散Fe2O3+8A1=A12O3+2Fe(2960℃，181．5kca1)。到钢水中)都会导致焊肉中合金元素的局部富集，并在铝热焊剂主要由氧化铁、铝粉、铁粉、合金组成，氧冷却过程中沿晶界析出，产生合金元

2、素成份偏析。化铁与铝粉是铝热焊剂的基本成分。在进行化学反应马氏体组织是一种脆性组织，易于产生裂纹，会大时释放出焊接所需热能使钢水熔化形成焊肉。反应所大降低钢轨的韧性。《钢轨焊接第3部分：铝热焊接》生成的氧化铝(A1O，)因其相对密度小于钢水，而浮(TB／T1632．3—2005)规定，“焊缝、热影响区不应出在表面成为熔渣。铁粉用于调节铝热钢水温度，合金现马氏体及魏氏组织等”。调整焊肉金属成分。2．4夹渣和马氏体对钢轨铝热焊接头性能的影响夹渣是铝热焊铸造组织中常见的缺陷之一。夹渣《钢轨焊接第3部分：铝热焊接》(TB／T1632．3-是由于熔渣随钢水进入焊缝，没有从浇口和冒口处浮2005)中

3、对断口的检验规定，“允许出现少量气孔、夹出而造成。此外，未能全部融化的铁合金块或混入钢水渣或夹砂等缺陷，其尺寸及数量如下：最大尺寸2mm中的其他金属，在进行铝热反应时与熔渣等未及时上浮时，允许数量一个，最大尺寸1mm时，允许数量2冲走而进入型腔，黏附在型腔表面被凝固，形成夹渣。个”。上述规定表明，铝热焊接头中的气孔、夹渣或夹具体来说，由于轨缝过大、砂箱不密贴或产生跑铁砂很难避免，其尺寸和数量未达到一定程度应该不影现象；钢水量不够，使熔渣不能完全排出；铝热反应不响使用。充分，导致反应未完成就浇注，在型腔内继续反应；凝断裂焊接接头中的夹渣位置位于轨腰，由于靠近固快，熔渣来不及浮出等原因形成夹

4、渣。钢水进入型中和轴，正常使用过程中由列车通过产生的动弯应力腔通常最容易在轨顶部位产生夹渣(在轨头打磨时就对该夹渣的作用很小，其受力主要取决于无缝线路的能清除掉或能观察到)，在轨腰的焊筋表层部位也可温度应力。冬季是无缝线路温度拉应力最大的季节，能形成夹渣(由于该处焊筋表面为铸造表面，比较粗由于夹渣的尺寸较大(达到了6mm)，并且在夹渣周糙，通常无法用肉眼或探伤方法检测出)。围弥散分布有众多球状的氧化铝颗粒，产生应力集中，2．2断裂源在温度交变载荷的作用下，很容易引发钢轨横向裂纹。断口宏观形貌、微观形貌和微区能谱检验分析结由于焊肉为铸态组织，晶粒粗大，且存在沿晶界分布的果表明，在焊肉处存在

5、肉眼可见的粗大夹渣，是导致在马氏体组织，降低了铝热焊接头的韧性，加剧了钢轨产轨腰焊筋边缘形成横向裂纹进而发展成钢轨横向断裂生横向脆断的可能。的原因。3结论与建议粗大夹渣的尺寸约为6mm×6mm，主要为氧、铝和铁等元素成份，其显微组织为混合分布的珠光体组1)铝热反应不充分，在轨腰焊筋表层和次表层产织、马氏体组织以及高硬度组织。结合高硬度组织的生粗大的含有氧化铝、珠光体和马氏体的夹渣类型焊化学成份(A1，O)和铝热反应的过程可知，高硬度组织接缺陷，是导致铝热焊头使用初期在夹渣类型缺陷处的主要成份应为氧化铝(A1：O)。形成裂纹源进而发生横向断裂的主要原因。2．3夹渣和焊肉处出现马氏体的原因2

6、)轨腰焊肉处存在的沿晶界分布的马氏体组织，夹渣内部及边缘分布有珠光体、马氏体及高硬度加剧了钢轨的脆性断裂过程。的显微组织，对比马氏体和珠光体区域的微区能谱成3)由于轨腰处存在粗大夹渣缺陷而导致钢轨铝份可知，马氏体区域合金元素(Si，Mn)含量偏高，表明热焊接头断裂的失效案例以往也有发生，但通常是由在夹渣缺陷处同时存在有成份偏析缺陷。马氏体组织于铝热焊接完成后的冷却过程中，由于轨腰存在较大的产生应为铝热焊料熔化不均匀(如铁合金没有完全的垂直方向的残余拉应力，导致形成沿钢轨纵向疲劳熔化)引起的微区成份偏析，焊后冷却时转变为珠光扩展的轨腰裂纹。当裂纹扩展至焊接热影响区以外的体和不同硬度的马氏体

7、组织；同时形成较大的组织应区域后，受钢轨残余应力和列车载荷的动弯应力的作用，裂纹转向轨底或轨头方向扩展，形成“S形”或“双力并形成微裂纹。轨腰纵断面处的显微组织检验表明，焊肉处可随s形”断裂。焊接夹渣引起的铝热焊接头垂向脆性断机观察到沿晶界分布的马氏体组织，其产生原因是由裂案例还是首次发现。铁道建筑2012年第9期RailwayEngineering113文章编号：1003—1995(2012)09—0113—03客运专线CRTSI