（武漢鋼鐵有限公司，湖北武漢 430080）

0 前言

閃光焊是無縫鋼軌生產(chǎn)及鋪設(shè)的重要方法，它具有焊接效率高、焊接質(zhì)量高的特點，其應(yīng)用愈來愈廣泛。閃光焊主要過程為閃平、預(yù)熱、燒化、帶電頂鍛、無電頂鍛、保壓及推瘤，通過精確的程序控制、加壓系統(tǒng)、加電系統(tǒng)等執(zhí)行，整個過程在幾分鐘內(nèi)完成。在鋼軌焊接性能較好，各焊接參數(shù)較為匹配的情況下，焊接接頭都能順利通過超聲波探傷等檢驗。然而在生產(chǎn)實際中常會出現(xiàn)焊接參數(shù)設(shè)置不合理、設(shè)備狀態(tài)波動，導(dǎo)致焊接接頭產(chǎn)生未熔合、夾渣、冷焊、過熱、過燒、裂紋等缺陷[1-2]。準(zhǔn)確識別這些缺陷才能制定正確的解決方案，這需要結(jié)合焊接工藝條件和顯微分析來進行研究。在此結(jié)合U71Mn鋼軌在某焊軌基地閃光焊探傷出現(xiàn)超使用標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)象進行試驗研究，通過分析接頭顯微形貌及焊接參數(shù)，判斷缺陷產(chǎn)生的原因為過燒，通過調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，消除了過燒現(xiàn)象。該試驗結(jié)果用于指導(dǎo)鋼軌焊接生產(chǎn)，保證了接頭超聲波探傷合格。

1 焊接條件

在某焊軌基地進行百米U71Mn鋼軌閃光焊對接焊，鋼的主要化學(xué)成分如表1所示，其他有害殘余元素控制較好。

表1 鋼軌化學(xué)成分 %

焊機為瑞士Schlatter GAAS80預(yù)熱閃光焊接系統(tǒng)，功能先進。焊接流程為打磨→配軌→焊接→推瘤，焊接完畢后，檢測焊頭外形尺寸、粗磨及精磨、正火、超聲波探傷。閃光焊試驗主要參數(shù)如表2所示。第1組參數(shù)與生產(chǎn)所用相同，第2組參數(shù)為改進后參數(shù)。

表2 閃光焊主要參數(shù)

2 焊接接頭缺陷

采用表2所示的第1組參數(shù)進行焊接試驗?？傮w上講，焊接裝配較好，實時焊接參數(shù)曲線穩(wěn)定，接頭推瘤時處于亮紅狀態(tài)，溫度較均勻。

打磨焊頭，冷卻至40℃以下后進行超聲波探傷。為了節(jié)約時間，部分焊頭在焊態(tài)下探傷。探傷儀為CTS-1003便攜式超聲波探傷儀，探傷時要注意辯識焊筋波及純表面波。

第1組參數(shù)焊接接頭探傷結(jié)果如表3所示。

表3 焊接接頭探傷結(jié)果（第1組參數(shù)）

焊頭探傷波峰10%～33%，以10%～18%居多，正火態(tài)探傷結(jié)果略好于焊態(tài)。缺陷主要集中在軌底離鋼軌中心約40 mm范圍內(nèi)的近表面。

鋼軌閃光焊常見缺陷如下：

（1）灰斑。存在于閃光焊焊縫斷口中的局部光滑區(qū)域，與周邊金屬有明顯界限。鋼軌焊接灰斑可分為亮灰斑和暗灰斑。通常認(rèn)為，灰斑產(chǎn)生的原因是鋼軌焊接時Si、Mn、Al等合金元素形成氧化物。在頂鍛時，熔化的金屬與這些夾雜物一起被擠壓，沿工件徑向流動排溢，未被排擠干凈而殘留在焊縫中的氧化物形成了斷口上的灰斑。暗灰斑主要是由于閃光焊接時供給熱量不足所致，增加熱量供給后，暗灰斑就轉(zhuǎn)化成亮灰斑或者基本消除[3]。不過灰斑難以用超聲波探出。

（2）未熔合。焊頭上母材與母材之間未能完全結(jié)合的部分一般出現(xiàn)在焊縫上。產(chǎn)生的原因主要有：a.軌端除銹不徹底，有污物；b.兩個接頭端面間隙過大，頂鍛量過小或過早，加熱時間短，焊接溫度達(dá)不到要求，閃光不穩(wěn)定。未熔合可以通過超聲波探出。

（3）裂紋。一般產(chǎn)生于軌腳端部，是在焊縫軌腳兩端出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。這種缺陷對焊接接頭整體力學(xué)性能影響很大。軌腳端部裂紋多數(shù)與焊接工藝有關(guān)，例如，焊接頂鍛量不足，使軌腳部位的擠壓面積小于鋼軌端面，推凸和保壓的時間過短，造成塑性變形量不足；焊接加熱的時間不夠長，造成加熱范圍過窄等。裂紋可以通過超聲波探出。

（4）過燒。焊接時加熱溫度過高，局部金屬熔化或接近熔化狀態(tài)而造成的晶界偏析和燒熔，在外力作用下甚至?xí)霈F(xiàn)孔洞或裂縫。過燒是焊接接頭最危險的缺陷之一，常出現(xiàn)在軌底兩側(cè)的軌腳位置。輕度過燒時出現(xiàn)細(xì)小炭黑斑點，嚴(yán)重過燒時出現(xiàn)黑色蜂窩狀組織[4]。產(chǎn)生過燒的原因有：a.燃燒時間過長；b.頂鍛時間設(shè)置過短；c.燒化末期速度過慢。在超探時，過燒會顯示出缺陷波。

（5）焊縫夾雜物。焊縫夾雜物是指分布在熔化焊縫中的非金屬氧化物顆粒。若將焊縫打斷后，在宏觀下觀察時顏色較深。閃光焊氧化物夾雜產(chǎn)生的原因較多，并且難以掌握規(guī)律，一般認(rèn)為是鋼軌在焊接過程中，焊縫處有時形成硅酸鹽類的非金屬物質(zhì)，少量聚集在閃光弧坑的底部，當(dāng)最終的頂鍛完成后，沒有將非金屬物質(zhì)擠出，使其滯留在焊縫中，這樣就形成了焊縫夾雜物。焊縫夾雜物可以通過超聲波探出。

（6）粗晶組織。采用超聲波探傷檢查鋼軌焊接接頭，有時軌頭焊縫處會出現(xiàn)“缺陷波”，若對鋸切鋼軌接頭焊縫進行解剖分析，難見到其存在缺陷。金相分析表明，“缺陷波”來自鋼軌接頭心部因熱處理工藝不當(dāng)產(chǎn)生的粗晶組織[5]。

鋼軌閃光焊接頭實物、橫截面如圖1所示，鋼軌由軌頭、軌腰及軌底組成。沿焊頭縱向從中心切開取樣，如圖1b所示。磨光截面，腐蝕后觀察到的宏觀形貌如圖1c所示，焊接亮線略寬，流線無明顯異常?？梢钥闯?，由于鋼軌形狀呈I字形，較為復(fù)雜，所取截面上焊接流線在軌頭及軌底有明顯轉(zhuǎn)向，而在軌腰部位則看不到轉(zhuǎn)向。實際上，軌腰部位的焊接流線也有轉(zhuǎn)向，但因為取樣截面與軌腰表面平行，從該方向顯示不出。

對焊頭的焊接缺陷進行顯微分析，焊頭的主要缺陷位于軌底焊縫亮線附近的近表面區(qū)，如圖2所示。其中多數(shù)缺陷如圖2a、2b所示，距離熔合線（亮線）0.2～0.9 mm；也有很少量缺陷位于亮線上，如圖2c所示。

圖1 焊頭形狀及接頭宏觀形貌

圖2 焊接缺陷

初看圖2a的缺陷，與文獻[6]介紹的推凸裂紋非常相近。推凸裂紋產(chǎn)生的原因是焊接末期頂鍛完成后要進行推瘤，推瘤刀從焊接區(qū)一側(cè)向另一側(cè)移動（見圖1a），另一側(cè)帶狀組織受垂向力產(chǎn)生較最大彎曲，因偏析、非金屬雜夾、推瘤溫度低塑性差而產(chǎn)生裂紋。不過試驗用鋼軌鋼質(zhì)較純，含S量低；焊接實驗時，推瘤時溫度較高，基本上可以排除推瘤缺陷。

探傷缺陷區(qū)域組織為細(xì)片狀珠光體+粗片狀珠光體，焊接熔合線組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體。對缺陷進行進一步分析，大部分缺陷是孔洞，用掃描電鏡觀看，不到明顯夾渣。只有少量缺陷的裂縫尖端及局部裂縫壁上有硫化錳夾雜物，如圖3所示。微觀分析顯示，硫化物等夾雜及其他夾渣并非形成缺陷的主要原因。

對焊頭進行落錘試驗，在不開口情況下4～5次落錘打不斷，說明即使焊頭中存在這種過燒缺陷，其仍具有較強的抗落錘打擊能力。開口后打斷，觀看斷口發(fā)現(xiàn)，斷口灰斑很少，落錘性能較好。但斷口顯示出過熱特征，加熱與擠壓不匹配導(dǎo)致出現(xiàn)近縫近表面缺陷。

這類缺陷為過燒的可能性很大。過燒時，加熱溫度梯度過小、熱影響區(qū)過寬。過燒會導(dǎo)致晶粒邊界熔化，產(chǎn)生體積型缺陷，存在于焊縫或熱影響區(qū)。圖2的焊接缺陷形態(tài)具有過燒特征。

圖3 少數(shù)缺陷上硫化物

3 過燒缺陷的消除

焊接參數(shù)調(diào)節(jié)及試驗結(jié)果為表2中的第2組參數(shù)。與第1組參數(shù)相比，燒化時間由45s減至30s，末期燒化速度由0.25 mm/s增至2.40 mm/s，頂鍛量由14 mm減至11 mm，焊接5個接頭，焊后正火處理后再進行超聲波探傷，5個焊頭反射波均很小。進行落錘試驗時，兩錘打擊后均未斷裂。

本研究試驗鋼含S量低，煉鋼時有害微量元素控制較好，因此，在正常焊接參數(shù)條件下，熱影響區(qū)不會產(chǎn)生明顯的晶界熔化，形成類似過燒的缺陷。但在焊接參數(shù)匹配不當(dāng)?shù)那闆r下，低熔點偏析晶界熔化較多，還會進一步加劇低熔點物質(zhì)的偏析和聚焦，擴大熔化區(qū)的范圍，在冷卻過程中及力的作用下形成孔洞及裂紋，導(dǎo)致探傷不合格。另外，由于這種過燒缺陷出現(xiàn)于熔合線附近的母材上，使人很容易錯誤地將其產(chǎn)生原因歸咎于母材不純，給問題的解決帶來很大麻煩，甚至造成不必要的嚴(yán)重?fù)p失。

4 結(jié)論

（1）鋼軌閃光焊探傷不合格，其缺陷主要為焊縫附近存在孔洞及裂紋，且孔洞及裂紋上鮮有夾雜物，這是焊接參數(shù)不合適過燒造成的。

（2）通過調(diào)節(jié)末期燒化速度及頂鍛時間，合理匹配焊接熱輸入及燒化、頂鍛等參數(shù)。適當(dāng)增加加熱溫度梯度，減少焊接熱影響區(qū)過熱區(qū)寬度，焊頭探傷情況明顯改善且合格。