張銘達

(中國鐵路沈陽局集團有限公司 工務處，遼寧 沈陽 110001)

與U75V鋼軌相比，U71Mn鋼軌一直存在可焊性較差、焊接接頭一次落錘檢驗合格率偏低的問題[1]。為此，采用GAAS80/580焊機進行了大量試驗，對焊機主要工藝參數(shù)對U71Mn鋼軌焊接質量的影響程度進行比較和分析。

1 試驗

采集了288個U71Mn鋼軌焊接接頭的試驗數(shù)據(jù)。試驗過程中主要對03/6預熱次數(shù)(**/*中斜線前面2位代表步驟，斜線后面1位代表該步驟中的參數(shù)序號，下同)、06/8末期燒化電壓、06/9末期燒化電流限值、06/10末期燒化速度、07/8頂鍛力等SWEP06設定工藝參數(shù)進行了一定范圍的調整。另外，試驗同時記錄了一次預熱電流、頂鍛量、落錘合格次數(shù)、斷口灰斑面積等。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 03/6預熱次數(shù)與灰斑面積/落錘性能的關系

03/6預熱次數(shù)與灰斑面積/落錘性能之間關系見表1。可知，隨著U71Mn鋼軌預熱次數(shù)的增加，平均灰斑面積及灰斑總面積增加，平均錘數(shù)減少。原因在于，增加預熱次數(shù)一般是為了加大加熱總量，對于U71Mn鋼軌來說，加熱總量增加會導致平均灰斑面積增加，平均錘數(shù)減少，落錘性能變差[2-4]。

表1 03/6預熱次數(shù)與灰斑面積/落錘性能之間關系

2.2 末期燒化過程參數(shù)與灰斑面積/落錘性能的關系

2.2.1 06/8末期燒化電壓與灰斑面積/落錘性能的關系

按照06/8末期燒化電壓設定值按比例關系歸類匯總，得到末期燒化電壓與灰斑面積/落錘性能之間的關系見表2。其中末期燒化電壓在GAAS80/580焊機里設置為最大值的千分數(shù)，表示最大值的千分之幾，是一個折合比例，每個機器的最大值有細微差別，不是一個定值。下同。

表2 06/8末期燒化電壓與灰斑面積/落錘性能的關系

從表2可以看出，隨著06/8末期燒化電壓逐漸增加，平均灰斑面積逐漸減少；超過某個設定值范圍后(約900%～920%)，平均灰斑面積會逐漸增加。原因在于，在燒化末期，鋼軌端面加熱到了一定的程度，電壓設置較低時容易造成黏連，影響燒化的連續(xù)性和均勻性，所以需要適當提高末期燒化電壓[5-7]。但是當電壓設置超過一定范圍時會造成燒化火口較深，頂鍛后容易在接頭內部遺留焊接缺陷[8]。

2.2.2 06/9末期燒化電流限值與灰斑面積/落錘性能的關系

06/9末期燒化電流限值與灰斑面積/落錘性能的關系見表3。

表3 06/9末期燒化電流限值與灰斑面積/落錘性能的關系

從表3可以看出，06/9末期燒化電流限值取“≤250‰”、“500‰”這2個范圍時，電流限值越大，灰斑越明顯，落錘性能越差；取“999‰”時，由于不再利用反饋電流控制燒化過程，電流失去控制作用，因此對灰斑數(shù)量和落錘性能影響較小。

2.2.3 06/10末期燒化速度與灰斑面積/落錘性能的關系

06/10末期燒化速度與灰斑面積/落錘性能的關系見表4。

表4 06/10末期燒化速度與灰斑面積/落錘性能的關系

由表4分析可知，06/10末期燒化速度控制值較低時，平均灰斑面積較大，適當提高燒化末期速度(即提升動架允許速度)，對灰斑控制的效果很明顯。但進一步提高末期燒化速度又會出現(xiàn)灰斑惡化的情況。

分析其原因，主要是因為末期燒化速度是動架運動速度的影響參數(shù)，直接體現(xiàn)動架送進速度。保證一定的送進速度有利于保證焊接連續(xù)性和形成合適的溫度梯度。但末期燒化速度太快又會導致過梁爆破劇烈，形成一定的火口深度，導致焊縫中融合狀態(tài)的金屬難以完全擠出，可能形成一個被擠在融合區(qū)域的氧化物薄層，中間也可能夾雜一些析出物和夾雜物。氧化物薄層在一定厚度范圍內時，接頭兩側金屬能夠形成金屬原子鍵連接，一般不會影響接頭的機械性能，此時宏觀形態(tài)是灰斑，一般很難被探傷發(fā)現(xiàn)[9-11]。當火口比較深，融化金屬不能完全擠出時，融化金屬可能在結合部位形成有一定厚度的組織，金屬晶粒呈融合狀態(tài)，宏觀斷口表現(xiàn)為脆性晶間斷裂，此時探傷會有回波。火口更深可能就會表現(xiàn)為微觀裂紋甚至是空洞，宏觀斷口表現(xiàn)為未焊合，一般會被探傷發(fā)現(xiàn)[12]。

2.2.4 末期燒化過程的3個參數(shù)與灰斑面積/落錘性能的關系

通過以上分析可以明顯看出，對于灰斑面積/落錘性能影響比較大的是06/10末期燒化速度的調整，其次是06/8末期燒化電壓的調整，由于06/9末期燒化電流限值只是一個二次反饋限制參數(shù)，因此反映出來對灰斑面積/落錘性能的影響比較小。

2.3 頂鍛量、頂鍛力、加熱程度指數(shù)與灰斑面積/落錘性能的關系

2.3.1 頂鍛量與灰斑面積/落錘性能的關系

頂鍛量與灰斑面積/落錘性能的關系見表5。

表5 頂鍛量與灰斑面積/落錘性能的關系

由表5可知，頂鍛量越大，灰斑總體上越明顯，平均錘數(shù)呈下降趨勢。原因在于，加熱程度與頂鍛量呈正相關關系，加熱總量越大，同樣的頂鍛力作用下頂鍛量也就越大。U71Mn鋼軌加熱程度越明顯，落錘性能越差，灰斑越明顯,由此也可以證明其焊接性能的特殊性。

2.3.2 07/8頂鍛力與灰斑面積/落錘性能的關系

07/8頂鍛力與灰斑面積/落錘性能的關系見表6。

表6 07/8頂鍛力與灰斑面積/落錘性能的關系

總體上看，頂鍛力的增加對于提高落錘性能有益。和前面分析的其他參數(shù)不同，頂鍛力變化不是灰斑產生的原因，也不會導致金相組織的變化。頂鍛力增加在一定程度上有利于提高接頭的抗沖擊性能[13]。

2.3.3 加熱程度指數(shù)與灰斑數(shù)量/落錘性能的關系

接頭在加熱后形成焊接接頭之前，其溫度場寬度如圖1所示，有的加熱區(qū)比較寬，如圖1(a)，也有的加熱區(qū)較窄，如圖1(b)所示。

圖1 接頭加熱溫度場示意

圖1(a)和圖1(b)中2個接頭的加熱程度是不同的。圖1(a)的加熱區(qū)比較寬，溫度梯度相對較小，圖1(b)的加熱區(qū)比較窄，溫度梯度相對較大。同樣的頂鍛力下圖1(a)的塑性變形(頂鍛量)一定是大于圖1(b)；同樣，要達到同樣的頂鍛量，圖1(b)的頂鍛力也一定是大于圖1(a)。把表征不同加熱程度的特征量定義為加熱程度指數(shù)H，即

加熱程度指數(shù)H= 頂鍛量×1 000 /頂鍛力

計算288個U71Mn鋼軌焊接接頭的加熱程度指數(shù)，分析其與灰斑面積/落錘性能的關系,見表7，可知,隨著加熱程度的增加，斷口出現(xiàn)灰斑的概率明顯增加，落錘性能下降。

表7 加熱程度指數(shù)與灰斑面積/落錘性能的關系

2.3.4 頂鍛量、頂鍛力、加熱程度指數(shù)與灰斑面積/落錘性能的關系

在同一個坐標系下綜合分析三者與灰斑面積/落錘性能的關系，可知，加熱程度指數(shù)與灰斑面積/落錘性能的相關性比較明顯。文獻[14]也證明，頂鍛量、頂鍛力2個指標反映焊接接頭受熱程度都沒有加熱程度指數(shù)全面。因此，可以得出U71Mn鋼軌對焊接過程的加熱總量具有焊接過熱敏感性。

3 結論

1)對于焊接過熱敏感性強的鋼軌材質，焊接工藝參數(shù)的制定主要考慮2個方面：①盡量控制焊接接頭總體加熱量；②將末期燒化電壓和末期燒化速度設定在合理范圍內，盡量控制火口深度，保證焊接溫度場盡量均勻。

2)對比末期燒化電壓、電流和速度對焊接質量的影響，可知末期燒化速度和末期燒化電壓波動對焊接質量的影響更大，末期燒化電流的影響需要根據(jù)情況具體分析。

3)和頂鍛量、頂鍛力相比，加熱程度指數(shù)更能夠全面反映焊接接頭受熱程度，焊接過熱敏感性較強的鋼軌應考慮加熱程度指數(shù)的變化。