高偉

（中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 蘭州工務(wù)機(jī)械段，蘭州 730050）

目前，我國(guó)無(wú)縫線路長(zhǎng)鋼軌鋪設(shè)要經(jīng)過(guò)基地焊接、線下焊接和合龍鎖定焊接3 個(gè)步驟。基地焊接采用固定式閃光焊接，線下焊接多采用移動(dòng)式閃光焊接、氣壓焊接及鋁熱焊接［1］。根據(jù)近十年來(lái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)現(xiàn)有的無(wú)縫線路中，大約90%的接頭是閃光焊接頭，而氣壓焊及鋁熱焊接頭僅占8%和2%。我國(guó)現(xiàn)有的16 個(gè)焊軌基地（28 條焊軌作業(yè)線）全部采用固定式閃光焊接方法，其中25 條作業(yè)線裝備的是GAAS80/580型直流焊機(jī)。

鋼軌閃光焊的主要焊接原理是2個(gè)鋼軌端面在短路電流的作用下，產(chǎn)生高溫，并使端部融化，在鋼軌兩端不斷接觸、拉開(kāi)的過(guò)程中會(huì)有大量的金屬飛濺及閃光，使待焊鋼軌端面得以清潔，加熱至表面熔融狀態(tài)然后立即加壓，從而使2個(gè)鋼軌端面重新結(jié)晶，最終焊接在一起。國(guó)際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)中把閃光焊接頭易出現(xiàn)的缺陷分為焊接裂紋、氣孔、未焊合、灼傷、過(guò)燒和灰斑6 種［2］?；野呤情W光焊中常見(jiàn)的缺陷。在焊接接頭內(nèi)部若灰斑數(shù)量及總面積超標(biāo)，接頭性能會(huì)大幅降低，這將會(huì)成為接頭斷裂的源頭［3］。國(guó)內(nèi)外對(duì)灰斑形成原因還沒(méi)有統(tǒng)一的觀點(diǎn)，當(dāng)前的主要觀點(diǎn)有火坑殘留論、頂鍛擠出論及鋼材疏松雜質(zhì)論［4］。這3 種論點(diǎn)都認(rèn)為灰斑是在鋼軌端面閃光時(shí)硅酸鹽夾雜物遺留下來(lái)形成的［5］，但對(duì)于硅酸鹽夾雜物形成的原因及其形成過(guò)程分析不多。本文通過(guò)研究擠出瘤中的夾雜物組織及其形態(tài)，并在閃光焊完成預(yù)熱（第2 階段）及燒化（第3階段）后終止焊接作業(yè)，取樣分析，以探究灰斑的形成原因。

1 試驗(yàn)方法

我國(guó)鐵路目前所使用的鋼軌材質(zhì)多為U71Mn 和U75V 鋼軌，本文試驗(yàn)使用60 kg/m U71Mn 鋼軌，其化學(xué)成分（質(zhì)量百分比）見(jiàn)表1。

表1 U71Mn鋼軌化學(xué)成分 %

鋼軌閃光焊焊接1個(gè)接頭需要經(jīng)過(guò)閃平、預(yù)熱、燒化和頂鍛4 個(gè)階段，而灰斑主要產(chǎn)生在后面3 個(gè)階段。本文試驗(yàn)所用焊接設(shè)備為GAAS80/580 型直流焊機(jī)。焊接各階段主要工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

對(duì)于接頭質(zhì)量來(lái)說(shuō)，灰斑距離鋼軌表面越近（或處于鋼軌厚度比較薄的地方），其危害性就越大，容易造成斷軌。焊軌基地在新鋼軌焊接前，或焊接工藝發(fā)生改變時(shí)，必須進(jìn)行型式檢驗(yàn)［6］。根據(jù)TB/T 1632—2014《鋼軌焊接》，鋼軌閃光焊型式檢驗(yàn)的項(xiàng)目包括落錘、靜彎、硬度、斷口等［7］。對(duì)于60 kg/m 鋼軌焊接接頭落錘試驗(yàn)，錘頭重量為1 000 kg，下落高度為5.2 m（1 錘不斷）或3.1 m（2 錘不斷），連續(xù)25 個(gè)焊接接頭落錘不斷方為合格［8］。利用落錘試件進(jìn)行斷口檢查，若焊接接頭灰斑不超標(biāo)，則接頭斷口合格。

在焊軌基地對(duì)不同軌種的焊接接頭進(jìn)行落錘試驗(yàn)，分析接頭斷口形態(tài)。本文把閃光焊接頭的焊瘤分為擠出瘤和變形瘤2種。擠出瘤是鋼軌焊接頂鍛時(shí)端面受熱融化的金屬擠出而成，變形瘤是焊接頂鍛時(shí)鋼軌兩端受力變形而成。本文對(duì)擠出瘤及變形瘤（圖1）進(jìn)行研究。在閃光焊接過(guò)程中分別選取燒化前、頂鍛前及推瘤前的軌頭試樣（圖2）進(jìn)行分析。

表2 U71Mn鋼軌閃光焊各階段主要工藝參數(shù)

圖1 閃光焊接頭擠出瘤及變形瘤

圖2 閃光焊軌頭取樣

對(duì)焊接接頭落錘時(shí)有灰斑的斷口及閃光焊各階段的試樣采用金相顯微鏡觀察金相組織，并利用掃描電鏡、電子探針?lè)治鲈嚇颖砻婊瘜W(xué)成分。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 擠出瘤與變形瘤的金相組織

在閃光焊頂鍛后需要推瘤，使用推瘤刀把焊接接頭中擠出的多余部分（焊瘤）推掉，這部分可能與含有硅酸鹽夾雜物的液態(tài)金屬層有密切關(guān)系。分析金相組織，比較容易找出擠出瘤和變形瘤的來(lái)源。擠出瘤和變形瘤的金相組織見(jiàn)圖3（a）和圖3（b），焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的金相組織見(jiàn)圖3（c）和圖3（d）?？梢钥闯觯簲D出瘤與焊縫區(qū)的金相組織相吻合，擠出瘤金相組織中沿晶界有氧化物析出，變形瘤和熱影響區(qū)的金相組織相吻合。

圖3 金相組織

2.2 擠出瘤中夾雜物成分分析

先使用掃描電鏡對(duì)擠出瘤中夾雜物的組成及其分布進(jìn)行觀察，再通過(guò)電子探針確定夾雜物具體成分，分析結(jié)果見(jiàn)圖4。可以看出，擠出瘤中夾雜物中O，Si，Mn 的含量較高，F(xiàn)e，Al，Ca 含量相對(duì)較低。表明在鋼軌閃光焊過(guò)程中，擠出瘤中Si，Mn 優(yōu)先被氧化發(fā)生聚集，形成硅酸鹽夾雜物。

圖4 擠出瘤中夾雜物分布及其化學(xué)成分

觀察鋼軌閃光焊預(yù)熱及燒化階段的試樣，并利用掃描電鏡和電子探針進(jìn)行分析。可以得到：在閃光焊高溫狀態(tài)下，由于金屬蒸氣形成的保護(hù)氛圍中存在微量的氧，因此鋼軌端面上熔融金屬被氧化，從而形成一層液態(tài)金屬的氧化層，為后期形成硅酸鹽夾雜物提供了條件。另外，由不同位置的電子能譜圖發(fā)現(xiàn)，在預(yù)熱和燒化階段熔融的焊縫端面上各點(diǎn)成分并不相同，可以推測(cè)在這2 個(gè)階段各成分發(fā)生了擴(kuò)散。在鋼軌閃光焊預(yù)熱階段，鋼軌端面接觸-拉開(kāi)產(chǎn)生斷續(xù)閃光過(guò)程，在高溫下Si，Mn，Al 等元素發(fā)生氧化反應(yīng)，形成的氧化物若在焊接過(guò)程中不能隨閃光飛濺噴出，或未在頂鍛時(shí)溢出，則會(huì)殘留在焊縫內(nèi)形成夾雜物。

2.3 灰斑形貌特征及其成分

存在灰斑的鋼軌焊縫斷口與相鄰金屬斷面不一樣，灰斑表面光滑平坦顏色暗。通過(guò)掃描電鏡觀察灰斑與母體相接處，其形貌見(jiàn)圖5?？梢钥闯?，灰斑內(nèi)部是由許多大小不等、排列交替的韌窩組成，其周圍的母體中呈現(xiàn)河流形貌的解理斷裂，這表明它們的斷裂性質(zhì)不同。同時(shí)也能觀察到，灰斑內(nèi)部的塑坑中鑲嵌有顆粒狀物質(zhì)，而且它們與周圍界面明顯。

圖5 灰斑與母體相接處形貌

利用電子探針對(duì)圖5 中灰斑（A點(diǎn)）及附近區(qū)域（B 點(diǎn)、C 點(diǎn)）進(jìn)行掃描，分析結(jié)果見(jiàn)表3。在U71Mn 鋼軌母材中Si 約占0.15%～0.58%，Mn 約占0.70%～1.20%，灰斑中Si，Mn 的含量明顯超過(guò)母材，可見(jiàn)灰斑是含Si，Mn等元素的硅酸鹽夾雜物。從以上兩節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出，擠出瘤中夾雜物的成分與斷口灰斑的化學(xué)成分基本一致。

表3 灰斑及附近區(qū)域元素質(zhì)量百分比 %

2.4 灰斑形成機(jī)理及控制措施

通過(guò)對(duì)鋼軌焊縫斷口上灰斑的金相磨面觀察發(fā)現(xiàn)，灰斑只存在于焊接接頭中局部區(qū)域。這說(shuō)明鋼軌接頭中的硅酸鹽夾雜物是在焊接過(guò)程中通過(guò)擴(kuò)散、聚集而成。閃光發(fā)生的區(qū)域是隨機(jī)的，即爆破后的局部區(qū)域可能下一瞬間不閃光。因所形成的氧化物熔點(diǎn)比較高，會(huì)開(kāi)始凝固，流動(dòng)性變差。若在焊接頂鍛階段未被擠出，則有可能形成灰斑，如圖6所示。

圖6 灰斑形成機(jī)理

在鋼軌閃光焊接過(guò)程中，采取適當(dāng)?shù)暮附庸に嚰皡?shù)能夠降低灰斑的產(chǎn)生［9］。在燒化階段保持連續(xù)閃光，穩(wěn)定、激烈的閃光有利于形成均勻的液態(tài)金屬層［10］。在焊接曲線上燒化階段電流不能出現(xiàn)激升或激降，否則容易產(chǎn)生焊接缺陷。在鋼軌閃光焊過(guò)程中，預(yù)熱階段工藝參數(shù)（預(yù)熱壓力、短路電流、預(yù)熱次數(shù)）、頂鍛階段工藝參數(shù)（頂鍛時(shí)間、快頂行程、頂鍛量）對(duì)接頭質(zhì)量及灰斑的形成影響很大。經(jīng)U71Mn鋼軌焊接工藝參數(shù)試驗(yàn)得出：①預(yù)熱時(shí)間延長(zhǎng)，焊接端面可形成適當(dāng)和均勻的溫度梯度。若溫度梯度適當(dāng)，頂鍛時(shí)塑性變形集中，即便閃光過(guò)程中端面局部發(fā)生氧化，也容易使之?dāng)D出或擠碎，不易形成灰斑；②若閃光間隙中金屬蒸氣保護(hù)作用好，焊接接頭的灰斑面積就會(huì)減??；③預(yù)熱電壓降低，Mn 元素的熱敏感性隨之降低，有利于減小灰斑面積；④快速頂鍛前燒化速度增大，閃光激烈，導(dǎo)電面積增加，灰斑面積就會(huì)減??；⑤加長(zhǎng)帶電頂鍛時(shí)間容易擠出夾雜物，減少灰斑的面積。

3 結(jié)論

1）U71Mn 鋼軌閃光焊接頭中出現(xiàn)的灰斑是Si，Mn，Al等元素形成的硅酸鹽夾雜物。

2）頂鍛階段硅酸鹽夾雜物的流動(dòng)性和母材熔融金屬不同，未被擠出的硅酸鹽夾雜物殘留于焊縫接頭內(nèi)部，從而形成灰斑。

3）可通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)，保證閃光后期鋼軌端面形成厚度均勻的液態(tài)金屬層，頂鍛充分且變形集中于接口處，以減小灰斑的形成。