高偉 牛小革 羅歡

中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州工務(wù)機(jī)械段，中國·甘肅 蘭州 730030

對(duì)某鋼廠U71MnG鋼軌固定式閃光焊接接頭進(jìn)行超聲波探傷時(shí)發(fā)現(xiàn)批量異常反射回波，接頭不合格率高，長鋼軌成品率低。經(jīng)初步分析研究，發(fā)現(xiàn)鋼軌組織內(nèi)部存在超出鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)鋼軌供貨技術(shù)條件中規(guī)定等級(jí)的夾雜物。論文通過工藝參數(shù)優(yōu)化、接頭金相分析、母材化學(xué)檢驗(yàn)等方式分析探傷出波原因，并提出合理化建議。

鋼軌；閃光焊；探傷；夾雜物

1 引言

2019年10-12月份河口南焊軌基地焊接U71MnG鋼軌接頭1704個(gè)，探傷不合格接頭456個(gè)，軌底下表面平均波高約40%，不合格率26.8%，成品合格率僅15%左右，回波位置距離軌底邊40mm-65mm，同期其它焊軌基地也發(fā)現(xiàn)同類問題。針對(duì)此問題，基地首先從優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)等方面嘗試改進(jìn)，進(jìn)行了大量工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)效果均不理想。由于超聲波探測的焊接接頭內(nèi)部問題不同于肉眼可見的宏觀缺陷，通過觀察斷口宏觀形態(tài)很難進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，因此主要借助微觀金相檢驗(yàn)對(duì)接頭內(nèi)部及附近母材進(jìn)行了更深層次的分析探索。積累鋼軌缺陷原因?qū)τ诟纳其撥壓附庸に嚲哂袠O其重要的意義[1]。

2 工藝試驗(yàn)

2.1 降低焊接溫度場熱輸入

預(yù)熱階段是熱量輸入最主要的階段，熱量輸入的目的是加熱鋼軌端面并獲得合適的溫度場[2]。預(yù)熱閃光焊接頭主要依靠短路預(yù)熱建立足夠的加熱區(qū)寬度，考慮到U71Mn系列鋼軌溫度的敏感度較高，硫化物熔點(diǎn)較低，容易在焊縫處形成結(jié)晶裂紋，或在焊接熱影響區(qū)形成液化裂紋[3]。落錘試驗(yàn)斷口發(fā)現(xiàn)面積大于10mm2的灰斑（如圖1所示）。當(dāng)出現(xiàn)大片銀灰色，邊界線清晰并與擠出方向一致的灰斑時(shí)，證明是液態(tài)層未排凈的氧化鐵型灰斑，說明預(yù)熱階段有溫度場過寬的趨勢，要降低預(yù)熱電壓值。這種斷口形態(tài)往往出現(xiàn)在U71Mn這種材質(zhì)的鋼軌上[4]。

圖1 接頭斷后及灰斑形態(tài)

采用降低預(yù)熱電壓的方式來降低鋼軌端面溫度場熱量輸入。參數(shù)調(diào)整后，落錘斷口灰斑面積減小，但接頭探傷異常反射回波未消除，波高仍在40%左右。

2.2 調(diào)整頂鍛階段參數(shù)

鑒于熱輸入調(diào)整后探傷回波未消除，轉(zhuǎn)變?cè)囼?yàn)思路，通過位移控制頂鍛位置，降低頂鍛行程限值、延長頂鍛時(shí)間及提升頂鍛力，達(dá)到較好的控制頂鍛位置的目的。在保證熱量足夠的前提下，加大頂鍛力，將液態(tài)金屬完全擠出[5]。參數(shù)調(diào)整后，落錘斷口灰斑面積減小，但接頭探傷異常反射回波未消除，波高仍在40%左右，回波位置距離軌底邊40mm-65mm。

2.3 優(yōu)化熱處理工藝規(guī)范

一般采用焊后對(duì)焊接接頭進(jìn)行正火處理的方法來細(xì)化晶粒、提高接頭機(jī)械性能[6]?？紤]到接頭內(nèi)部粗晶可能造成探傷時(shí)出現(xiàn)異?；夭āＲ虼藢?duì)熱處理工藝規(guī)范進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，圍繞正火低/高頻功率、頻率、正火變頻及總加熱溫度進(jìn)行了大量試驗(yàn)，無論通過提升加熱時(shí)間或降低加熱功率來延長加熱時(shí)間、或降低加熱頻率、變頻溫度等均無法降低或消除探傷異?；夭ā?/p>

綜上試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)可以在一定程度上減少接頭內(nèi)部灰斑數(shù)量及面積，提升接頭力學(xué)性能，但對(duì)于改善或根本消除接頭軌底異常反射回波效果并不理想；調(diào)整熱處理工藝參數(shù)對(duì)于降低或消除軌底異常反射回波作用亦不明顯、基本無規(guī)律可循。參數(shù)優(yōu)化后落錘試驗(yàn)情況如表1所示。

表1 落錘試驗(yàn)及探傷結(jié)果

3 金相分析

3.1 對(duì)接頭取樣分析

3.1.1 探傷情況

對(duì)試件（如圖2所示）進(jìn)行超聲波探傷檢查，發(fā)現(xiàn)試件在軌底下表面焊縫的前側(cè)和后側(cè)共計(jì)4處均存在較高回波（在軌底下表面的回波高度為60%～95%，基準(zhǔn)波高為GHT-4 試塊2#孔上棱角回波80%），回波位置距離軌底邊40mm～65mm（如圖3所示）。

圖2 送檢接頭試樣

圖3 探傷出現(xiàn)回波情況

3.1.2 取樣檢查結(jié)果

根據(jù)探傷結(jié)果，對(duì)焊縫區(qū)域點(diǎn)1～點(diǎn)4進(jìn)行取樣，取樣位置見下圖（如圖4所示）。

圖4 點(diǎn)1～點(diǎn)4取樣位置

金相觀察面都是軌底下表面。金相分析發(fā)現(xiàn)四個(gè)金相試塊在未腐蝕金相拋光面上均出現(xiàn)了異常的點(diǎn)狀“凹坑”“凹坑”沿著鋼軌軌底橫向方向密集排列，腐蝕后發(fā)現(xiàn)密集排列分布的“凹坑”沿著焊縫兩側(cè)過熱區(qū)分布，長度范圍約在10mm～25mm 不等。

在焊接過程中發(fā)生氧化時(shí)Mn、Si元素先于Fe元素被氧化，在焊接末期，由于過梁爆破，出現(xiàn)暴露于空氣中的空洞，焊縫液態(tài)金屬中的Mn 等與空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，生成硅酸鹽夾雜物，滯留于焊縫金屬[7]。母材中本身就含有的MnS 偏析更是為其形成提供了先決條件[8]。因?yàn)榱蚧铩⒀趸X、硅酸鹽夾雜為非金屬夾雜，凝固后與焊縫金屬周圍基體的結(jié)合并不牢固，沿著焊縫過熱區(qū)密集排列的“凹坑”為大量非金屬夾雜聚集后與焊縫基體形成的間隙，即接頭內(nèi)部組織存在裂紋，此類裂紋源造成超聲波檢測時(shí)出現(xiàn)異?；夭?。其顯微組織形態(tài)見下圖（如圖5所示）。

圖5 焊縫探傷出波位置金相組織

3.2 對(duì)原材軌取樣分析情況

3.2.1 探傷情況

對(duì)基地探傷出現(xiàn)異常的試樣（如圖6所示）進(jìn)行檢驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)在焊縫兩側(cè)的鋼軌母材有4處區(qū)域存在較高回波（在探測面下方8mm～9mm的回波高度為40%～60%，基準(zhǔn)波高為GHT-4 試塊2#孔上棱角回波80%）（如圖7所示）?；夭ㄎ恢门c軌腳邊緣距離均為55mm，且這4處較高回波位置附近連續(xù)存在不同程度的回波，在該試件的其他探傷部位也發(fā)現(xiàn)類似情況。

圖6 送檢接頭試樣

圖7 探傷出現(xiàn)回波情況

3.2.2 取樣檢查結(jié)果

根據(jù)探傷結(jié)果，對(duì)連續(xù)出現(xiàn)回波區(qū)域取樣進(jìn)行金相分析，取樣部位見下圖（如圖8、9所示）。觀察方案見下圖（如圖10所示），對(duì)“試樣41#”觀察軌底下表面，其余3個(gè)試樣觀察剖切面。

圖8 截取“試樣23#”和“試樣41#”

圖9 截取“試樣56#”和“試樣78#”

圖10 金相觀察面

發(fā)現(xiàn)試樣23#、56#B類夾雜物B類(氧化鋁類)2級(jí)(粗系)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1級(jí)（如圖11、圖13所示）、B類夾雜物形態(tài)存在顆粒剝落(如圖12所示)；C類（硅酸鹽類）夾雜物2級(jí)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1級(jí)(如圖14、圖15所示)；對(duì)U71MnG原材鋼軌試件進(jìn)行元素分析，發(fā)現(xiàn)軌底探傷異常波處S元素含量為0.033%，鋼中夾雜物一般是在冶煉和澆注過程中產(chǎn)生或混入的非金屬相，是一些金屬元素(鐵、錳、鋁等)與非金屬元素(氧、硫、氮、磷、碳等)反應(yīng)而生成化合物，以氧化物和硫化物為主[9]。焊縫中硫化錳偏析主要來自于U71Mn鋼軌母材夾雜物，為減少類似焊接缺陷，應(yīng)盡量控制母材硫化錳夾雜物[10]。

圖11 23#B類夾雜物（2級(jí)）

圖12 23#B類夾雜物形態(tài)（存在顆粒剝落）

圖13 56#B類夾雜物2級(jí)

圖14 56#C類夾雜物2級(jí)

圖15 56#C類夾雜物2級(jí)

4 結(jié)論及建議

硫化物、氧化鋁、硅酸鹽類夾雜為非金屬夾雜，凝固后與焊縫金屬周圍基體的結(jié)合并不牢固，大量非金屬夾雜聚集后與焊縫基體形成的間隙是造成超聲波檢測時(shí)出現(xiàn)異?；夭ǖ闹饕颉?/p>

通過工藝參數(shù)的優(yōu)化及調(diào)試，可以在一定程度上減少接頭內(nèi)部灰斑數(shù)量及面積，但對(duì)于改善此類接頭內(nèi)部組織、降低或消除軌底探傷異?；夭ㄗ饔貌幻黠@、基本無規(guī)律可循。

鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鋼軌母材夾雜物含量分析取樣為軌頭。實(shí)際鋼軌固定式閃光焊生產(chǎn)過程中無損檢測出現(xiàn)異?；夭ㄎ恢弥饕性谲壍撞课?，因此建議標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)鋼軌母材軌底夾雜物含量進(jìn)行明確，對(duì)鋼軌出廠質(zhì)量加以控制。