鋼軌閃光焊過燒缺陷識別與消除

（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及鋪設的重要方法，它具有焊接效率高、焊接質量高的特點，其應用愈來愈廣泛。閃光焊主要過程為閃平、預熱、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、加電系統等執行，整個過程在幾分鐘內完成。在鋼軌焊接性能較好，各焊接參數較為匹配的情況下，焊接接頭都能順利通過超聲波探傷等檢驗。然而在生產實際中常會出現焊接參數設置不合理、設備狀態波動，導致焊接接頭產生未熔合、夾渣、冷焊、過熱、過燒、裂紋等缺陷[1-2]。準確識別這些缺陷才能制定正確的解決方案，這需要結合焊接工藝條件和顯微分析來進行研究。在此結合U71Mn鋼軌在某焊軌基地閃光焊探傷出現超使用標準的現象進行試驗研究，通過分析接頭顯微形貌及焊接參數，判斷缺陷產生的原因為過燒，通過調節焊接參數，消除了過燒現象。該試驗結果用于指導鋼軌焊接生產，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 鋼軌化學成分 %

焊機為瑞士Schlatter GAAS80預熱閃光焊接系統，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如表2所示。第1組參數與生產所用相同，第2組參數為改進后參數。

表2 閃光焊主要參數

2 焊接接頭缺陷

采用表2所示的第1組參數進行焊接試驗。總體上講，焊接裝配較好，實時焊接參數曲線穩定，接頭推瘤時處于亮紅狀態，溫度較均勻。

打磨焊頭，冷卻至40℃以下后進行超聲波探傷。為了節約時間，部分焊頭在焊態下探傷。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組參數焊接接頭探傷結果如表3所示。

表3 焊接接頭探傷結果（第1組參數）

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

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。通常認為，灰斑產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合的部分一般出現在焊縫上。產生的原因主要有：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，焊接溫度達不到要求，閃光不穩定。未熔合可以通過超聲波探出。

（3）裂紋。一般產生于軌腳端部，是在焊縫軌腳兩端出現開裂的現象。這種缺陷對焊接接頭整體力學性能影響很大。軌腳端部裂紋多數與焊接工藝有關，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而造成的晶界偏析和燒熔，在外力作用下甚至會出現孔洞或裂縫。過燒是焊接接頭最危險的缺陷之一，常出現在軌底兩側的軌腳位置。輕度過燒時出現細小炭黑斑點，嚴重過燒時出現黑色蜂窩狀組織[4]。產生過燒的原因有：a.燃燒時間過長；b.頂鍛時間設置過短；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生的原因較多，并且難以掌握規律，一般認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，少量聚集在閃光弧坑的底部，當最終的頂鍛完成后，沒有將非金屬物質擠出，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“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產生的粗晶組織[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。可以看出，由于鋼軌形狀呈I字形，較為復雜，所取截面上焊接流線在軌頭及軌底有明顯轉向，而在軌腰部位則看不到轉向。實際上，軌腰部位的焊接流線也有轉向，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，如圖2所示。其中多數缺陷如圖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，推瘤刀從焊接區一側向另一側移動（見圖1a），另一側帶狀組織受垂向力產生較最大彎曲，因偏析、非金屬雜夾、推瘤溫度低塑性差而產生裂紋。不過試驗用鋼軌鋼質較純，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。

探傷缺陷區域組織為細片狀珠光體+粗片狀珠光體，焊接熔合線組織為網狀鐵素體+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，觀看斷口發現，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致出現近縫近表面缺陷。

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

圖3 少數缺陷上硫化物

3 過燒缺陷的消除

焊接參數調節及試驗結果為表2中的第2組參數。與第1組參數相比，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，在正常焊接參數條件下，熱影響區不會產生明顯的晶界熔化，形成類似過燒的缺陷。但在焊接參數匹配不當的情況下，低熔點偏析晶界熔化較多，還會進一步加劇低熔點物質的偏析和聚焦，擴大熔化區的范圍，在冷卻過程中及力的作用下形成孔洞及裂紋，導致探傷不合格。另外，由于這種過燒缺陷出現于熔合線附近的母材上，使人很容易錯誤地將其產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重損失。

4 結論

（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，這是焊接參數不合適過燒造成的。

（2）通過調節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。適當增加加熱溫度梯度，減少焊接熱影響區過熱區寬度，焊頭探傷情況明顯改善且合格。