鋼軌閃光焊接頭灰斑特性及成因分析

高偉

（中國鐵路蘭州局集團有限公司 蘭州工務機械段，蘭州 730050）

目前，我國無縫線路長鋼軌鋪設要經過基地焊接、線下焊接和合龍鎖定焊接3 個步驟。基地焊接采用固定式閃光焊接，線下焊接多采用移動式閃光焊接、氣壓焊接及鋁熱焊接［1］。根據近十年來的數據統計，在我國現有的無縫線路中，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%。我國現有的16 個焊軌基地（28 條焊軌作業線）全部采用固定式閃光焊接方法，其中25 條作業線裝備的是GAAS80/580型直流焊機。

鋼軌閃光焊的主要焊接原理是2個鋼軌端面在短路電流的作用下，產生高溫，并使端部融化，在鋼軌兩端不斷接觸、拉開的過程中會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然后立即加壓，從而使2個鋼軌端面重新結晶，最終焊接在一起。國際焊接學會標準中把閃光焊接頭易出現的缺陷分為焊接裂紋、氣孔、未焊合、灼傷、過燒和灰斑6 種［2］。灰斑是閃光焊中常見的缺陷。在焊接接頭內部若灰斑數量及總面積超標，接頭性能會大幅降低，這將會成為接頭斷裂的源頭［3］。國內外對灰斑形成原因還沒有統一的觀點，當前的主要觀點有火坑殘留論、頂鍛擠出論及鋼材疏松雜質論［4］。這3 種論點都認為灰斑是在鋼軌端面閃光時硅酸鹽夾雜物遺留下來形成的［5］，但對于硅酸鹽夾雜物形成的原因及其形成過程分析不多。本文通過研究擠出瘤中的夾雜物組織及其形態，并在閃光焊完成預熱（第2 階段）及燒化（第3階段）后終止焊接作業，取樣分析，以探究灰斑的形成原因。

1 試驗方法

我國鐵路目前所使用的鋼軌材質多為U71Mn 和U75V 鋼軌，本文試驗使用60 kg/m U71Mn 鋼軌，其化學成分（質量百分比）見表1。

表1 U71Mn鋼軌化學成分 %

鋼軌閃光焊焊接1個接頭需要經過閃平、預熱、燒化和頂鍛4 個階段，而灰斑主要產生在后面3 個階段。本文試驗所用焊接設備為GAAS80/580 型直流焊機。焊接各階段主要工藝參數見表2。

對于接頭質量來說，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，或焊接工藝發生改變時，必須進行型式檢驗［6］。根據TB/T 1632—2014《鋼軌焊接》，鋼軌閃光焊型式檢驗的項目包括落錘、靜彎、硬度、斷口等［7］。對于60 kg/m 鋼軌焊接接頭落錘試驗，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25 個焊接接頭落錘不斷方為合格［8］。利用落錘試件進行斷口檢查，若焊接接頭灰斑不超標，則接頭斷口合格。

在焊軌基地對不同軌種的焊接接頭進行落錘試驗，分析接頭斷口形態。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端面受熱融化的金屬擠出而成，變形瘤是焊接頂鍛時鋼軌兩端受力變形而成。本文對擠出瘤及變形瘤（圖1）進行研究。在閃光焊接過程中分別選取燒化前、頂鍛前及推瘤前的軌頭試樣（圖2）進行分析。

表2 U71Mn鋼軌閃光焊各階段主要工藝參數

圖1 閃光焊接頭擠出瘤及變形瘤

圖2 閃光焊軌頭取樣

對焊接接頭落錘時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、電子探針分析試樣表面化學成分。

2 試驗結果

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金屬層有密切關系。分析金相組織，比較容易找出擠出瘤和變形瘤的來源。擠出瘤和變形瘤的金相組織見圖3（a）和圖3（b），焊縫區和熱影響區的金相組織見圖3（c）和圖3（d）。可以看出：擠出瘤與焊縫區的金相組織相吻合，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

先使用掃描電鏡對擠出瘤中夾雜物的組成及其分布進行觀察，再通過電子探針確定夾雜物具體成分，分析結果見圖4。可以看出，擠出瘤中夾雜物中O，Si，Mn 的含量較高，Fe，Al，Ca 含量相對較低。表明在鋼軌閃光焊過程中，擠出瘤中Si，Mn 優先被氧化發生聚集，形成硅酸鹽夾雜物。

圖4 擠出瘤中夾雜物分布及其化學成分

觀察鋼軌閃光焊預熱及燒化階段的試樣，并利用掃描電鏡和電子探針進行分析。可以得到：在閃光焊高溫狀態下，由于金屬蒸氣形成的保護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現，在預熱和燒化階段熔融的焊縫端面上各點成分并不相同，可以推測在這2 個階段各成分發生了擴散。在鋼軌閃光焊預熱階段，鋼軌端面接觸-拉開產生斷續閃光過程，在高溫下Si，Mn，Al 等元素發生氧化反應，形成的氧化物若在焊接過程中不能隨閃光飛濺噴出，或未在頂鍛時溢出，則會殘留在焊縫內形成夾雜物。

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。通過掃描電鏡觀察灰斑與母體相接處，其形貌見圖5。可以看出，灰斑內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河流形貌的解理斷裂，這表明它們的斷裂性質不同。同時也能觀察到，灰斑內部的塑坑中鑲嵌有顆粒狀物質，而且它們與周圍界面明顯。

圖5 灰斑與母體相接處形貌

利用電子探針對圖5 中灰斑（A點）及附近區域（B 點、C 點）進行掃描，分析結果見表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 的含量明顯超過母材，可見灰斑是含Si，Mn等元素的硅酸鹽夾雜物。從以上兩節的試驗結果分析可以看出，擠出瘤中夾雜物的成分與斷口灰斑的化學成分基本一致。

表3 灰斑及附近區域元素質量百分比 %

2.4 灰斑形成機理及控制措施

通過對鋼軌焊縫斷口上灰斑的金相磨面觀察發現，灰斑只存在于焊接接頭中局部區域。這說明鋼軌接頭中的硅酸鹽夾雜物是在焊接過程中通過擴散、聚集而成。閃光發生的區域是隨機的，即爆破后的局部區域可能下一瞬間不閃光。因所形成的氧化物熔點比較高，會開始凝固，流動性變差。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 灰斑形成機理

在鋼軌閃光焊接過程中，采取適當的焊接工藝及參數能夠降低灰斑的產生［9］。在燒化階段保持連續閃光，穩定、激烈的閃光有利于形成均勻的液態金屬層［10］。在焊接曲線上燒化階段電流不能出現激升或激降，否則容易產生焊接缺陷。在鋼軌閃光焊過程中，預熱階段工藝參數（預熱壓力、短路電流、預熱次數）、頂鍛階段工藝參數（頂鍛時間、快頂行程、頂鍛量）對接頭質量及灰斑的形成影響很大。經U71Mn鋼軌焊接工藝參數試驗得出：①預熱時間延長，焊接端面可形成適當和均勻的溫度梯度。若溫度梯度適當，頂鍛時塑性變形集中，即便閃光過程中端面局部發生氧化，也容易使之擠出或擠碎，不易形成灰斑；②若閃光間隙中金屬蒸氣保護作用好，焊接接頭的灰斑面積就會減小；③預熱電壓降低，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，導電面積增加，灰斑面積就會減小；⑤加長帶電頂鍛時間容易擠出夾雜物，減少灰斑的面積。

3 結論

1）U71Mn 鋼軌閃光焊接頭中出現的灰斑是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部，從而形成灰斑。

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