钢轨闪光焊过烧缺陷识别与消除

0 前言

闪光焊是无缝钢轨生产及铺设的重要方法，它具有焊接效率高、焊接质量高的特点，其应用愈来愈广泛。闪光焊主要过程为闪平、预热、烧化、带电顶锻、无电顶锻、保压及推瘤，通过精确的程序控制、加压系统、加电系统等执行，整个过程在几分钟内完成。在钢轨焊接性能较好，各焊接参数较为匹配的情况下，焊接接头都能顺利通过超声波探伤等检验。然而在生产实际中常会出现焊接参数设置不合理、设备状态波动，导致焊接接头产生未熔合、夹渣、冷焊、过热、过烧、裂纹等缺陷^[1-2]。准确识别这些缺陷才能制定正确的解决方案，这需要结合焊接工艺条件和显微分析来进行研究。在此结合U71Mn钢轨在某焊轨基地闪光焊探伤出现超使用标准的现象进行试验研究，通过分析接头显微形貌及焊接参数，判断缺陷产生的原因为过烧，通过调节焊接参数，消除了过烧现象。该试验结果用于指导钢轨焊接生产，保证了接头超声波探伤合格。

1 焊接条件

在某焊轨基地进行百米U71Mn 钢轨闪光焊对接焊，钢的主要化学成分如表1所示，其他有害残余元素控制较好。

表1 钢轨化学成分                  (%)

焊机为瑞士Schlatter GAAS80预热闪光焊接系统，功能先进。焊接流程为打磨→配轨→焊接→推瘤，焊接完毕后，检测焊头外形尺寸、粗磨及精磨、正火、超声波探伤。闪光焊试验主要参数如表2所示。第1组参数与生产所用相同，第2 组参数为改进后参数。

表2 闪光焊主要参数

2 焊接接头缺陷

采用表2 所示的第1组参数进行焊接试验。总体上讲，焊接装配较好，实时焊接参数曲线稳定，接头推瘤时处于亮红状态，温度较均匀。

打磨焊头，冷却至40 益以下后进行超声波探伤。为了节约时间，部分焊头在焊态下探伤。探伤仪为CTS-1003 便携式超声波探伤仪，探伤时要注意辩识焊筋波及纯表面波。

第1组参数焊接接头探伤结果如表3 所示。

表3 焊接接头探伤结果(第1组参数)

焊头探伤波峰10%~33%，以10%~18%居多，正火态探伤结果略好于焊态。缺陷主要集中在轨底离钢轨中心约40 mm范围内的近表面。

钢轨闪光焊常见缺陷如下：

（1）灰斑

存在于闪光焊焊缝断口中的局部光滑区域，与周边金属有明显界限。钢轨焊接灰斑可分为亮灰斑和暗灰斑。通常认为，灰斑产生的原因是钢轨焊接时Si、Mn、Al 等合金元素形成氧化物。在顶锻时，熔化的金属与这些夹杂物一起被挤压，沿工件径向流动排溢，未被排挤干净而残留在焊缝中的氧化物形成了断口上的灰斑。暗灰斑主要是由于闪光焊接时供给热量不足所致，增加热量供给后，暗灰斑就转化成亮灰斑或者基本消除^[3]。不过灰斑难以用超声波探出。

（2）未熔合

焊头上母材与母材之间未能完全结合的部分一般出现在焊缝上。产生的原因主要有：a.轨端除锈不彻底，有污物；b. 两个接头端面间隙过大，顶锻量过小或过早，加热时间短，焊接温度达不到要求，闪光不稳定。未熔合可以通过超声波探出。

（3）裂纹

一般产生于轨脚端部，是在焊缝轨脚两端出现开裂的现象。这种缺陷对焊接接头整体力学性能影响很大。轨脚端部裂纹多数与焊接工艺有关，例如，焊接顶锻量不足，使轨脚部位的挤压面积小于钢轨端面，推凸和保压的时间过短，造成塑性变形量不足；焊接加热的时间不够长，造成加热范围过窄等。裂纹可以通过超声波探出。

（4）过烧

焊接时加热温度过高，局部金属熔化或接近熔化状态而造成的晶界偏析和烧熔，在外力作用下甚至会出现孔洞或裂缝。过烧是焊接接头最危险的缺陷之一，常出现在轨底两侧的轨脚位置。

轻度过烧时出现细小炭黑斑点，严重过烧时出现黑色蜂窝状组织[4]。产生过烧的原因有：a. 燃烧时间过长；b. 顶锻时间设置过短；c. 烧化末期速度过慢。在超探时，过烧会显示出缺陷波。

（5）焊缝夹杂物

焊缝夹杂物是指分布在熔化焊缝中的非金属氧化物颗粒。若将焊缝打断后，在宏观下观察时颜色较深。闪光焊氧化物夹杂产生的原因较多，并且难以掌握规律，一般认为是钢轨在焊接过程中，焊缝处有时形成硅酸盐类的非金属物质，少量聚集在闪光弧坑的底部，当最终的顶锻完成后，没有将非金属物质挤出，使其滞留在焊缝中，这样就形成了焊缝夹杂物。焊缝夹杂物可以通过超声波探出。

（6）粗晶组织

采用超声波探伤检查钢轨焊接接头，有时轨头焊缝处会出现“缺陷波”，若对锯切钢轨接头焊缝进行解剖分析，难见到其存在缺陷。金相分析表明，“缺陷波”来自钢轨接头心部因热处理工艺不当产生的粗晶组织。

钢轨闪光焊接头实物、横截面如图1所示，钢轨由轨头、轨腰及轨底组成。沿焊头纵向从中心切开取样，如图1b 所示。磨光截面，腐蚀后观察到的宏观形貌如图1c 所示，焊接亮线略宽，流线无明显异常。可以看出，由于钢轨形状呈I字形，较为复杂，所取截面上焊接流线在轨头及轨底有明显转向，而在轨腰部位则看不到转向。实际上，轨腰部位的焊接流线也有转向，但因为取样截面与轨腰表面平行，从该方向显示不出。

a 实际焊头                  b 焊轨横截面及取样方向                  c 接头宏观形貌渊焊态冤
图1焊头形状及接头宏观形貌

对焊头的焊接缺陷进行显微分析，焊头的主要缺陷位于轨底焊缝亮线附近的近表面区，如图2 所示。其中多数缺陷如图2a、2b所示，距离熔合线（亮线）0.2~0.9 mm；也有很少量缺陷位于亮线上，如图2c所示。

初看图2a 的缺陷，与文献^[6]介绍的推凸裂纹非常相近。推凸裂纹产生的原因是焊接末期顶锻完成后要进行推瘤，推瘤刀从焊接区一侧向另一侧移动（见图1a），另一侧带状组织受垂向力产生较最大弯曲，因偏析、非金属杂夹、推瘤温度低塑性差而产生裂纹。不过试验用钢轨钢质较纯，含S 量低；焊接实验时，推瘤时温度较高，基本上可以排除推瘤缺陷。

a 推瘤处亮线及其附近缺陷               b 亮线附近缺陷                                 c 亮线上缺陷
图2 焊接缺陷

探伤缺陷区域组织为细片状珠光体+粗片状珠光体，焊接熔合线组织为网状铁素体+珠光体。对缺陷进行进一步分析，大部分缺陷是孔洞，用扫描电镜观看，不到明显夹渣。只有少量缺陷的裂缝尖端及局部裂缝壁上有硫化锰夹杂物，如图3 所示。微观分析显示，硫化物等夹杂及其他夹渣并非形成缺陷的主要原因。

图3 少数缺陷上硫化物

对焊头进行落锤试验，在不开口情况下4~5 次落锤打不断，说明即使焊头中存在这种过烧缺陷，其仍具有较强的抗落锤打击能力。开口后打断，观看断口发现，断口灰斑很少，落锤性能较好。但断口显示出过热特征，加热与挤压不匹配导致出现近缝近表面缺陷。

这类缺陷为过烧的可能性很大。过烧时，加热温度梯度过小、热影响区过宽。过烧会导致晶粒边界熔化，产生体积型缺陷，存在于焊缝或热影响区。

图2的焊接缺陷形态具有过烧特征。

3 过烧缺陷的消除

焊接参数调节及试验结果为表2 中的第2 组参数。与第1组参数相比，烧化时间由45s减至30s，末期烧化速度由0.25 mm/s 增至2.40 mm/s，顶锻量由14 mm 减至11 mm，焊接5 个接头，焊后正火处理后再进行超声波探伤，5个焊头反射波均很小。进行落锤试验时，两锤打击后均未断裂。

本研究试验钢含S 量低，炼钢时有害微量元素控制较好，因此，在正常焊接参数条件下，热影响区不会产生明显的晶界熔化，形成类似过烧的缺陷。但在焊接参数匹配不当的情况下，低熔点偏析晶界熔化较多，还会进一步加剧低熔点物质的偏析和聚焦，扩大熔化区的范围，在冷却过程中及力的作用下形成孔洞及裂纹，导致探伤不合格。另外，由于这种过烧缺陷出现于熔合线附近的母材上，使人很容易错误地将其产生原因归咎于母材不纯，给问题的解决带来很大麻烦，甚至造成不必要的严重损失。

4 结论

（1）钢轨闪光焊探伤不合格，其缺陷主要为焊缝附近存在孔洞及裂纹，且孔洞及裂纹上鲜有夹杂物，这是焊接参数不合适过烧造成的。

（2）通过调节末期烧化速度及顶锻时间，合理匹配焊接热输入及烧化、顶锻等参数。适当增加加热温度梯度，减少焊接热影响区过热区宽度，焊头探伤情况明显改善且合格。

文章来源：

原文名称 ：钢轨闪光焊过烧缺陷识别与消除

作者信息：黄治军,易卫东,韩荣东,王瑞敏（武汉钢铁有限公司，湖北武汉430080）

期刊信息：《电焊机》 2018年第8期