钢轨闪光焊接头灰斑特性及成因分析

高伟

（中国铁路兰州局集团有限公司 兰州工务机械段，兰州 730050）

目前，我国无缝线路长钢轨铺设要经过基地焊接、线下焊接和合龙锁定焊接3 个步骤。基地焊接采用固定式闪光焊接，线下焊接多采用移动式闪光焊接、气压焊接及铝热焊接［1］。根据近十年来的数据统计，在我国现有的无缝线路中，大约90%的接头是闪光焊接头，而气压焊及铝热焊接头仅占8%和2%。我国现有的16 个焊轨基地（28 条焊轨作业线）全部采用固定式闪光焊接方法，其中25 条作业线装备的是GAAS80/580型直流焊机。

钢轨闪光焊的主要焊接原理是2个钢轨端面在短路电流的作用下，产生高温，并使端部融化，在钢轨两端不断接触、拉开的过程中会有大量的金属飞溅及闪光，使待焊钢轨端面得以清洁，加热至表面熔融状态然后立即加压，从而使2个钢轨端面重新结晶，最终焊接在一起。国际焊接学会标准中把闪光焊接头易出现的缺陷分为焊接裂纹、气孔、未焊合、灼伤、过烧和灰斑6 种［2］。灰斑是闪光焊中常见的缺陷。在焊接接头内部若灰斑数量及总面积超标，接头性能会大幅降低，这将会成为接头断裂的源头［3］。国内外对灰斑形成原因还没有统一的观点，当前的主要观点有火坑残留论、顶锻挤出论及钢材疏松杂质论［4］。这3 种论点都认为灰斑是在钢轨端面闪光时硅酸盐夹杂物遗留下来形成的［5］，但对于硅酸盐夹杂物形成的原因及其形成过程分析不多。本文通过研究挤出瘤中的夹杂物组织及其形态，并在闪光焊完成预热（第2 阶段）及烧化（第3阶段）后终止焊接作业，取样分析，以探究灰斑的形成原因。

1 试验方法

我国铁路目前所使用的钢轨材质多为U71Mn 和U75V 钢轨，本文试验使用60 kg/m U71Mn 钢轨，其化学成分（质量百分比）见表1。

表1 U71Mn钢轨化学成分 %

钢轨闪光焊焊接1个接头需要经过闪平、预热、烧化和顶锻4 个阶段，而灰斑主要产生在后面3 个阶段。本文试验所用焊接设备为GAAS80/580 型直流焊机。焊接各阶段主要工艺参数见表2。

对于接头质量来说，灰斑距离钢轨表面越近（或处于钢轨厚度比较薄的地方），其危害性就越大，容易造成断轨。焊轨基地在新钢轨焊接前，或焊接工艺发生改变时，必须进行型式检验［6］。根据TB/T 1632—2014《钢轨焊接》，钢轨闪光焊型式检验的项目包括落锤、静弯、硬度、断口等［7］。对于60 kg/m 钢轨焊接接头落锤试验，锤头重量为1 000 kg，下落高度为5.2 m（1 锤不断）或3.1 m（2 锤不断），连续25 个焊接接头落锤不断方为合格［8］。利用落锤试件进行断口检查，若焊接接头灰斑不超标，则接头断口合格。

在焊轨基地对不同轨种的焊接接头进行落锤试验，分析接头断口形态。本文把闪光焊接头的焊瘤分为挤出瘤和变形瘤2种。挤出瘤是钢轨焊接顶锻时端面受热融化的金属挤出而成，变形瘤是焊接顶锻时钢轨两端受力变形而成。本文对挤出瘤及变形瘤（图1）进行研究。在闪光焊接过程中分别选取烧化前、顶锻前及推瘤前的轨头试样（图2）进行分析。

表2 U71Mn钢轨闪光焊各阶段主要工艺参数

图1 闪光焊接头挤出瘤及变形瘤

图2 闪光焊轨头取样

对焊接接头落锤时有灰斑的断口及闪光焊各阶段的试样采用金相显微镜观察金相组织，并利用扫描电镜、电子探针分析试样表面化学成分。

2 试验结果

2.1 挤出瘤与变形瘤的金相组织

在闪光焊顶锻后需要推瘤，使用推瘤刀把焊接接头中挤出的多余部分（焊瘤）推掉，这部分可能与含有硅酸盐夹杂物的液态金属层有密切关系。分析金相组织，比较容易找出挤出瘤和变形瘤的来源。挤出瘤和变形瘤的金相组织见图3（a）和图3（b），焊缝区和热影响区的金相组织见图3（c）和图3（d）。可以看出：挤出瘤与焊缝区的金相组织相吻合，挤出瘤金相组织中沿晶界有氧化物析出，变形瘤和热影响区的金相组织相吻合。

图3 金相组织

2.2 挤出瘤中夹杂物成分分析

先使用扫描电镜对挤出瘤中夹杂物的组成及其分布进行观察，再通过电子探针确定夹杂物具体成分，分析结果见图4。可以看出，挤出瘤中夹杂物中O，Si，Mn 的含量较高，Fe，Al，Ca 含量相对较低。表明在钢轨闪光焊过程中，挤出瘤中Si，Mn 优先被氧化发生聚集，形成硅酸盐夹杂物。

图4 挤出瘤中夹杂物分布及其化学成分

观察钢轨闪光焊预热及烧化阶段的试样，并利用扫描电镜和电子探针进行分析。可以得到：在闪光焊高温状态下，由于金属蒸气形成的保护氛围中存在微量的氧，因此钢轨端面上熔融金属被氧化，从而形成一层液态金属的氧化层，为后期形成硅酸盐夹杂物提供了条件。另外，由不同位置的电子能谱图发现，在预热和烧化阶段熔融的焊缝端面上各点成分并不相同，可以推测在这2 个阶段各成分发生了扩散。在钢轨闪光焊预热阶段，钢轨端面接触-拉开产生断续闪光过程，在高温下Si，Mn，Al 等元素发生氧化反应，形成的氧化物若在焊接过程中不能随闪光飞溅喷出，或未在顶锻时溢出，则会残留在焊缝内形成夹杂物。

2.3 灰斑形貌特征及其成分

存在灰斑的钢轨焊缝断口与相邻金属断面不一样，灰斑表面光滑平坦颜色暗。通过扫描电镜观察灰斑与母体相接处，其形貌见图5。可以看出，灰斑内部是由许多大小不等、排列交替的韧窝组成，其周围的母体中呈现河流形貌的解理断裂，这表明它们的断裂性质不同。同时也能观察到，灰斑内部的塑坑中镶嵌有颗粒状物质，而且它们与周围界面明显。

图5 灰斑与母体相接处形貌

利用电子探针对图5 中灰斑（A点）及附近区域（B 点、C 点）进行扫描，分析结果见表3。在U71Mn 钢轨母材中Si 约占0.15%～0.58%，Mn 约占0.70%～1.20%，灰斑中Si，Mn 的含量明显超过母材，可见灰斑是含Si，Mn等元素的硅酸盐夹杂物。从以上两节的试验结果分析可以看出，挤出瘤中夹杂物的成分与断口灰斑的化学成分基本一致。

表3 灰斑及附近区域元素质量百分比 %

2.4 灰斑形成机理及控制措施

通过对钢轨焊缝断口上灰斑的金相磨面观察发现，灰斑只存在于焊接接头中局部区域。这说明钢轨接头中的硅酸盐夹杂物是在焊接过程中通过扩散、聚集而成。闪光发生的区域是随机的，即爆破后的局部区域可能下一瞬间不闪光。因所形成的氧化物熔点比较高，会开始凝固，流动性变差。若在焊接顶锻阶段未被挤出，则有可能形成灰斑，如图6所示。

图6 灰斑形成机理

在钢轨闪光焊接过程中，采取适当的焊接工艺及参数能够降低灰斑的产生［9］。在烧化阶段保持连续闪光，稳定、激烈的闪光有利于形成均匀的液态金属层［10］。在焊接曲线上烧化阶段电流不能出现激升或激降，否则容易产生焊接缺陷。在钢轨闪光焊过程中，预热阶段工艺参数（预热压力、短路电流、预热次数）、顶锻阶段工艺参数（顶锻时间、快顶行程、顶锻量）对接头质量及灰斑的形成影响很大。经U71Mn钢轨焊接工艺参数试验得出：①预热时间延长，焊接端面可形成适当和均匀的温度梯度。若温度梯度适当，顶锻时塑性变形集中，即便闪光过程中端面局部发生氧化，也容易使之挤出或挤碎，不易形成灰斑；②若闪光间隙中金属蒸气保护作用好，焊接接头的灰斑面积就会减小；③预热电压降低，Mn 元素的热敏感性随之降低，有利于减小灰斑面积；④快速顶锻前烧化速度增大，闪光激烈，导电面积增加，灰斑面积就会减小；⑤加长带电顶锻时间容易挤出夹杂物，减少灰斑的面积。

3 结论

1）U71Mn 钢轨闪光焊接头中出现的灰斑是Si，Mn，Al等元素形成的硅酸盐夹杂物。

2）顶锻阶段硅酸盐夹杂物的流动性和母材熔融金属不同，未被挤出的硅酸盐夹杂物残留于焊缝接头内部，从而形成灰斑。

3）可通过调整焊接工艺参数，保证闪光后期钢轨端面形成厚度均匀的液态金属层，顶锻充分且变形集中于接口处，以减小灰斑的形成。