鋼軌閃光焊灰斑缺陷形成原因及預(yù)防方法

丁 韋，李 力，趙 國，王瑩瑩，高振坤，宋宏圖

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

鋼軌閃光焊接頭落錘和靜彎試驗(yàn)結(jié)果表明，超過90%以上的斷口位于焊縫，并且宏觀裂紋源可見灰斑缺陷。我國早在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)開始對(duì)鋼軌閃光焊灰斑進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為：①鋼軌閃光焊灰斑的本質(zhì)是焊接過程中所形成的硅酸鹽夾雜物在焊縫處發(fā)生了聚集；②灰斑的成因是在閃光過程中,焊接接頭的個(gè)別部位發(fā)生搭橋、起弧形成弧坑，熔化金屬在弧坑中被氧化而形成夾雜物，殘留于焊縫；③隨著閃光焊中預(yù)熱、閃平電流密度增大,灰斑深度及夾雜物尺寸都呈增加趨勢(shì)。文獻(xiàn)[2]認(rèn)為：灰斑是由于焊接工藝不當(dāng)，對(duì)焊時(shí)產(chǎn)生的熔渣或氧化膜未被擠壓出去而殘留在焊縫中造成的。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為焊縫區(qū)硅酸鹽夾雜物的出現(xiàn)有2個(gè)主要原因：①熔化后金屬層中形成夾雜物；②在表層區(qū)形成夾雜物，然后被不斷爆破飛濺的液態(tài)金屬一層層覆蓋，形成更深層的夾雜物。這些較深層的金屬夾雜物很難被擠出，就會(huì)殘留下來形成灰斑。因?yàn)楣杷猁}夾雜物和母材基體的熱膨脹系數(shù)不同，而且硅酸鹽夾雜物是鑲嵌于基體上的，在冷卻的過程中與周圍基體的界面上就會(huì)形成微小裂紋，影響焊接接頭性能。文獻(xiàn)[4]認(rèn)為:閃光焊接時(shí)，鋼軌端面形成金屬液面，重軌鋼的液相線是 1 467 ℃，而軌腰殘留的結(jié)晶器護(hù)渣在 1 300 ℃ 以下時(shí)就已經(jīng)形成很小的液滴。由于這些液滴具有黏性和吸附能力，條件合適時(shí)可以逐步凝聚成體積較大的黏性液滴，一旦長大形成并以搭橋方式同時(shí)黏附在兩側(cè)鋼軌端面，則難以去除，頂鍛時(shí)殘留下來形成了閃光焊接亮灰斑。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為若爆破劇烈,則出現(xiàn)的火坑較大、較深,隨后該處即不參與后續(xù)閃光過程,而坑內(nèi)硅、錳、鋁3種元素的電機(jī)電位均高于鐵，與侵入空氣中的氧反應(yīng)生成硅鋁酸鹽。由于硅鋁酸鹽熔點(diǎn)高,生成后呈固態(tài),流動(dòng)性差,易固結(jié)在融化面上。 如果火坑比較深,硅、錳、鋁在頂鍛時(shí)不易排擠出而殘留在坑內(nèi),從而生成硅酸鹽夾雜型灰斑。另外，灰斑的形成除與焊接工藝有關(guān),還取決于鋼軌母材。如果鋼軌斷面上有疏松和夾雜,在閃光過程中該區(qū)域的電阻值通常偏大,電流密度小,則在燒化時(shí)不會(huì)產(chǎn)生閃光,而會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的火坑,火坑中將有較多硅、錳、硫、鋁元素,其化學(xué)性質(zhì)比鐵元素活躍,與氧或液態(tài)氧化亞鐵發(fā)生反應(yīng)生成復(fù)合硅酸鹽,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋼軌中的平均成分,留下灰斑。

總體來看，目前通常認(rèn)為鋼軌閃光焊灰斑為硅酸鹽夾雜物，并且與過梁爆破有關(guān)[6-7]，但此觀點(diǎn)并沒有大量的數(shù)據(jù)作為支撐。其他的許多觀點(diǎn)則有明顯漏洞，例如灰斑與焊接前期的過梁爆破有關(guān)；灰斑與母材的疏松有關(guān)[8]；灰斑是由于焊接工藝不當(dāng)，對(duì)焊時(shí)產(chǎn)生的熔渣或氧化膜未被擠壓出去而殘留在焊縫中造成的，等等。為此，本文在目前研究基礎(chǔ)上，采用高速攝影設(shè)備對(duì)焊接過程進(jìn)行觀察，結(jié)合電鏡以及金屬顯微組織分析手段，確定灰斑形成機(jī)理，并結(jié)合母材成分及夾雜物分析，探討預(yù)防或減少灰斑的方法。

1 灰斑特征及成分

1.1 宏觀特征

存在灰斑缺陷的鋼軌閃光焊縫，強(qiáng)度會(huì)有所下降，當(dāng)焊接接頭進(jìn)行落錘或靜彎試驗(yàn)時(shí)，灰斑會(huì)成為斷裂的起源，接頭會(huì)沿著焊縫斷裂，斷口的裂紋源處可明顯看到灰斑，如圖1和圖2所示?；野叩念伾c斷口周圍有所不同，一般略微深一些，形狀多為長橢圓形，主要分布在軌底腳兩邊向內(nèi)30 mm的范圍內(nèi)，少數(shù)也有分布于軌底三角區(qū)或軌腰，而在軌頭一般極為少見。

圖1 落錘斷口灰斑形貌圖2 靜彎斷口灰斑形貌

1.2 微觀特征及成分

對(duì)閃光焊接頭落錘或靜彎斷口灰斑進(jìn)行掃描電鏡分析，可以觀察到分布有點(diǎn)狀?yuàn)A雜物，如圖3所示。通過大量樣本分析發(fā)現(xiàn)，所有宏觀觀察到的斷口灰斑在微觀條件下均存在點(diǎn)狀?yuàn)A雜物。對(duì)點(diǎn)狀?yuàn)A雜物進(jìn)行能譜成分分析，成分為Mn,O和Si，其中Mn含量最高，達(dá)到43.64%，其次是O，為34.8%，再其次是Si，含量為18.35%，因此可確認(rèn)灰斑為硅酸鹽夾雜物。

圖3 斷口灰斑硅酸鹽夾雜物形貌(1 000倍)

沿著鋼軌閃光焊接頭水平橫向觀察焊縫，金屬顯微組織及硅酸鹽夾雜物如圖4所示，可見，硅酸鹽夾雜物呈點(diǎn)狀分布于焊縫金屬之中。

圖4 焊縫金屬顯微組織及硅酸鹽夾雜物形貌(500倍)

2 灰斑形成機(jī)理

采用 1 000 幀/s的高速攝影機(jī)對(duì)軌腰焊接過程進(jìn)行觀察，分析焊縫灰斑形成過程。圖5(a)為閃光焊末期的過梁爆破瞬間，電磁力將焊縫中局部液態(tài)金屬噴射出焊縫。由于大量金屬的噴出，焊縫形成空洞，其上下長度約4～5 mm，寬度約1 mm，如圖5(b)所示?？斩吹男纬墒沟每諝饪梢赃M(jìn)入焊縫表面，與焊縫液態(tài)金屬中的Mn和Si在高溫下產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成硅酸鹽夾雜物。隨著焊接的繼續(xù)，經(jīng)過0.5 s時(shí)間，頂鍛使得空洞閉合，如圖5(c)所示，由此也將硅酸鹽夾雜物封閉在焊縫中，形成了灰斑缺陷。通過高速攝影，可知灰斑的形成過程為“過梁爆破→形成空洞→空洞閉合”。

圖5 高速攝影下灰斑形成過程

接下來對(duì)上述接頭分別進(jìn)行金相分析和接頭落錘試驗(yàn)。通過金相分析，空洞閉合部位可以觀察到焊縫夾雜物，如圖6所示。

圖6 焊接接頭空洞閉合部位的焊縫夾雜物

圖7 落錘斷口空洞閉合部位的灰斑

落錘試驗(yàn)表明，空洞閉合部位的斷口可對(duì)應(yīng)觀察到灰斑，如圖7所示。對(duì)焊縫夾雜物和灰斑中的點(diǎn)狀?yuàn)A雜物進(jìn)行能譜成分分析，可知均為硅酸鹽夾雜物。由此說明，高速攝影觀察到的“過梁爆破→形成空洞→空洞閉合”的灰斑形成過程與焊縫硅酸鹽夾雜物和斷口灰斑存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 母材成分及夾雜物

分別對(duì)U71Mn鋼軌和U75V鋼軌母材的夾雜物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，方法為：對(duì)每種鋼軌采用掃描電鏡觀察，放大倍率為 1 000 倍，采用多個(gè)視場(chǎng)，計(jì)算夾雜物在視場(chǎng)中所占的面積比例，夾雜物類型采用能譜成分分析方法確認(rèn)。由于母材夾雜物以MnS為主，因此，重點(diǎn)對(duì)MnS夾雜物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。由于母材的硅酸鹽或氧化鋁夾雜物數(shù)量很小，并且多數(shù)為復(fù)合出現(xiàn)，因此將其合并統(tǒng)計(jì)。2種鋼軌母材夾雜物統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，可知,U71Mn鋼軌的MnS夾雜物明顯高于U75V鋼軌，大約為2倍。氧化鋁和硅酸鹽夾雜物的數(shù)量較小，其總和也只有MnS的1/10左右，對(duì)焊接的影響十分有限。

表1 U71Mn與U75V鋼軌母材夾雜物統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 斷口灰斑統(tǒng)計(jì)

分別對(duì)U71Mn和U75V鋼軌閃光焊未熱處理接頭進(jìn)行靜彎試驗(yàn)，其中，U71Mn接頭20根，斷口8個(gè)；U75V接頭19根，斷口7個(gè)。并對(duì)于壓斷接頭進(jìn)行斷口灰斑檢查，對(duì)于存在灰斑的斷口進(jìn)行圖像分析，計(jì)算出灰斑面積，統(tǒng)計(jì)出每種斷裂接頭中鋼軌灰斑的平均面積，結(jié)果見表2。可知，U71Mn鋼軌平均斷口灰斑面積為6.858 mm2，U75V鋼軌平均斷口灰斑面積為1.530 mm2，U71Mn鋼軌閃光焊靜彎斷口灰斑面積是U75V的4.48倍。

分別對(duì)U71Mn和U75V鋼軌閃光焊熱處理接頭進(jìn)行落錘試驗(yàn)，其中，U71Mn接頭47根，斷口9個(gè)；U75V接頭25根，斷口2個(gè)。并對(duì)自然砸斷的斷口灰斑進(jìn)行檢查，對(duì)于存在灰斑的斷口進(jìn)行圖像分析，計(jì)算出灰斑面積，統(tǒng)計(jì)每種斷裂接頭中鋼軌灰斑的平均面積，結(jié)果見表3?？芍琔71Mn鋼軌平均斷口灰斑面積為12.646 mm2，U75V鋼軌平均斷口灰斑面積為5.588 mm2,U71Mn鋼軌閃光焊落錘斷口灰斑面積是U75V的2.26倍。

表2 U71Mn和U75V鋼軌閃光焊靜彎斷口灰斑情況

表3 U71Mn和U75V鋼軌閃光焊落錘斷口灰斑情況

圖8 鋼軌閃光焊接頭金屬顯微組織及MnS夾雜物分布

3.3 母材夾雜物與焊縫灰斑

在鋼軌閃光焊接過程中，母材中的MnS夾雜物從焊接過熱區(qū)溶于焊縫金屬。根據(jù)文獻(xiàn)[5]，MnS熔點(diǎn)略低于鋼軌母材。對(duì)鋼軌閃光焊接頭試樣進(jìn)行了大面積的金相顯微分析，結(jié)果如圖8所示，圖中右邊網(wǎng)狀區(qū)域?yàn)楹缚p金屬，其余為焊接熱影響區(qū)。與右側(cè)焊縫最為接近的夾雜物的距離為0.22 mm，對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行成分分析，發(fā)現(xiàn)Mn為1.44%；左側(cè)帶MnS夾雜物區(qū)域的基體的Mn為1.09%。由此說明，接近焊縫高溫區(qū)域的部位，在焊縫到距離0.22 mm之間，MnS溶解于基體。在焊接過程中，焊縫液態(tài)金屬中的Mn含量是常溫下母材基體與MnS夾雜物中Mn的總和，生成硅酸鹽夾雜物后，焊縫基體的Mn會(huì)有所下降。

綜合以上統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，由于U71Mn鋼軌的MnS夾雜物明顯高于U75V鋼軌，大約為2倍，由此導(dǎo)致U71Mn鋼軌在焊接過程中，更多的Mn溶于焊縫金屬，造成U71Mn焊縫中的硅酸鹽夾雜物含量明顯高于U75V，因此，無論是靜彎還是落錘試驗(yàn)，焊縫斷口的灰斑面積也和母材夾雜物含量呈正比，U71Mn分別是U75V的4.5和2.3倍。

4 結(jié)論與建議

1)灰斑形成機(jī)理為在閃光焊接末期連續(xù)閃光階段出現(xiàn)大的過梁爆破，形成暴露于空氣的空洞，使焊縫中的Mn和Si在高溫下與空氣中的O發(fā)生反應(yīng)，形成硅酸鹽夾雜物，從而構(gòu)成落錘或靜彎斷口的灰斑。

2)灰斑的硅酸鹽夾雜物中，Mn約占40%～50%，因此，Mn對(duì)硅酸鹽夾雜物的構(gòu)成起著關(guān)鍵作用，主要來源于鋼軌母材中的MnS夾雜物。在焊接過程中，MnS在焊接過熱區(qū)溶于基體金屬，液態(tài)焊縫中的Mn與O,Si構(gòu)成硅酸鹽。

3)鋼軌母材中MnS含量與鋼軌閃光焊縫中的灰斑夾雜物含量成正比。U71Mn母材的MnS夾雜物和Mn含量是U75V的2倍和1.2倍，從而導(dǎo)致U71Mn閃光焊縫中的硅酸鹽夾雜物含量較高，落錘和靜彎斷口灰斑夾雜物含量也較高，強(qiáng)度也相應(yīng)偏低。

4)對(duì)U71Mn和U75V鋼軌閃光焊接頭靜彎和落錘斷口的灰斑統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，U71Mn鋼軌斷口灰斑面積相對(duì)較大，分別是U75V鋼軌的4.5倍和2.3倍。