高鐵鋼軌閃光焊接過(guò)燒缺陷的控制研究

中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司 武漢 430050

1 研究背景

鋼軌閃光焊接是無(wú)縫鋼軌連接的主要工藝,鋼軌焊接的質(zhì)量在某種程度上決定了無(wú)縫鋼軌的壽命?？刂婆c避免閃光焊接缺陷是保證高鐵無(wú)縫鋼軌質(zhì)量的重要手段[1]。近年來(lái),鋼軌閃光焊接缺陷的研究大量集中在灰斑缺陷機(jī)理與控制方面[2-4]。隨著鋼軌焊接工藝的不斷優(yōu)化和完善,閃光焊接灰斑缺陷得到了有效控制。

從最近兩年統(tǒng)計(jì)的固定式閃光焊接探傷結(jié)果來(lái)看,出現(xiàn)了批次量的鋼軌軌底下表面焊縫及周?chē)^(guò)燒缺陷。過(guò)燒缺陷屬于體積型缺陷,典型的過(guò)燒缺陷樣貌為黑色蜂窩狀。鋼軌軌底通常受拉應(yīng)力,軌底下表面的過(guò)燒缺陷會(huì)嚴(yán)重降低焊縫的力學(xué)強(qiáng)度。落錘沖擊試驗(yàn)結(jié)果表明,軌底下表面有過(guò)燒缺陷的焊縫,均一錘斷裂,斷裂源為過(guò)燒缺陷處[5]。為了確保高鐵無(wú)縫鋼軌焊接質(zhì)量,控制與避免鋼軌閃光焊接過(guò)燒缺陷具有重要意義。

2 過(guò)燒缺陷產(chǎn)生原理

過(guò)燒缺陷在無(wú)縫鋼軌連接中是危害性較大的缺陷,其破壞作用相當(dāng)于多個(gè)斷裂紋出現(xiàn)在焊縫及其周?chē)?導(dǎo)致焊縫力學(xué)性能顯著降低。過(guò)燒缺陷通常能通過(guò)超聲探傷檢測(cè)出。研究表明,金屬過(guò)燒缺陷產(chǎn)生的原因是加熱溫度過(guò)高,導(dǎo)致晶粒粗大,并沿晶界析出高溫相,造成局部晶界氧化,甚至熔化,弱化金屬晶界網(wǎng),使局部成為脆性敏感區(qū),形成裂紋區(qū),進(jìn)而大大降低金屬的塑性與韌性[6-7]。與過(guò)熱缺陷不同,過(guò)燒缺陷無(wú)法通過(guò)熱處理方式消除。當(dāng)發(fā)現(xiàn)過(guò)燒缺陷時(shí),焊縫只能進(jìn)行鋸切重焊處理。

3 過(guò)燒缺陷樣本分析

3.1 宏觀樣貌分析

鋼軌閃光焊接過(guò)燒缺陷一般出現(xiàn)在軌底下表面,靠近焊縫部位,深度通常從軌底下表面向內(nèi)侵入1～5 mm。典型的鋼軌閃光焊接軌底過(guò)燒缺陷焊縫斷裂形狀如圖1,斷口宏觀樣貌如圖2所示。

圖1 鋼軌閃光焊接軌底過(guò)燒缺陷焊縫斷裂形狀

圖2 鋼軌閃光焊接軌底過(guò)燒缺陷斷口宏觀樣貌

由圖1可以看出,裂紋貫穿整個(gè)軌底下表面,在方框過(guò)燒缺陷區(qū)域,裂紋處于焊縫中心位置,將焊縫一分為二,且該處裂紋較為平直。過(guò)燒缺陷區(qū)域之外的裂紋有明顯的撕裂紋形狀,不再為直線。

由圖2可以看出,過(guò)燒缺陷呈黑色孔洞蜂窩狀,與周?chē)饘儆酗@著差異。過(guò)燒缺陷處于軌底下表面焊縫熔合線附近,并向內(nèi)侵入約2 mm。斷口在以過(guò)燒缺陷為中心的半徑約10 mm半圓范圍內(nèi)呈放射狀,符合以過(guò)燒缺陷為斷裂源的脆性斷裂特征。

3.2 微觀與能譜分析

對(duì)圖2中樣品方框區(qū)域取樣進(jìn)行分析,使用Quanta400掃描電鏡,在工作電壓為20.00 kV、束斑為5.0、放大倍數(shù)為150、工作距離為11.8 mm、長(zhǎng)度標(biāo)尺為1 mm的條件下成像,如圖3所示。由圖3可以看出,過(guò)燒缺陷區(qū)域呈現(xiàn)凹坑韌窩樣貌,在凹坑內(nèi)散布著白色點(diǎn)狀物質(zhì)。圖3方框內(nèi)白色點(diǎn)狀物經(jīng)放大1 000倍后的形態(tài)如圖4所示。對(duì)圖4中譜圖1區(qū)域物質(zhì)進(jìn)行能譜分析,分析結(jié)果如圖5所示。圖5顯示,白色物質(zhì)中錳、鐵的含量很高,表明圖4譜圖1區(qū)域物質(zhì)為含有錳和鐵的氧化物。

圖3 樣品掃描電鏡圖像

3.3 小結(jié)

通過(guò)上述分析,確認(rèn)樣品過(guò)燒缺陷產(chǎn)生的原因?yàn)?焊接過(guò)程中熱量太高,導(dǎo)致接縫熔合面金屬晶界氧化,形成氧化錳等夾雜物;由于氧化錳在奧氏體中的熔解度很低,形成高溫析出相,導(dǎo)致過(guò)燒缺陷產(chǎn)生。

圖4 白色點(diǎn)狀物質(zhì)放大1 000倍形態(tài)

4 焊接試驗(yàn)分析

4.1 焊接工藝

要控制與避免過(guò)燒缺陷的產(chǎn)生,應(yīng)當(dāng)從閃光焊接工藝參數(shù)出發(fā),對(duì)預(yù)熱、燒化和頂鍛階段的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整,保證熱輸入量與頂鍛量實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

圖5 能譜分析結(jié)果

在鋼軌廠焊流水線上,使用武鋼U71MnG熱軋鋼軌和GAAS80/580焊機(jī)進(jìn)行工藝試驗(yàn)。武鋼U71MnG熱軋鋼軌母材的化學(xué)成分見(jiàn)表1?，F(xiàn)行工藝參數(shù)中熱輸入較大,易導(dǎo)致過(guò)燒缺陷產(chǎn)生,于是對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整前后工藝參數(shù)見(jiàn)表2。表2中相位控制參數(shù)值含義為焊機(jī)最大電壓的千分?jǐn)?shù)。

表1 U71MnG熱軋鋼軌化學(xué)成分

表2 調(diào)整前后工藝參數(shù)

4.2 落錘試驗(yàn)

在鋼軌閃光焊接中,斷口缺陷主要有灰斑、過(guò)燒等?；野叽嬖谟陂W光焊接焊縫斷口中的局部光滑區(qū)域,與周邊金屬有明顯界限。研究表明,灰斑的主要成分是硅酸鹽夾雜物。鋼軌閃光焊接時(shí),可以通過(guò)改進(jìn)焊接工藝控制灰斑的大小。根據(jù)TB/T 1632.2—2014《鋼軌焊接 第2部分:閃光焊接》要求,鋼軌閃光焊接斷口灰斑單個(gè)面積不得大于10 mm2,灰斑總面積不得大于20 mm2。

落錘是一種沖擊性試驗(yàn)。材料中的缺陷對(duì)沖擊性試驗(yàn)十分敏感。通過(guò)落錘試驗(yàn),可以掌握斷口缺陷情況,以便對(duì)焊接工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。采用調(diào)整后的參數(shù)連續(xù)焊接十個(gè)焊接部位,焊接完成后按照TB/T 1632.2—2014要求,在距焊縫中心650 mm處雙邊切割出1.3 m長(zhǎng)的試樣,進(jìn)行5.2 m高度落錘沖擊試驗(yàn)。落錘試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可以看出,十個(gè)試樣經(jīng)受落錘次數(shù)均在一次及以上,試樣焊態(tài)下落錘試驗(yàn)結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,灰斑面積最大為5 mm2,斷口未見(jiàn)過(guò)燒缺陷。

落錘試驗(yàn)結(jié)果表明,調(diào)整后的工藝參數(shù)能較好地避免和控制過(guò)燒缺陷,且能經(jīng)受落錘沖擊檢驗(yàn)。為了滿足TB/T 1632.1—2014《鋼軌焊接 第1部分:通用技術(shù)條件》的要求,確保鋼軌焊接質(zhì)量萬(wàn)無(wú)一失,應(yīng)使用調(diào)整后的工藝參數(shù),在焊機(jī)設(shè)備狀態(tài)性能穩(wěn)定的前提下,焊接25個(gè)焊接位置,并經(jīng)熱處理,然后進(jìn)行落錘試驗(yàn)。試驗(yàn)全部合格后,調(diào)整后的工藝參數(shù)方可用于正式焊接生產(chǎn)。圖6所示為1號(hào)試樣第三次落錘斷口,斷口呈撕裂狀,未見(jiàn)過(guò)燒缺陷和灰斑。由于未經(jīng)焊后正火熱處理,因此晶粒較為粗大。焊后熱處理可進(jìn)一步細(xì)化晶粒,改善力學(xué)性能[8]。

表3 落錘試驗(yàn)結(jié)果

圖6 1號(hào)試樣第三次落錘斷口

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)高鐵鋼軌閃光焊接軌底過(guò)燒缺陷樣本進(jìn)行分析,確認(rèn)過(guò)燒缺陷宏觀樣貌呈黑色蜂窩孔洞狀,為體積型缺陷。一般軌底過(guò)燒缺陷產(chǎn)生在焊縫附近,并向內(nèi)侵入1～5 mm。微觀及能譜分析結(jié)果表明,由于焊接過(guò)程中熱輸入量過(guò)大,導(dǎo)致熔合面晶界氧化熔化,析出難熔于奧氏體的氧化錳等夾雜物,最終產(chǎn)生過(guò)燒缺陷。調(diào)整鋼軌閃光焊接預(yù)熱時(shí)間、預(yù)熱階段相控電壓、燒化階段相控電壓和頂鍛時(shí)間等參數(shù),進(jìn)行落錘試驗(yàn),確認(rèn)過(guò)燒缺陷得到有效控制。由此可見(jiàn),合理的加熱與頂鍛工藝相匹配,能夠保證鋼軌閃光焊接的質(zhì)量。未經(jīng)焊后熱處理的斷口,晶粒較為粗大,焊后熱處理能細(xì)化晶粒,改善力學(xué)性能。為保證鋼軌焊接質(zhì)量,應(yīng)采用調(diào)整后的工藝參數(shù)連續(xù)焊接25個(gè)焊接位置,并經(jīng)焊后熱處理,進(jìn)行落錘試驗(yàn)。確認(rèn)試驗(yàn)合格后,調(diào)整后的工藝參數(shù)方能用于正式生產(chǎn),保證鋼軌的焊接質(zhì)量。