鋼軌閃光焊灰斑缺陷的形成過程

王瑩瑩

（中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081）

鋼軌焊接接頭質量的穩定性與可靠性直接關系到線路的行車安全和后期的維護成本。我國鐵路鋼軌焊接以閃光焊接為主，其接頭數量占焊接接頭總量的90%以上。

目前，控制鋼軌閃光焊接頭質量的主要手段是調整焊接工藝參數，達到滿足型式檢驗、生產檢驗和日常生產中的超聲波無損檢測要求［1］。近年來，鋼軌閃光焊接頭落錘折斷或因探傷檢測不合格而鋸切重焊的現象有所增加［2］。產生這一現象的原因較為復雜。鋼軌閃光焊接過程是一個復雜的物理冶金過程，接頭整體力學性能受諸多因素影響［3］，其中最主要的是接頭缺陷，而鋼軌閃光焊內部缺陷最常見也是最嚴重的當屬灰斑缺陷［4］。到目前為止，關于灰斑缺陷的形成機理尚無定論。

灰斑在鋼軌閃光焊接過程中產生，屬于閃光焊接的固有缺陷?；野呷毕莸拇嬖谥苯痈盍蚜虽撥壓附咏宇^材質的連續性，使鋼軌接頭整體性能下降?；野叨喑霈F在鋼軌的底腳或三角區，其中最嚴重的是露頭灰斑，露頭灰斑往往是焊接接頭斷裂的裂紋源［5］。文獻［6-8］通過機械壓斷接頭發現含有氧化物夾雜的灰斑缺陷，對其出現的位置、形貌、成分進行了分析，但并未解釋灰斑缺陷的形成原因。

本文通過觀測閃光焊接全過程，并對存在灰斑缺陷的接頭進行取樣，分析灰斑的分布、形貌、成分等，確定灰斑缺陷的本質特征，研究其形成過程及形成原因。

1 試驗方法及設備

1.1 焊接過程觀測

對鋼軌的閃光焊接過程進行觀測。

試驗采用常見的60 kg/m 鋼軌。為使研究更具備普遍性，選用包鋼、攀鋼、鞍鋼等多個廠家生產的鋼軌。

鋼軌接頭焊接時，選用瑞士施拉特公司生產的GAAS-80/580 直流電焊機進行預熱閃光焊，選用中國鐵道科學研究院集團有限公司生產的固定式焊機（直流電）、交流焊機（交流電）進行脈動閃光焊。

由于閃光焊接的瞬時性、高溫性、火花四射等特點，極難直接觀察。因此，采用具有數字攝像功能的高速攝像機全程記錄焊接過程，觀測閃光焊接過梁爆破過程。高速攝像機拍攝頻率高，掃描速度快，曝光時間短。選用幀率1 200 FPS的高速攝像機，分辨率可達2 332×720，可以快速不間斷地捕捉鋼軌閃光焊接過程的連續畫面，并且可以分幀回放，從而實現對閃光焊接過程的細致觀測。對于數據存儲，選用千兆以太網連接，數據存儲效率高。

1.2 取樣觀測及分析

通過落錘和靜彎試驗進行鋼軌接頭性能檢驗［9］。對其中存在灰斑缺陷的接頭進行取樣，觀察灰斑的宏觀形貌，分析其分布規律。采用型號為Quanta 400 的電子掃描鏡觀察灰斑的微觀形貌并進行成分分析。

2 試驗結果及分析

2.1 灰斑的分布

灰斑大多出現在軌底腳兩側30 mm 范圍內，少數灰斑分布于軌底三角區或軌腰，在軌頭部位極為少見。通過落錘和靜彎試驗對接頭整體力學性能進行測試時發現，軌底灰斑一般會成為接頭開裂的裂紋源，是造成接頭斷裂的主要原因。

2.2 灰斑的形貌

灰斑區別于正常組織的宏觀特點表現為表面很平，顏色與斷口周圍有所不同，一般略深一些，多為長條形或長橢圓形，在軌腳端部形狀比較多樣。

采用電子掃描鏡對灰斑的微觀形貌進行觀察，發現灰斑與斷口基體組織間具有明顯界限?；w是解理斷裂，而灰斑處為具有點狀、片狀非金屬夾雜物的韌窩組織。

2.3 灰斑的成分

對大量灰斑進行電子掃描鏡觀察發現，不管什么形式的灰斑都有或多或少的片狀或點狀非金屬夾雜物，見圖1（a）。對灰斑夾雜物取樣進行能譜成分分析，其中某取樣點（圖1（a）中紅點位置）的能譜曲線見圖 1（b）。

圖1 灰斑夾雜物微觀形貌及能譜曲線示例

由圖1（b）可知，該取樣點的灰斑夾雜物的主要成分為Mn，O，Si，Fe 等元素。其中Mn 元素含量最高，達43.51%；其次是O 元素，含量為35.60%；Si，Fe 元素含量分別為17.75%，3.00%。

對多個灰斑夾雜物進行能譜成分分析，統計發現其主要成分均有上述規律。Mn 元素含量最多，平均占比約40%。其次是O，Si 元素，平均占比分別約為30%和20%。

與基體正常組織相比，灰斑處Mn，O，Si 元素含量明顯偏高。根據閃光焊的工作原理，在焊接過程中不會引入新的元素。Mn，Si 元素均存在于鋼軌母材中，只有O 元素主要來自于空氣。因此推斷灰斑缺陷的形成主要有2 方面原因：①與焊接過程中鋼軌母材的Mn，Si 偏析有關；②在焊接過程中鋼軌焊接端面與空氣接觸，引入了O元素，形成了含錳硅酸鹽夾雜物。

2.4 灰斑的形成過程

2.4.1 夾雜物的形成過程

通過對多個鋼軌閃光焊接頭進行高速攝像觀測發現，鋼軌焊接過程中對鋼軌焊接接頭質量具有重要影響的連續閃光階段，并未形成理論研究認為的具有保護氣體的閉合狀態。有些連續閃光階段中，大的過梁爆破會形成貫穿軌腰的穿孔（圖2）。一旦焊接端面形成穿孔，兩側不再形成有效的接觸過梁，不能形成持續的閃光爆破過程，這一過程一般會持續幾秒鐘。因此，連續閃光階段過梁爆破形成的高溫金屬蒸汽保護氣氛會被破壞。

圖2 閃光焊灰斑夾雜物形成過程

隨著焊接的進行，鋼軌焊接端面不斷相向推進。在即將進入頂鍛階段時，整個焊接端面已形成金屬液態膜。如果在軌腰靠近軌底三角區處，大電流造成過梁激烈爆破，并將該處的液態金屬膜沿軌腰兩側自由表面方向噴濺出端面，就會在鋼軌焊接端面形成凹坑，并形成貫穿軌腰橫截面的穿孔（圖3）。該過程在整個焊接過程中對應時間段168～170 s，處于頂鍛階段前的連續閃光階段。此時焊接端面將不能形成有效的微接觸，在穿孔閉合前不再形成新的過梁爆破。

圖3 連續閃光階段過梁爆破形成的穿孔

隨著焊接工藝中最后的頂鍛階段的鋼軌送進，兩鋼軌焊接端面相互靠近，依靠焊接頂鍛力穿孔閉合。因此，進入頂鍛階段后此處形成的穿孔直接在頂鍛力作用下形成閉合面而留在焊縫中。因在形成穿孔的幾秒時間內，此處不再形成有效的過梁爆破，失去了高溫金屬蒸汽的保護，導致穿孔處的焊接端面完全暴露于空氣中。此時空氣中的O 元素在高溫環境下迅速與基體中的 Mn，Si 等元素結合，形成含 Mn，Si 等元素的非金屬夾雜物留在焊縫中。

2.4.2 夾雜物形成灰斑的過程

焊縫中的非金屬夾雜物割裂了基體的連續性。與基體相比，其韌性較差而脆性較大，在落錘、靜彎等外力作用下此處最先開裂，進而導致整個接頭的斷裂。這在電子顯微鏡觀察到的灰斑微觀形貌和能譜分析結果中得到進一步證實。

對焊縫進行化學成分分析發現，焊縫處的主要元素是Fe，而C 元素含量相對鋼軌母材下降明顯。目前國內通用的U71Mn 和U75V 鋼軌中C 元素含量均在0.7%左右，焊縫處C 元素含量下降到0.2%左右，形成了焊縫脫碳層。焊縫處金相組織主要為珠光體加網狀鐵素體，鋼軌閃光焊焊縫強度與母材相差不大，但因鐵素體組織增多其韌性相對增強。

在焊縫形成灰斑的區域內，鋼軌接頭斷裂前除了存在分散的非金屬夾雜物外，其本質為焊縫基體組織，如圖4（a）所示。在閃光焊接過程中，焊縫中形成了分散的含有Mn，Si的非金屬夾雜物。因為非金屬夾雜物的韌性遠遠低于焊縫基體組織而脆性又遠遠高于基體，接頭受到外力作用時最易在焊縫夾雜物處開裂。正常焊縫組織韌性好且整個焊縫寬度只有0.2 ～0.4 mm，同時靠近焊縫的熱影響區及鋼軌母材含碳量高，韌性相對較差。裂紋沿焊縫熱影響區向母材擴展，形成解理斷裂，如圖4（b）所示。

圖4 灰斑與基體斷口邊界形貌

灰斑處主要為非金屬夾雜物加韌窩組織，而斷口基體主要是解理斷裂。由于2種組織對光線的反射作用不同，從宏觀來看，灰斑與基體形成明顯的界限，且灰斑與基體顏色差別較大，形成普遍認為的灰斑缺陷。

3 試驗驗證

為了驗證閃光過梁爆破穿孔處形成灰斑這一結論，以軌腰灰斑的形成為例，結合高速攝像機對焊接過程的觀察進行試驗驗證。

3.1 灰斑夾雜物形成

通過高速攝像機觀測到，某接頭樣品在焊接的連續閃光階段軌腰中部出現一個大的閃光過梁爆破。在過梁爆破初期，接觸部位的金屬過梁在電磁力作用下產生爆破。繼而在電磁力和液體表面張力的共同作用下，液態金屬噴出焊縫。由于大量金屬噴出，焊縫形成貫穿軌腰橫截面的穿孔（圖5）。

圖5 連續閃光階段軌腰過梁爆破形成穿孔過程

穿孔的形成使空氣可以進入已經接近熔化的鋼軌焊縫表面，與焊縫中的Mn，Si 在高溫下產生化學反應生成硅酸鹽夾雜物。隨著焊接作業的繼續，經過1.5 s，由于焊機動架位移，穿孔閉合，硅酸鹽夾雜物被封閉在焊縫中。

3.2 閃光過梁爆破穿孔落錘斷口灰斑

對該樣品進行落錘檢驗，落錘高度為3.1 m。第3 次落錘將接頭砸斷，觀察發現接頭裂紋源在焊縫灰斑處。軌腰在閃光過梁爆破位置出現面積約為11.5 mm2的灰斑，灰斑呈長條狀橫向分布于軌腰橫截面，如圖6 所示。

圖6 落錘試驗下的軌腰灰斑樣品

將軌腰斷口灰斑用鋸床取電鏡小樣，觀察灰斑微觀形貌并分析某取樣點（圖7（a）中紅點處）夾雜物的化學成分。結果見圖7和表1。

圖7 夾雜物化學成分分析

表1 夾雜物主要化學成分 %

從圖7 和表1 可知，夾雜物主要成分為 Mn，O，Si，說明焊縫處缺陷為含錳硅酸鹽非金屬夾雜物，且其形貌、成分與第2節分析結果一致。

4 結論

1）在鋼軌閃光焊的連續閃光階段，大的過梁爆破形成近似垂直于軌腰、軌底表面的穿孔。穿孔使鋼軌待焊端面暴露于空氣中，空氣中的O 元素在高溫下與暴露的鋼軌中的Mn，Si 等元素結合，形成含錳硅酸鹽類的非金屬夾雜物。由于處于連續閃光后期，此處不再形成新的有效過梁爆破或已進入頂鍛階段，夾雜物被留在焊縫中。

2）由于焊縫中的非金屬夾雜物脆性大、韌性差，在落錘、靜彎等外力作用下夾雜物處開裂。同時由于焊縫熔合線在焊接高溫作用下形成脫碳層，無夾雜物處的韌性遠遠大于熱影響區或母材，裂紋沿熱影響區或母材向外擴展，形成具有非金屬夾雜物和局部韌窩組織的灰斑。