合金钢轨闪光焊灰斑缺陷研究

1、合金钢轨闪光焊灰斑缺陷研究戴虹(西南交通大学材料工程系成都 610031向俊杰陶然(成都焊轨厂成都 610067【 摘要】 对攀钢 60kg /m U 71M n 重轨闪光焊 接头灰斑 缺陷进行了 宏观和微 观断口分析 , 研究了工艺参数对灰斑缺陷的影响 , 提出了改善接头性能的措施。【 关键词】 合金钢轨 ; 闪光焊 ; 灰斑缺陷 【 分类号】 T G 453灰斑是钢轨闪光焊焊缝断口上常见的一种缺陷。 某焊轨厂虽然引进了 K 190 钢轨焊机 , 采用了先进的程控降压法闪光焊工艺进行焊轨生产 , 但是 , 钢轨焊接接头中仍经常出现灰斑缺 陷 , 降低接头性能 , 难以保证焊轨质量。 因此 ,

2、 研究灰斑缺陷的成因 , 寻找有效的措施 , 减少灰斑 数量 , 确保行车安全 , 具有十分重要的意义。针对攀钢 60kg /m U 71Mn 钢轨连续闪光焊接头的灰斑进行研究 , 采用宏观与微观断口 分析方法 , 研究灰斑的形貌及成因 , 并通过试验 , 研究工艺参数对灰斑缺陷的影响。1接头性能和断口分析1. 1灰斑缺陷对钢轨接头性能的影响静弯和落锤试验结果见表 1和表 2。由表 1和表 2可看出 , 凡在焊缝断裂的接头 , 断口上 均存在一定程度的灰斑缺陷。 当灰斑的数量、 总面积超过铁道部钢轨焊接接头标准的规定值时 (即单个灰斑面积 10mm 2; 灰斑总面积 20mm 2 , 接头性能

3、明显恶化。表 1钢轨静弯试验结果编号 静弯载荷 /kN 挠度 /mm 断裂位置 宏观缺陷 类型 处次 总面积 /mm 21183535焊缝 灰斑 13. 07. 02179133焊缝 灰斑 12. 63. 23190751过渡区 /4195947焊缝 灰斑 20. 91. 0+1. 01. 35166027焊缝灰斑110. 82. 5, 1997年 6月JOU RN A L O F SO U T HW EST JIA OT ON G U N IV ERSIT YJune 1997表 2钢轨落锤试验结果编号 锤击次数 锤击挠度 /mm1锤 2锤 3锤 断裂位置宏观缺陷类型处次 总面积 /mm 2

4、12锤断 14. 326/焊缝 灰斑 16. 52. 023锤断 15. 228. 633. 7焊缝 灰斑 32. 02. 5+23+1. 51. 535锤未断 19. 135. 139. 8/44锤断14. 830. 236. 8焊缝灰斑21. 22+311. 2断口宏观分析取经过静弯和落锤试验后的钢轨接头的断口 , 用肉眼和放大镜仔细观察其宏观断口特征 , 发现焊缝部位的断口金属均存在不同程度的灰斑缺陷 , 而且灰斑缺陷主要出现在轨底和三角 区部位。 其典型的颜色有浅灰色和深灰色两种 , 形状极不规则 , 表面往往较周围基体平坦 , 有时 其上还有大量的反光闪点。参见图 1和图 2。 图

5、1深灰色灰斑 3注 :轨底三角区取样。 图 2浅灰色灰斑3注 :轨底角取样1. 3断口显微分析为了获得灰斑的微观形貌特征 , 采用扫描电镜对灰斑进行了显微分析。几种典型的灰斑形貌见图 3图 6。 图 3中的灰斑处金属是由许多大小不等、 形状各异、 交 迭排列的塑坑所组成 ; 图 4中的氧化夹渣嵌入准解理基体中 , 周围有较大的塑性孔坑 ; 图 5中 的灰斑是由与基体有明显界线的液态金属自由表面组成 , 变形量明显比基体金属小 ; 而图 6中 的灰斑呈疏松金属结构 , 甚至氧化夹渣附着在基体上 , 无变形特征。这些特征都说明灰斑缺陷 是焊口金属发生了不同程度的氧化所致。 这与文献 1-4的报导吻

6、合较好 , 且更为典型。 通常 断口上灰斑缺陷的形貌是上述典型形貌交错 , 呈现为混合型居多。 图 3孔坑型 灰斑180图 4石块夹渣型灰斑 350图 5自由表面型灰斑1900 图 6氧化金属型灰斑1802焊接工艺对灰斑缺陷的影响试验采用 K 190 k 焊机程控降压法闪光焊工艺进行钢轨焊接。焊接过程主要包括烧化加 热和顶锻两个阶段。在加热阶段 , 焊接质量与闪光稳定性密切相关。 而闪光稳定性主要由二次空载电压和反馈 灵敏度确定。 表 3和表 4分别为通过试验统计获得的二次空载电压 (V 20 和反馈灵敏度与接头 静弯性能的关系。 图 7和图 8分别为二者对灰斑总面积的影响。 由图 7可见 ,

7、 当二次空载电压 (V 20 较小时 , V 20对灰斑总面积影响不大。 但 V 20较大时 , 灰斑总量随 V 20的增大而急剧增大。 由 图 8看出 , 灰斑缺陷数量随反馈灵敏度级数的增大而增加。由此可知 , 在烧化加热阶段 , V 20的 数值宜选择在小于 7V, 反馈灵敏度级数应选择为 1级。表 3二次空载电压 (V 20 对钢轨接头性能的影响二次空载电压级数 V 20L /V V 20H /V 试验根数平均静弯 载荷 /kN 平均挠度 /mm 平均灰斑 面积 /mm 215. 26. 741924474. 256. 07. 631947483. 186. 58. 631891467.

8、 3127. 610. 1317383216. 7表 4反馈灵敏度 对钢轨接头性能的影响反馈灵敏度级数试验 根数平均静弯载荷 /kN平均挠度 /mm 平均灰斑面积 /mm 2 31916465. 8 318314211. 4416893118. 5图 7 V 20对灰斑面积的影响图 8反馈灵敏度对灰斑面积的影响图 9带电顶锻时间对灰斑面积的影响在顶锻阶段 , 带电顶锻时间对接头质量有明 显的影响。顶锻时间长 , 顶锻充分 , 焊口上的氧 化金属和夹渣可通过良好的挤压变形将其挤出 焊口 , 或被挤压呈弥散分布 5。 但带电顶锻时间 过长 , 又会造成焊口过烧。带电顶锻时间 对 接头性能的影响如表

9、 5。带电顶锻时间与灰斑 面积的关系见图 9。由图 9可看出 , 灰斑数量随带电顶锻时间 的延长而减少。 当带电顶锻时间大于 0. 8s 后 , 灰斑数量变化不大。为了防止焊口出现过烧缺 陷 , 且使灰斑数量最少 , 带电顶锻时间宜控制在 0. 82339第 3期戴虹等 :合金钢轨闪光焊灰斑缺陷研究表 5带电顶锻时间对接头性能的影响带电顶锻时间 /s 试验 根数 平均静弯载荷 /kN 平均挠度 /mm 平均灰斑面积 /mm 2 0. 4316923221. 60. 6317383912. 10. 831857425. 81. 031914443. 01. 431931452. 81. 8219

10、27472. 73结论通过对攀钢 60kg /m U 71M n 重轨闪光焊接头的分析 , 其主要结论如下 :(1 接头中存在过量的灰斑缺陷时 , 接头质量明显恶化。(2 灰斑主要为孔坑型、 夹渣型、 自由表面型和氧化金属型四种形貌。其形成原因主要是 焊口金属发生了不同程度的氧化 , 未被挤出焊口所致。(3 在烧化加热阶段 , V 20大于 7V 后 , 灰斑数量明显增加 ; 反馈灵敏度级数越大 , 灰斑数 量也急剧增加。在顶锻阶段 , 灰斑数量随带电顶锻时间的延长而减小。(4 合适的工艺参数为 V 20小于 7V, 反馈灵敏度级数 1级 , 带电顶锻时间 0. 81. 2s 。 参考文献1郑

11、恩贵 , 田继丰 , 吴悦魁 . 闪光焊灰斑的性质及其成因的研究 . 金属学报 , 1987; 23(1 :24-292郭洪年 , 薜继仁 , 刘书华 . 钢轨闪光焊接缺陷及其对接头性能的影响 . 焊接技术 , 1991; (6 :14-18 3王世亮 . 闪光对焊中灰斑缺陷的电子显微研究 . 中国 电子显微学报 , 1984; (3 :17-224美国金属学会 . 金属手册 . 第六卷 . 北京 :机械工业出版社 , 1984:870-8715 Cui W D , Dai H. Study of upsett ing defor matio n modes o f flash w eldin

12、g. In:HSL A Steels , 90, Bei-jing , 1990:276-279On Falt -Spot in Flash -Welded Joints of Alloy Steel Rails Dai H ong(Dept. of M a terials Eng. , So ut hwest Jiao tong U niver sity , Chengdu 610031, ChinaX iang J unj ie Tao Ran(Cheng du Rail W elding Facto ry , Chengdu 610037, China 【 Abstract 】 The falt-spots in flash-w elded joints of 60kg /m U 71M n rails are studied. Fracto graphic analyses are conducted to study the nature and cause of flat-spots. Th