浅谈钢轨闪光接触焊工艺参数的选择及常见缺陷的预防措施

1、浅谈钢轨闪光接触焊工艺参数的选择及常见缺陷的预防措施王 洪 钢轨闪光接触焊是一种生产效率高、质量稳定可靠的钢轨焊接方法，也是目前国内外运用最为广泛的一种，在我国发展高速铁路事业中起到不可或缺少的作用。如何取得优质的钢轨闪光焊焊头，是一个复杂的问题，这其中包括设备问题等等。我们从事钢轨焊接的过程中，除了要考虑焊机的问题外，还要在生产过程中注意钢轨焊前的准备、钢轨焊接过程，焊后焊头的处理和焊头质量的检控等问题，要解决这些问题，从而获得质量可靠的焊接接头，就要建立一个好的焊接工艺参数。一、 钢轨闪光接触焊的可焊性钢轨闪光接触焊是一种以塑性变形再结晶过程为基础的压力焊接方式。两个待焊轨本身存在电阻，接

2、触处存在接触电阻，当电流流经钢轨时就会产生电阻热量，接触电阻在闪光加热过程中起主要作用，所产生的热量和电阻大小成正比，与电流大小的平方成正比。在钢轨端部由于电流流经电阻产生热量，使钢轨端部迅速加热、触点被加热烧化，形成金属“过梁”进一步加热，“过梁”加速，“爆炸”形成金属火花从钢轨间隙中射出，这就是闪光，随着钢轨端部温度的提高，闪光就会愈来愈激烈，在闪光加热过程中，钢轨端部逐渐达到溶化温度，在高温下，迅速施加相当大的挤压力，在钢轨相接触的界面上，就会产生塑性变形再结晶过程，使两根钢轨连接成为一个整体，形成焊接接头。焊接接头质量是与钢轨材料的化学成分、轨种、生产厂家有密切联系，并不是所有的钢轨材

3、料都具有同样的良性的可焊性。钢轨闪光接触焊的可焊性一般是就工艺可焊性而言的，选择使用合理的焊接工艺过程，使钢轨得到优质焊接接头的能力，在接近或邻近区域内没有裂缝，未焊透，非金属夹杂物等缺陷，并且有良好的综合性能。对工艺原则可焊性来讲，并不是钢轨材料固定不变的性质，看起来不甚好焊的钢轨，通过新工艺参数的调整后，不好焊接的钢轨也可以变成较好焊接的钢轨了。二、 钢轨闪光接触焊的特点钢轨的种类很多，以化学成分来分，碳钢和合金钢轨使用较多。钢轨闪光接触焊是钢轨内部加热，加热和冷却速度都比较快。钢轨闪光对焊时，钢轨端面金属虽然也被熔化，但端面的液体金属从顶锻时从接口内被挤压出去，它的焊接实质仍是在固箱内进

4、行。当碳量较低时，比如含碳量为0.4%时, 用正常的压力和温度在9001200的范围内，就能够得到满意的焊接质量，随着含碳量的增加，钢轨的可焊性范围就变窄了例如：钢轨的含碳量接近于0.8%时, 在焊接过程中轨端的平均加热温度大约在1100左右, 很明显, 焊接温度范围就变窄了. 碳钢钢轨随着焊碳量的增加, 开始的熔化温度和熔化终了的温度范围也增加了, 半熔化区也扩大了, 由于半熔化区的存在, 一方面引起焊缝化学成分的改变, 更为严重的会引起裂缝, 疏松和非金属杂质等缺陷。使焊接接头的质量降低了。所以钢轨的材质对钢轨接触焊影响是主要的，不同炉号的钢轨化学成分都有一个允许波动的范围，而我国轧钢的钢

5、轨化学成分的波动范围更大一些，在试验中，当使用同一炉号的某一根钢轨进行焊接时，焊接落锤试验效果很好，2锤或3锤，甚至于连续5、6锤都不断的。而用相同的工艺参数焊接另一种炉号的钢轨进行落锤试验，可能1锤就断了。使用K922焊机焊接包钢PD3钢轨时，表现最为明显。钢轨化学成分波动大，成分偏析，夹杂物的存在，残余应力状况的差别和钢轨用材，其它缺陷都是造成焊头落锤效果不同的主要因素。对于高碳钢轨和高合金成分的高强度耐磨轨更明显。同一根或同一炉号钢轨焊接接头，进行落锤试验也会发生落锤试验结果不同，断口检查会发现灰斑缺陷有多有少，而且位置也不同，这是因为焊接电流、电压是可以通过参数调节进行控制。但是钢轨端

6、面微观的接触点（过梁）数目的大小，过梁爆破后，形成的火口直径和深度也无法控制的，大的火口出现位置也不能控制，所以灰斑的大小和位置，只能宏观上减少灰斑出现的机率。电网的电压变化，泵站液压油的油温变化、环境温差等因素也会影响到钢轨焊接结果的差异。所以要获得优质的焊接接头，应选择可靠的焊机，并认真执行铁道部行业标准钢轨焊接TB16322005中（通用条件、铝热焊接、气压焊接、接触焊接）的标准来选择可靠的钢轨，并通过落锤试验来严格选择可靠的焊接工艺参数来保证焊接接头质量。三、 钢轨闪光接触焊工艺参数的选择当前焊接钢轨的方法，主要是两种，一种是连续闪光焊接，它焊接的过程主要是预闪，连续闪光，加热烧化，顶

7、锻，保持五个阶段。另一种是预热闪光接触焊，它焊接主要是闪光、预热、连续闪光、顶锻、保持五个主要过程。在钢轨闪光接触焊时，首先要参照焊机的性能来选择工艺参数。钢轨闪光接触焊的主要特点：采用降低变压器二次回路阻抗，程序控制电压和自动调节送进速度，使闪光能在较低电压下稳定烧化，在高电压下激起闪光，经过4060秒的时间后降低电压，使触点增加存在时间和接触面积，增加导入钢轨的热量，使钢轨取得最大加热值后，随着电压的提高和送进速度的加快，形成一个完整的焊接接头。而预热闪光焊主要通过多次短路接触，以强大的短路电流产生的热能，使焊接对口及附近区域金属被强烈加热，其预热方式有三种，一是焊件端面紧密接触，断续通电

8、；二是通电后焊接端面交替接触闪光和分开，每次短路接触时及施加一定压力；三是焊件交替接触闪光和分开，最终完成焊接接头。选择钢轨闪光接触焊工艺参数的原则，应从以下几点来考虑：1、必须在两待焊轨两端建立应有的加热区和适当的温度剃度来保证钢轨端面上的温度分部均匀。2、设法使钢轨焊缝，接触处的金属，在闪光加热过程中不被氧化。3、钢轨焊接接头的两边应有足够的塑性变形区。 四、 闪光接触焊工艺参数对焊接过程及焊接接头质量的影响。（1）变压器级数（或次级电压或电流）变压器级数是决定钢轨热量最基本最重要的焊接规范参数，是可以显著地改变焊接时间和沿钢轨长度方向的温度以及闪光过程中的稳定性，并且可以引起闪光流量的重

9、新分配。焊机的次级电压随着变压器级数的增高而加大，电流跟着增大，闪光过程中焊接电流不是一个常数而是随着接触电阻的变化而变化，变化范围比较大，在实际情况中，焊机一般是给定次级空载电压，如果焊机动板送进速度不变，提高变压器级数时会导致闪光过程中间断，这是因为触点烧化爆炸后，新的触点来不及重新建立，使钢轨端面形成较大的火口（火口是当两个待焊钢轨端部接触通过电流后，强大电流由少数接触点通过，产生很大的接触电流的触点，立即被加热到溶化状态，并产生爆炸，金属液体以火花的形式喷射出来，喷射出来的金属颗粒、重量由几毫克到几克不等，在钢轨端面留下一个个凹坑，深度可达几毫米，即称为火口）顶锻时，火口不能被塑性状态

10、下的金属薄层所覆盖，将严重影响接头的质量。而变压器级数调低时，将导致送进速度大于烧化速度，使连续闪光不能顺利进行，发生短路影响焊接质量，还会导致焊接时间加长，加热区域变宽，可能形成魏氏体组织，甚至在焊缝区产生氧化物夹渣。（2）伸出长度伸出长度是指钢轨从导电钳口伸出的长度，它的作用是调节温度场和保证其它必要的留量。在焊接时，伸出长度的改变对钢轨沿长度方向的加热程度有很大影响，选择长度时应尽量减少向钳口的散热，当其他参数不变，改变伸出长度就会引起温度梯度的变化，伸出愈长，温度梯度愈小，会导致焊接时间增长，加热区变大，顶锻量加大，钢轨闪光焊机的伸长长度是确定的，K922的伸长长度为170mm 。（3

11、）烧化留量烧化留量包括闪平、预热、连续闪光过程的烧化量。选择烧化量时，应根据钢轨端面面积尺寸的大小、化学成分以及钢轨的导电、导热性能，使钢轨端面加热均匀，当烧化流量小时，烧化过程进行的不完全，钢轨端面可能产生氧化夹渣，顶锻时难以排出焊缝，使接头质量降低。如果烧化量大时，闪光过程进行的过于激烈，端面处于塑性状态下的金属层厚度很快减少，随着烧化量过大，钢轨的损耗也过大，造成浪费。连续闪光焊的烧化量大于预热闪光焊的烧化留量。（4）送进速度送进速度是为了维持闪光能够连续不断的进行。在钢轨烧化的同时，必须使钢轨继续靠近，以使钢轨在消耗缩短后仍能保持接触。这个使钢轨不断靠近的速度，叫送进速度。钢轨焊接时，

12、送进速度常用二级送进速度，初始送进速度和终了速度。初始送进速度一般较低，它主要是用来预热钢轨端面，若初始选择较小，使钢轨加热不足，加热区变窄，火口难以封闭，使钢轨接头产生未焊透、夹渣、气孔、无光泽斑点等缺陷。如果送进速度过大，预热时间和加热温度酒会增大，会产生过热和过烧等缺陷。送进速度要与烧化速度要相匹配，来保证焊接过程中的闪光稳定性。（5）烧化速度烧化速度是指闪光过程中钢轨烧损缩短的速度。为使闪光过程得以稳定的烧化，烧化速度与送进速度必须相匹配。一般烧化速度待于或稍少于送进速度。若送进速度大于烧化速度。则液体、“小桥”在气化沸腾之前就会被压扁，截面增大，电流密度减小，使温度不再很快生高，钢轨

13、就会停止闪光，形成短路，这就是我们常说的不闪光，而终断焊接。若送进速度小于烧化速度，闪光过程就会产生间断，影响焊轨的接头质量。在钢轨焊接中，连续闪光焊的加热区宽度比较窄，在加速烧化时的末速要明显低于预热闪光焊。连续闪光焊是依靠连续的闪光烧化过程中来加热焊接钢轨端面，在试验确定，一般烧化速度为0.2mm/s，加热烧化末速是在810s 内从0.2mm/s均匀增加到1.0mm/s,最终烧化速度如果超过1.2mm/s时, 焊接端面容易出现大而深的火口, 容易使钢轨焊缝出现缺陷。预热闪光焊是依靠焊接端面的多次预热接触和分离过程来加热焊接端面，它的加热功率大，热量集中，加热区宽，因而加速烧化速度要大一些，

14、烧化初速一般在0.3mm/s 0.5mm/s左右。加速烧化要在几秒中内将速度增加到1.5mm/s，末速一般在2.0mm/s左右。（6）顶锻速度顶锻速度是保证焊接接头质量的重要参数之一，顶锻速度愈快愈好，它的作用是防止接缝处产生氧化，减少钢轨接缝处液体金属冷却而造成氧化物排出的困难，如果顶锻速度太小，钢轨在合缝的瞬间，空气侵入钢轨间隙，会产生氧化渣等缺陷，顶锻速度一般不低于15mm/s。（7）顶锻留量包括有电顶锻和无电顶锻两部分。它的作用是保证溶渣和液体金属从焊缝中充分排出，使火口完全封闭，焊缝在得到一定的塑性变形。是反映钢轨的加热程度和选择参数是否合适。顶锻留量要大于顶锻量，若顶锻量过大，塑性

15、区受到挤压，接头的韧性就会降低，可能产生平齐的断口等缺陷。（8）有电顶锻时间和电流的大小在顶锻开始的短时间内，为保证轨端的热状态，使顶锻易于完成，熔化金属便于从接口排出，使火口完全封闭，在顶锻开始时不宜切断电流，但电流值和通电时间具有一定要求，电流过大，时间不长，会导致接头过热，如果电流选择过小，有电保持的时间又不足，接头的氧化物加渣不易排干净，而造成缺陷。（9）无电顶锻时间有的焊机不控制顶锻量，而用顶锻时间来控制钢轨接头的塑性变形。无顶锻时间需试验确定。（10）焊接时间指从闪光开始至顶锻完全结束所需的时间。预热闪光焊的焊接时间包括闪平时间、预热时间、连续闪光时间和顶锻时间。一般情况下，焊接时

16、间的长短反映着钢轨加热的程度和温度场的分布。焊接时间过长，加热区变宽，可能会产生过热；时间过短，会造成加热不足，未焊透等缺陷。 连续闪光焊包括激发闪光时间、连续闪光时间、终了加速闪光时间和顶锻时间，连续闪光时间过长，热影响区域会增大，造成轨端过热，顶锻量增大，造成接头缺陷。连续闪光时间过小，可能会引起加热不足，加速闪光时间和终了速度的大小对接头质量影响很大，加速闪光时一般在10s 时，能得到很好的焊接质量。钢轨闪光接触焊还有一种新的闪光焊法：脉动闪光焊。它与连续闪光焊相似，但又不同于连续闪光焊，脉动闪光焊的焊接电压没有阶梯形的变化，从焊接开始至顶锻的电压是不变动的，需要的功率大于连续闪光的功率

17、。闪光过程完全由计算机来控制，始终保持焊接工件端面间的电阻在最佳状态。连续稳定地保持最大允许功率值，全部焊接过程需要约110s 左右，而且钢轨烧损少，节约钢轨。目前在轨道交通9号线一期R421/R422轨道工程长轨条焊接均采用K922、K1000焊机所用的为脉动闪光焊。五、 闪光接触焊常见缺陷及防止措施在焊接过程中，由于焊接设备不稳定，工艺参数选择不当，钢轨几何尺寸超标，及钢轨母材、材质等问题。焊接接头会产生各种缺陷，使钢轨焊接的寿命影响较大。（1）疏松疏松一般发生在半熔化区里，由于含碳量的提高，虽然钢轨的耐性及强度得到了提高，但可焊性降低了。半熔化区的温度范围加宽了，但在这个区域液相和固相同

18、时存在。如果在顶锻力不足的情况下，由于冷却收缩产生的细小空隙，不能够排出，则会形成疏松。疏松区域会聚集着夹杂物，使钢轨的力学性下降。加大顶锻力及延长无电顶锻时间，减少伸出及导热加热时间，减少焊接时间来减少疏松产生的机会。（2）未焊透未焊透是一种很危险的缺陷。断口特征是局部呈现平坦区域，使强度、塑性、冲击性大大降低，未焊透产生的原因有： 顶锻前钢轨；加热不够或温度场过窄。 顶锻力不够和顶锻量过小、或在顶锻时钢轨在钳口未夹紧，打滑。 顶锻速度太低或有电顶锻断电过早。 焊接加热时间不足；增加顶锻压力和有电顶锻时间，调整送进速度来控制未焊透的产生。 过热或过烧；焊接时钢轨的加热温度过高或在高温下加热时

19、间过长，加热温度不均匀，局部温度过高时，造成局部过热致使奥氏体晶粒长大，使焊头焊缝的强度降低。消除焊头过热的粗大晶粒，可以通过正火处理重新细化晶粒。过烧是加热温度太高，甚至接近熔化的温度，这使奥氏体晶粒粗大，产生氧化等。钢轨在闪光过程中，金属在高温下加热，晶粒急剧长大，同时在高温下氧原子极为活跃，若发生闪光中断，尤其在顶锻前，使空气中的氧气在钢轨端面形成一层薄薄的氧化物，并向内部扩展，发生熔化形成空洞，造成加热不均匀，而轨底角几何尺寸较小，过烧基本在轨底角出现，轻度过少的表面呈现细小的碳黑斑点，严重和过烧形成黑蜂窝状组织，产生过烧的焊缝无法补救，只能报废，锯掉重焊。形成过烧的原因有工艺参数的选

20、择不当，如加热时间长，次级电压选择太高，有电顶锻时间过长，顶锻力不足，连续闪光不稳定等原因。（3）加渣是指烧化过程和顶锻开始时，如形成高熔点氧化物顶锻时没有从焊缝中挤走，则形成夹渣。在连续闪光过程中不稳定烧化，闪光中断，顶锻力不足和顶锻速度过低，推瘤刀不锋利、损伤等都可能产生加渣。另一种是钢轨本身存在非金属夹杂物，这种夹杂物为氧化物、硫化物、氧化物等。（4）钢轨端部几何尺寸错口指钢轨几何尺寸不符合标准，中心不对称，焊机夹紧，对中装置不良，特别是旧轨焊接时，更为严重，轨顶面及原工作面有波浪形磨耗。解决方式为焊前用专用样板和塞尺，实测出上、下、左、右的偏差值，进行严格的配轨，选出不合格的钢轨。（5）电击伤电击伤是危害焊头质量的一种很严重的缺陷，它是由于钢轨与导电钳口之间接触不良，钢轨焊前端面除锈不彻底，导电夹紧钳口焊完焊头后没有清理干净，导致钢轨局部打火产生熔点，呈深蓝色。轻