U71Mn钢轨闪光焊接头暗色灰斑成因及消除方法

2020年6月（总第404期）
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质量管理
QUALITY MANAGEMENT
第48卷Vol.48第6期No.6
铁道技术监督
RAILWAY QUALITY CONTROL
收稿日期：2020-03-23作者简介：陈志强，工程师
1概述
灰斑作为钢轨闪光焊接头的一种常见缺陷，在
很大程度上影响着钢轨接头的力学性能。

内部无缺陷的闪光焊接头，在不做任何处理的前提下，实施高度为3.1m 的落锤试验，可抗3次锤击的概率超过90%；而内部存在灰斑缺陷的闪光焊接头，抗锤能力有所下降，尤其是灰斑面积超过15mm 2，或灰斑处于轨底脚轮廓边缘（露头）的位置时，1次锤断的概率几乎为100%。

对于移动式钢轨闪光焊而言，受施工环境、焊接设备动态性能的影响，很难彻底消除灰斑，只能参考落锤试验和超声波探伤结果，不断优化焊接工艺参数，最终选择1组焊接接头灰斑相对较少、性能满足标准要求的
焊接参数用以生产。

在现场落锤试验过程中，调试人员通常通过肉眼观察钢轨接头落锤试验断口，根据颜色，将灰斑分为2类，一类为暗色灰斑，一类为亮色灰斑。

一
般情况下，当成分偏析导致烧化过程中形成的硅酸盐、锰酸盐等较多时，灰斑为暗色；当保护气氛被破坏，产生氧化时，灰斑为亮色。

青岛—连云港铁路正线使用的是“攀钢
U71Mn G ”钢轨，在进场的2台移动式闪光焊焊机
前期焊接工艺调试中，试验接头均出现不同程度的暗色灰斑。

试验结果显示：①暗色灰斑主要分布在距离轨底脚边缘20mm ～30mm 处，三角区与轨腰出现较少，轨顶几乎没有出现；②当暗色灰斑面积较小，所处位置距离断面轮廓边缘较远时，无法用超声波探伤手段探测到这种暗色灰斑。

暗色灰斑虽然面积小，并且位置远离轮廓边缘，对接头的性能影响很小，但是，以移动式焊机的性能，无法保证每个接头的灰斑位置、大小都完全相同。

鉴于暗色灰斑通过无损检测手段很难发现，为防止暗色灰斑对线路安全质量造成影响，必须通过调试焊接工艺，将暗色灰斑出现概率尽可能降到最低。

2暗色灰斑成分
通过大量落锤试验发现，U71Mn 钢轨经闪光
U71Mn 钢轨闪光焊接头暗色灰斑成因及消除方法
陈志强
（中铁十四局集团第五工程有限公司，山东济宁272117）
摘要：针对U71Mn 钢轨闪光焊中容易出现暗色灰斑的现象，分析暗色灰斑的成分。

从钢材焊接角
度，探究暗色灰斑形成原因。

U71Mn 钢轨的Mn 含量较其他类型钢轨高，因而在焊接过程形成锰酸盐的几率高，表现为暗色灰斑。

当顶锻前的过热区过宽时，这类锰酸盐的聚集无法在顶锻过程中被挤出，暗色灰斑会残余在焊缝中。

为尽可能消除暗色灰斑，开展消除暗色灰斑试验。

分析3组不同参数焊接的钢轨接头暗色灰斑情况，为确定闪光焊工艺参数提供参考。

关键词：钢轨焊接；闪光焊；暗色灰斑；过热区域；偏析中图分类号：U213.92
文献标识码：B
文章编号：1006-9178（2020）06-0038-05
Abstract ：In view of the dark gray patches that is easy to appear in the flash welding of U71Mn rail,the composition of dark gray patcheswas analyzed.From the perspective of steel welding,this paper explores the reasons for the forma⁃
tion of such dark gray patches.It is believed that the content of Mn in the rail of U71Mn is higher than that of other types of rail,and thus the rate of the formation of manganate is higher,which is manifested in the form of dark gray patches.In order to eliminate the dark gray patches as much as possible,the dark gray patches elimination test was carried out to analyze the dark gray patchesof rail joints welded under three groups of different parameters,so as to provide reference for correcting the process parameters of flash welding machine.
Keywords ：Rail Welding;Flash Welding;Dark Gray Patches;Overheating Area;Segregation
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期
典型
灰斑
（a ）典型形态
1
典型灰斑
（b ）典型形态2
图2
U75V 钢轨中典型灰斑形态
暗色灰斑
（b
）典型形态2
暗色灰斑
（a ）典型形态1
图1
U71Mn 钢轨中典型暗色灰斑形态
焊后极易出现暗色灰斑，而U75V 钢轨闪光焊后也出现形状类似的灰斑，但颜色相对明亮，也更容易消除。

U71Mn 钢轨中的暗色灰斑消除难度较大。

采用电子显微镜扫描和能谱成分分析等方法发现，U71Mn 钢轨闪光焊中出现的这类暗色灰斑的主要成分为Mn ，O 和Si 。

其中，Mn 元素含量为43.64%，O 元素含量为34.8%，Si 元素含量为18.35%。

由此可以确认，这类暗色灰斑的主要成
分是锰酸盐和硅酸盐［1］，Mn 是这类暗色灰斑中含量最多的元素。

比较U71Mn 钢轨和U75V 钢轨中各成分所占比例发现，U71Mn 钢轨中的Mn 元素占比远大于
U75V 钢轨。

由此可以推断，U71Mn 钢轨焊接时出
现暗色灰斑，与钢轨母材内所含Mn 元素较多有关，Mn 含量增加无形中增大了焊接过程中产生锰酸盐的可能性，锰酸盐导致灰斑颜色发暗。

U71Mn 与U75V 钢轨母材成分对比见表1［2］。

表1
U71Mn 与U75V 钢轨母材成分对比
%U71Mn 钢轨中典型暗色灰斑形态如图1所示。

与U71Mn 钢轨中暗色灰斑不同，U75V 钢轨中典型灰斑形态如图2所示。

3暗色灰斑形成原因分析
有人认为灰斑的形成，是由于顶锻时缺陷组织
没有能够完全随着液态金属从焊缝中挤出，这种观点存在2点疑问：①如果顶锻前，在焊缝某处已有成型的含夹杂物的缺陷组织存在，加速阶段剧烈
的爆闪会将该组织抛射出焊缝［3］，否则闪光过程和电流曲线图必定会存在明显异常（如闪光不连续、有1处或多处大电流曲线）。

事实上，很多有灰斑的接头在焊接过程中并无明显异常。

②如果是因为顶锻时未能将全部缺陷组织挤出，那么残留的夹杂物应该处于钢轨轮廓的边缘，并且随着顶锻
U71Mn钢轨闪光焊接头暗色灰斑成因及消除方法质量管理
量的增加，其面积会缩小。

但实际上灰斑的位置并
不一定都在轮廓边缘。

一味地增加顶锻量，反而会
导致焊缝两侧没有足够的温度梯度，从而影响接头
强度。

钢轨材内成分偏析如图3所示。

200µm （a）
金相组织特征（b）宏观断口特征
图3钢轨内成分偏析
偏析是合金在凝固过程中发生的化学成分不均匀现象。

因合金在凝固过程中发生偏析，溶质的再分配和扩散不充分，导致合金力学性能不均匀。

在
U71Mn钢轨焊接过程中，加热温度达到或超过其过热温度后，钢中的锰与硅等元素溶解。

在随后的冷却过程中，这些夹杂物会优先在高温奥氏体晶界上析出，从而削弱晶界结合力。

所以，顶锻前钢轨内的夹杂物并不是聚集在一起，而是溶解在焊缝处的过热区域内。

在闪光焊过程中，钢轨端面被电阻热迅速加热到过热温度以上，焊缝附近母材内的锰元素和硅元素大量固溶于过热区域。

随着热量的积累，轨底脚这样的薄板状部位因热传导更快，过热区域会略宽于其他位置，因此母材夹杂物会在轨底脚位置富集。

如果加速烧化阶段和顶锻过程没有将母材夹杂物大量富集的过热区域消耗掉，在焊缝冷却后，这些夹杂物就会在冷却最慢的中心位置偏析，最终形成暗色灰斑。

U71Mn钢轨内的Mn含量较其他类型钢轨高，因而形成锰酸盐的几率也高，表现为暗色灰斑形式，产生暗色灰斑面积也更大，且难以消除。

为此，有必要探讨研究如何消除此类暗色灰斑。

4消除暗色灰斑试验
4.1目的与原理
（1）目的。

通过试验，尽可能消除闪光焊中出现的暗色灰斑，从侧面验证暗色灰斑是由于顶锻后焊缝剩余的过热区过宽导致锰酸盐、硅酸盐未被挤出，并且为进一步调试“攀钢U71Mn G”钢轨的焊接工艺参数提供参考。

（2）原理。

根据前述暗色灰斑成因分析，要想消除此类暗色灰斑，应该在留有足够热影响区的前提下，尽量减小顶锻前过热区域的宽度。

由此可知，针对暗色灰斑，可以考虑将加速烧化阶段的总烧化量提高，并且使加速烧化阶段总体的烧化速度呈上升趋势。

4.2试验内容
4.2.1A组
试验时，假设初始焊接参数为A组参数，焊接接头总钢轨消耗量为25mm左右，转入加速烧化阶段后，烧化速度缓慢增加，闪光稳定无断火。

加速烧化第1阶段时长为10s，电压为360V，前进速度为0.25mm/s；加速烧化第2阶段时长为
10s，电压为365V，前进速度为0.35mm/s；加速烧化第3阶段时长为2s，电压为370V，前进速度为0.55mm/s。

使用A组参数连续焊接长1.6m的试件5根，A组参数焊接数据见表2。

表2A
组参数焊接数据
对A组5根试件实施落锤试验。

A组参数焊接接头落锤试验结果见表3，A组参数试件落锤试验后焊接接头断面状态如图4所示。

表3A
组参数焊接接头落锤试验结果
分析表3和图4发现，暗色灰斑数量较少、断面状态较好的2根试件A003和A005加速烧化消耗略高于其他试件。

原因是A组参数试件实际烧化速度过低，本应该快速消耗过热区域的加速第1、第2阶段并没有使过热区域减少。

顶锻结束后，轨底脚一侧仍然有较宽的过热区域，易于形成元素富集区域。

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铁道技术监督第48卷第6
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暗
色
灰
斑
（a）
A001
暗
色
灰
斑
（b）A003
暗
色
灰
斑
（c）A004（d）A005注：A002接头由于断面污染未能获得断面照片；A005接头没有发现灰斑。

图4A
组参数试件落锤试验后焊接接头断面状态
4.2.2B组
对A组参数作出以下修正：将A组参数加速
烧化第1阶段前进速度改为0.28mm/s，加速烧化
第2阶段前进速度改为0.4mm/s，使新的过热区生
成速度小于旧的过热区消耗速度，总体上将过热区
逐渐变窄；其他参数不变。

以上改动记为B组参
数，焊接试件5根。

B组参数焊接数据见表4。

表4B
组参数焊接数据
对B组5根试件实施落锤试验。

B组参数焊接
接头落锤试验结果见表5，B组参数试件落锤试验
后焊接接头断面状态如图5所示。

表5B
组参数焊接接头落锤试验结果
分析表5和图5发现，虽然加速烧化阶段的整
体前进速度提高了，加速烧化消耗却没有明显增
加，原因是加速烧化阶段电压过低，单纯增加前进
速度不能大幅度地加剧闪光。

落锤试验结果显示
B组平均抗锤性能优于A组，但是焊缝中仍然有
暗色灰斑，表明焊缝熔合线仍然处于过热区域下，
应进一步减少过热区域。

4.2.3C组
将B组参数加速烧化第2阶段电压增加5V，
加速烧化第3阶段电压增加10V，其他参数不变，
记为C组参数，焊接试件5根。

C组参数焊接数据
见表6。

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U71Mn 钢轨闪光焊接头暗色灰斑成因及消除方法
质量管理暗色灰
斑
（b ）
B002
暗色灰斑
（a ）B001表6
C
组参数焊接数据
对C 组5根试件均实施4次落锤试验，均未发现暗色灰斑。

由此可见，使用C 组参数焊接的5根试件落锤试验全部合格。

后期采用C 组参数焊接5根试件，对焊缝实施超声波探伤，没有发现伤损。

通过型式检验后，正式确定C 组参数合格，可以用于焊接U71Mn 钢轨。

5结论
通过对比3组参数焊接数据和落锤试验情况
发现，当焊缝存在暗色灰斑时，适当地提高加速烧化阶段的加速烧化消耗，并且使加速烧化阶段的烧化速度整体呈上升趋势，可以有效地减少暗色灰斑的生成几率。

在闪光焊过程中，加速烧化阶段初期焊缝需要大量热量输入，所以在加速初期焊缝处的过热区域仍在加宽。

到了加速烧化阶段后期，焊缝已经获得足够热量，此时应保持合适的过热区域宽度。

当前面的阶段产生了合理的过热区域后，加速烧化阶段后期的焊接参数应该使旧的过热区域被烧化的速度与新的过热区域产生的速度基本相同，这样就保证了顶锻后熔合线位置恰好处在过热区域之外，焊缝也不会因为损失太多热量而降低强度。

参考文献
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上海：上海交通大学，2008．
（编辑冯姗姗
）
暗色灰斑
（c ）B004
暗色灰
斑
（d ）B005
图5
B 组参数试件落锤试验后焊接接头断面状态
注：B003没有发现暗色灰斑。