加熱均勻度對(duì)焊接質(zhì)量的影響

張小路，鄒良甫

（廣州工務(wù)大修段，廣東 廣州 510100）

0 前言

在基地鋼軌焊接應(yīng)用中，K系列焊機(jī)在我國(guó)已經(jīng)有了多年的使用經(jīng)驗(yàn)，廣州工務(wù)大修段采用烏克蘭巴頓研究所的K1000焊機(jī)，采用脈動(dòng)焊接工藝焊接鋼軌。在工藝調(diào)試過程中，曾經(jīng)大批次地出現(xiàn)了三角區(qū)平齊斷口、軌腳灰斑和軌腳過燒、三角區(qū)未焊合等缺陷，且發(fā)生概率特別高，導(dǎo)致落錘試驗(yàn)遲遲不能滿足《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求，無法正常投入生產(chǎn)。為此，研究尋找焊接缺陷產(chǎn)生的問題源，對(duì)于快速進(jìn)入生產(chǎn)階段、穩(wěn)定提高焊接質(zhì)量十分重要。

廣州工務(wù)大修段技術(shù)人員在焊接缺陷成分分析、設(shè)備狀態(tài)、工藝調(diào)試方面采取了系列措施，通過實(shí)踐，最終發(fā)現(xiàn)焊接過程加熱程度不均勻，導(dǎo)致了工藝參數(shù)調(diào)試規(guī)律紊亂。通過從設(shè)備方面改進(jìn)加熱過程的均勻程度，有效地消除了該批次試驗(yàn)中的焊接缺陷。

1 型式檢驗(yàn)未通過現(xiàn)象

鋼軌焊接型式檢驗(yàn)過程中，落錘項(xiàng)目難以達(dá)到《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求，在試驗(yàn)接頭落錘斷口三角區(qū)或者軌腳位置易出現(xiàn)影響接頭質(zhì)量的各種焊接缺陷。

1.1 三角區(qū)平齊斷口、小灰斑

工藝試驗(yàn)調(diào)試初期，落錘不達(dá)標(biāo)的原因是斷口三角區(qū)位置有小灰斑，如圖1所示，三角平齊斷口極易導(dǎo)致一錘斷。經(jīng)分析其原因是：焊接過程熱量輸入不夠，接頭沖擊性能差。

圖1 三角區(qū)平齊斷口、小灰斑

1.2 軌腳易出現(xiàn)灰斑和軌腳過燒缺陷

針對(duì)三角區(qū)平齊斷口缺陷，從整體增大加熱過程中的熱輸入量。試驗(yàn)仍然未能取得好的結(jié)果，因?yàn)橛盅苌隽似渌愋偷暮附尤毕?，如圖2所示。

這兩種缺陷出現(xiàn)的原因是：軌腳兩側(cè)的熱量過多，在焊接加熱過程，軌腳兩側(cè)在閃光過程中遺留的火口較三角區(qū)深，難以消除。處理措施：微調(diào)輸入的熱量，即略微降低熱量輸入。

圖2 增大熱量容易出現(xiàn)的缺陷

1.3 三角區(qū)軌底側(cè)局部過熱

通過上述改進(jìn)后，取得了一定的效果，軌腳易出現(xiàn)灰斑和過燒現(xiàn)象得以消除，但同時(shí)出現(xiàn)了三角區(qū)未焊合缺陷，如圖3a所示，且出現(xiàn)的頻次高。對(duì)此并未繼續(xù)調(diào)試工藝參數(shù)，而是檢驗(yàn)此種缺陷成分，通過采用掃描電鏡觀察和能譜分析、金相分析方法，分析一錘斷的接頭試樣的傷損斷口宏觀形貌、裂紋源處的縱向金相組織、材質(zhì)成分分析和性能檢，如圖3b所示。焊接接頭內(nèi)軌底三角區(qū)靠近軌底表面存在夾雜疏松缺陷，缺陷的產(chǎn)生與焊接接頭在此處未熔合有關(guān)，一味增加頂鍛量的方式并不能解決此問題。

圖3 軌底斷口裂紋源處的宏觀形貌和能譜分析曲線

1.4 焊接缺陷對(duì)接頭質(zhì)量的影響

上述幾種焊接缺陷無規(guī)律、高頻次的出現(xiàn)，各類缺陷對(duì)焊接接頭質(zhì)量有著不同程度的影響，在接頭落錘試驗(yàn)時(shí)尤為突出，如表1所示。

表1 電極契合程度不良缺陷導(dǎo)致的落錘不合格比例統(tǒng)計(jì)

2 缺陷產(chǎn)生原因分析

2.1 工藝參數(shù)分析

在保證三角區(qū)熱量足夠的情況下，難以控制熱量輸入調(diào)整幅度，軌腳兩側(cè)的熱量往往會(huì)有富余，則會(huì)衍生軌腳灰斑和過燒缺陷；而采取頂鍛的方式會(huì)遇到由于三角區(qū)的頂鍛變形量較軌底腳處小，在頂鍛過程中，因三角區(qū)的塑形變形應(yīng)力先達(dá)到工藝參數(shù)值而迫使整個(gè)頂鍛過程結(jié)束，從而導(dǎo)致軌腳處的過燒缺陷未能被完全擠出焊口?？傊?，工藝調(diào)試時(shí)始終會(huì)遇到軌底腳過燒和三角區(qū)加熱輸入熱量的矛盾，則是加熱程度不均勻的問題，應(yīng)該重新尋找問題源，從設(shè)備狀態(tài)方面排除工藝參數(shù)的干擾因素。

2.2 焊機(jī)加熱程度

確定了從焊機(jī)狀態(tài)方面查找加熱均勻程度不理想的根源后，經(jīng)過多次、不同方面的檢查排除、分析嘗試，最后確定：觀察焊接過程完成后的軌底焊筋紅熱區(qū)如圖4所示，軌底板的兩側(cè)較寬，中間較窄。

圖4 焊接完成后軌底紅熱區(qū)

為明確問題根源，通過在電極和軌底板之間墊復(fù)寫紙，夾緊鋼軌后，觀察焊機(jī)電極壓痕，可以方便地判斷電極與鋼軌底面的契合程度是否正常。如電極與鋼軌契合程度在靜架和動(dòng)架的復(fù)印效果如圖5所示。

由圖5可知，鋼軌底板中部與電極中間部位接觸呈現(xiàn)“中空”現(xiàn)象，脈動(dòng)焊工藝交流電由于存在“趨膚效應(yīng)”，加熱過程電流過梁的形成會(huì)優(yōu)先在接觸好的部位即軌腳兩側(cè)進(jìn)行，因此焊接過程完成后，軌底紅熱區(qū)就出現(xiàn)如圖4所示的現(xiàn)象。

圖5 電極與鋼軌底板接觸面積復(fù)印效果

3 缺陷消除措施

本次引起加熱程度不均勻的主要原因是,電極契合程度不良。導(dǎo)致電極契合程度不良的原因有：電極本身不平整，表面呈現(xiàn)內(nèi)凹；焊接動(dòng)架或者靜架油缸壓力不夠，不能保證夾持鋼軌、壓緊電極；母材軌底板本身上凹，與電機(jī)接觸的部位有“中空”現(xiàn)象。對(duì)于以上問題，通過重新加工電極，或更換動(dòng)架或靜架油缸的密封件，使其壓力保持穩(wěn)定；或更換母材等方法來消除設(shè)備本身問題，為工藝參數(shù)調(diào)試排除障礙。經(jīng)過精心調(diào)試焊機(jī)電極契合程度之后，極大地改善了焊接溫度場(chǎng)的均勻一致性，有效減少和消除了該種焊接缺陷，后期落錘結(jié)果統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 電極契合程度改良后的落錘情況統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

（1）焊接過程中鋼軌端面加熱不均勻會(huì)引發(fā)灰斑、過燒等焊接缺陷。

（2）盡可能增大焊機(jī)電極與鋼軌底板的接觸面，排除設(shè)備異常狀況所帶來的干擾因素，為調(diào)試工藝參數(shù)做好準(zhǔn)備。