鋼軌夾雜物對焊接性能的影響

高偉 牛小革 羅歡

中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州工務機械段，中國·甘肅 蘭州 730030

對某鋼廠U71MnG鋼軌固定式閃光焊接接頭進行超聲波探傷時發(fā)現(xiàn)批量異常反射回波，接頭不合格率高，長鋼軌成品率低。經(jīng)初步分析研究，發(fā)現(xiàn)鋼軌組織內(nèi)部存在超出鐵道行業(yè)標準鋼軌供貨技術條件中規(guī)定等級的夾雜物。論文通過工藝參數(shù)優(yōu)化、接頭金相分析、母材化學檢驗等方式分析探傷出波原因，并提出合理化建議。

鋼軌；閃光焊；探傷；夾雜物

1 引言

2019年10-12月份河口南焊軌基地焊接U71MnG鋼軌接頭1704個，探傷不合格接頭456個，軌底下表面平均波高約40%，不合格率26.8%，成品合格率僅15%左右，回波位置距離軌底邊40mm-65mm，同期其它焊軌基地也發(fā)現(xiàn)同類問題。針對此問題，基地首先從優(yōu)化生產(chǎn)工藝參數(shù)等方面嘗試改進，進行了大量工藝試驗，試驗效果均不理想。由于超聲波探測的焊接接頭內(nèi)部問題不同于肉眼可見的宏觀缺陷，通過觀察斷口宏觀形態(tài)很難進行準確判斷，因此主要借助微觀金相檢驗對接頭內(nèi)部及附近母材進行了更深層次的分析探索。積累鋼軌缺陷原因對于改善鋼軌焊接工藝具有極其重要的意義[1]。

2 工藝試驗

2.1 降低焊接溫度場熱輸入

預熱階段是熱量輸入最主要的階段，熱量輸入的目的是加熱鋼軌端面并獲得合適的溫度場[2]。預熱閃光焊接頭主要依靠短路預熱建立足夠的加熱區(qū)寬度，考慮到U71Mn系列鋼軌溫度的敏感度較高，硫化物熔點較低，容易在焊縫處形成結晶裂紋，或在焊接熱影響區(qū)形成液化裂紋[3]。落錘試驗斷口發(fā)現(xiàn)面積大于10mm2的灰斑（如圖1所示）。當出現(xiàn)大片銀灰色，邊界線清晰并與擠出方向一致的灰斑時，證明是液態(tài)層未排凈的氧化鐵型灰斑，說明預熱階段有溫度場過寬的趨勢，要降低預熱電壓值。這種斷口形態(tài)往往出現(xiàn)在U71Mn這種材質的鋼軌上[4]。

圖1 接頭斷后及灰斑形態(tài)

采用降低預熱電壓的方式來降低鋼軌端面溫度場熱量輸入。參數(shù)調(diào)整后，落錘斷口灰斑面積減小，但接頭探傷異常反射回波未消除，波高仍在40%左右。

2.2 調(diào)整頂鍛階段參數(shù)

鑒于熱輸入調(diào)整后探傷回波未消除，轉變試驗思路，通過位移控制頂鍛位置，降低頂鍛行程限值、延長頂鍛時間及提升頂鍛力，達到較好的控制頂鍛位置的目的。在保證熱量足夠的前提下，加大頂鍛力，將液態(tài)金屬完全擠出[5]。參數(shù)調(diào)整后，落錘斷口灰斑面積減小，但接頭探傷異常反射回波未消除，波高仍在40%左右，回波位置距離軌底邊40mm-65mm。

2.3 優(yōu)化熱處理工藝規(guī)范

一般采用焊后對焊接接頭進行正火處理的方法來細化晶粒、提高接頭機械性能[6]。考慮到接頭內(nèi)部粗晶可能造成探傷時出現(xiàn)異?；夭āＲ虼藢崽幚砉に囈?guī)范進行適當調(diào)整，圍繞正火低/高頻功率、頻率、正火變頻及總加熱溫度進行了大量試驗，無論通過提升加熱時間或降低加熱功率來延長加熱時間、或降低加熱頻率、變頻溫度等均無法降低或消除探傷異?；夭ā?/p>

綜上試驗發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)可以在一定程度上減少接頭內(nèi)部灰斑數(shù)量及面積，提升接頭力學性能，但對于改善或根本消除接頭軌底異常反射回波效果并不理想；調(diào)整熱處理工藝參數(shù)對于降低或消除軌底異常反射回波作用亦不明顯、基本無規(guī)律可循。參數(shù)優(yōu)化后落錘試驗情況如表1所示。

表1 落錘試驗及探傷結果

3 金相分析

3.1 對接頭取樣分析

3.1.1 探傷情況

對試件（如圖2所示）進行超聲波探傷檢查，發(fā)現(xiàn)試件在軌底下表面焊縫的前側和后側共計4處均存在較高回波（在軌底下表面的回波高度為60%～95%，基準波高為GHT-4 試塊2#孔上棱角回波80%），回波位置距離軌底邊40mm～65mm（如圖3所示）。

圖2 送檢接頭試樣

圖3 探傷出現(xiàn)回波情況

3.1.2 取樣檢查結果

根據(jù)探傷結果，對焊縫區(qū)域點1～點4進行取樣，取樣位置見下圖（如圖4所示）。

圖4 點1～點4取樣位置

金相觀察面都是軌底下表面。金相分析發(fā)現(xiàn)四個金相試塊在未腐蝕金相拋光面上均出現(xiàn)了異常的點狀“凹坑”“凹坑”沿著鋼軌軌底橫向方向密集排列，腐蝕后發(fā)現(xiàn)密集排列分布的“凹坑”沿著焊縫兩側過熱區(qū)分布，長度范圍約在10mm～25mm 不等。

在焊接過程中發(fā)生氧化時Mn、Si元素先于Fe元素被氧化，在焊接末期，由于過梁爆破，出現(xiàn)暴露于空氣中的空洞，焊縫液態(tài)金屬中的Mn 等與空氣中的氧發(fā)生反應，生成硅酸鹽夾雜物，滯留于焊縫金屬[7]。母材中本身就含有的MnS 偏析更是為其形成提供了先決條件[8]。因為硫化物、氧化鋁、硅酸鹽夾雜為非金屬夾雜，凝固后與焊縫金屬周圍基體的結合并不牢固，沿著焊縫過熱區(qū)密集排列的“凹坑”為大量非金屬夾雜聚集后與焊縫基體形成的間隙，即接頭內(nèi)部組織存在裂紋，此類裂紋源造成超聲波檢測時出現(xiàn)異?；夭?。其顯微組織形態(tài)見下圖（如圖5所示）。

圖5 焊縫探傷出波位置金相組織

3.2 對原材軌取樣分析情況

3.2.1 探傷情況

對基地探傷出現(xiàn)異常的試樣（如圖6所示）進行檢驗分析，發(fā)現(xiàn)在焊縫兩側的鋼軌母材有4處區(qū)域存在較高回波（在探測面下方8mm～9mm的回波高度為40%～60%，基準波高為GHT-4 試塊2#孔上棱角回波80%）（如圖7所示）?；夭ㄎ恢门c軌腳邊緣距離均為55mm，且這4處較高回波位置附近連續(xù)存在不同程度的回波，在該試件的其他探傷部位也發(fā)現(xiàn)類似情況。

圖6 送檢接頭試樣

圖7 探傷出現(xiàn)回波情況

3.2.2 取樣檢查結果

根據(jù)探傷結果，對連續(xù)出現(xiàn)回波區(qū)域取樣進行金相分析，取樣部位見下圖（如圖8、9所示）。觀察方案見下圖（如圖10所示），對“試樣41#”觀察軌底下表面，其余3個試樣觀察剖切面。

圖8 截取“試樣23#”和“試樣41#”

圖9 截取“試樣56#”和“試樣78#”

圖10 金相觀察面

發(fā)現(xiàn)試樣23#、56#B類夾雜物B類(氧化鋁類)2級(粗系)超過標準規(guī)定的1級（如圖11、圖13所示）、B類夾雜物形態(tài)存在顆粒剝落(如圖12所示)；C類（硅酸鹽類）夾雜物2級超過標準規(guī)定的1級(如圖14、圖15所示)；對U71MnG原材鋼軌試件進行元素分析，發(fā)現(xiàn)軌底探傷異常波處S元素含量為0.033%，鋼中夾雜物一般是在冶煉和澆注過程中產(chǎn)生或混入的非金屬相，是一些金屬元素(鐵、錳、鋁等)與非金屬元素(氧、硫、氮、磷、碳等)反應而生成化合物，以氧化物和硫化物為主[9]。焊縫中硫化錳偏析主要來自于U71Mn鋼軌母材夾雜物，為減少類似焊接缺陷，應盡量控制母材硫化錳夾雜物[10]。

圖11 23#B類夾雜物（2級）

圖12 23#B類夾雜物形態(tài)（存在顆粒剝落）

圖13 56#B類夾雜物2級

圖14 56#C類夾雜物2級

圖15 56#C類夾雜物2級

4 結論及建議

硫化物、氧化鋁、硅酸鹽類夾雜為非金屬夾雜，凝固后與焊縫金屬周圍基體的結合并不牢固，大量非金屬夾雜聚集后與焊縫基體形成的間隙是造成超聲波檢測時出現(xiàn)異?；夭ǖ闹饕颉?/p>

通過工藝參數(shù)的優(yōu)化及調(diào)試，可以在一定程度上減少接頭內(nèi)部灰斑數(shù)量及面積，但對于改善此類接頭內(nèi)部組織、降低或消除軌底探傷異?；夭ㄗ饔貌幻黠@、基本無規(guī)律可循。

鐵道行業(yè)標準中對鋼軌母材夾雜物含量分析取樣為軌頭。實際鋼軌固定式閃光焊生產(chǎn)過程中無損檢測出現(xiàn)異?；夭ㄎ恢弥饕性谲壍撞课?，因此建議標準中對鋼軌母材軌底夾雜物含量進行明確，對鋼軌出廠質量加以控制。