钢轨闪光焊接头探伤异常的设备和工艺因素

史桂莹

中国铁路青藏集团有限公司 青海德令哈 817000

国内基地焊轨作业大多使用GAAS80/580型钢轨直流焊机，采用预热闪光焊工艺。焊机采用可控硅整流方式，实现对待焊钢轨端部直流闪光加热，主变压器功率大，钢轨端部加热效果较好。预热闪光焊接头主要依靠短路预热建立足够的加热区宽度，与脉动闪光焊工艺相比，较难保证接头端面加热的均匀性，需要优化预热和顶锻的工艺参数。

1 问题的提出

2016年，某基地在焊轨生产中使用GAAS80/580焊机，采取大幅降低闪光速度的工艺参数，后期连续闪光烧化时间延长，导致批量接头在探伤扫查时出现异常波，依据探伤标准应予判废。探伤确认的伤损大多位于轨底的浅表，在距离轨脚30-40mm的范围内。工艺修正后，接头伤损程度和频次明显降低。后期多家焊轨基地陆续发生探伤存在异常波的接头，虽然达不到探伤判废标准，通过打磨焊筋或母材（对接头母材的打磨深度超过0.5mm），异常波的波幅减小或消失，采用打磨方法无法消除探伤异常波的接头，通过理化分析仍然可以检出微裂纹缺陷。即使探伤结果合格，但是从缺陷性质来看，是非常严重的焊接缺陷，无法通过后续的热处理等工艺消除。探伤异常接头的比例较高，锯切重焊会影响生产，需要从优化焊接工艺参数和校准设备性能参数等方面尝试改进，降低产生探伤异常接头的频次。

2 理化分析

在伤损接头的轨底切片制作检验试件，通过理化分析发现，距离轨底3mm处，在熔合线附近约0.2-0.9mm的焊缝过热区存在微裂纹缺陷，属于过烧缺陷。采用扫描电镜对裂纹区域进行微观形貌和微区成分能谱分析，裂纹源低倍微观形貌呈现明显的熔融态断口特征。微区成分能谱分析结果显示S，Mn含量异常。当钢轨组织异常或因焊接工艺参数不合理时，断口会呈现沿晶、穿晶和熔融态断口特征。在断口受到氧化腐蚀的表面会出现氧化腐蚀断口。

3 试验及措施

3.1 比例阀控制板零位调整

2016年焊轨基地检查提出了设备完好标准，要求焊机比例阀控制板的零位正确。伺服阀是控制烧化送进的重要部件，应对伺服阀控制板做好零点标定，若实际零点发生偏移，电压显示为零时，测试时活动架不应前进或后退。编号为AS1.2653.03000的GAAS80焊机，其比例阀控制板零位从＋25调整至＋3，在焊接U71Mn钢轨时，焊接工艺参数不变，但调整前后的闪光剧烈程度明显不同，接头红带宽度明显改变。查阅焊接记录曲线，前期闪平和后期烧化时间明显缩短。焊接总时间比调整前缩短了约15s。

比例阀控制板零位和活动架的送进速度密切相关。比例阀控制板零位大幅度调整，对焊接过程的影响很大。在这种情况下，必须通过型式试验才能确定焊接质量的可靠性。编号为AS1.2653.02994的GAAS80焊机因电气故障更换CPU，导致比例阀控制板零位小幅变化，焊接总时间缩短约8s（其中连续闪光阶段缩短约6s），通过试验证明焊接质量稳定。在焊接工艺参数不变的条件下，试验3批共15个接头，探伤存在异常波的接头明显减少。这与前述工艺设置的原理一致，由于比例阀控制板零位变化导致预热闪光焊后期的连续闪光时间缩短，有利于避免接头产生过热组织。比例阀控制板零位等焊机性能参数是保证钢轨焊接质量的重要技术指标，经型式试验确定后，其数值一般不宜调整。焊机说明书规定：更换SWEP06总成、SWEP06中的NM板、位移传感器、压力传感器、电流传感器必须进行机器自校准。自校准显示各项设备性能指标合格后，通过生产检验即可生产。说明书中未指出需要进行型式试验的设备配件更换项目。未对比例阀控制板更换、零位调整提出生产检验或型式试验要求。一般情况下，焊机比例阀控制板的更换或者零位调整不会引起较大的设备状态变化。但大幅度的零位调整则不然。

3.2 热影响区宽度试验

通常，由于高温金属不能完全被挤出焊缝，接头难以避免过热区的存在。增大预热和带电顶锻阶段的热输入，易导致过热。过热严重时，晶界熔化、氧化，无法通过焊后热处理消除，导致接头报废。探伤异常波指示的伤损位置和通过理化分析发现的缺陷位置均位于焊缝的过热区，三角区和轨脚的结合部（距脚30-40mm的范围），所示的H3和L3区域轨底浅表区域[1]。钢轨是非闭合断面，端面加热不均匀，硬度大的板上，焊缝HAZ呈花瓶形，轨底加热区较宽；而焊缝轨底的HAZ呈纺锤形，轨脚部位加热区较窄。H3和L3也是钢轨截面突变区域，相比轨头区域的自由顶锻，H3和L3区域的顶锻受2个轨脚的牵制，是一种约束顶锻。若该区域的顶锻不充分，过热金属易残留在轨底浅表。若总热输入增大，该区域的过热倾向增大。降低连续烧化速度，不利于消除焊缝的过热组织。缩短连续烧化时间，有利于减少过热组织。

4 结语

通过焊接试验和试生产，以控制焊接后期的连续烧化时间为主要手段，取得了明显效果。某基地统计数据显示，钢轨月度探伤异常波频次从8.8‰（生产566个接头中有5个异常）降低至1.5‰（生产1368个接头中有2个异常）。预热闪光焊、连续闪光焊和脉动闪光焊，其后期的连续烧化和顶锻过程大致相同。预热闪光焊工艺在合理匹配加热参数和顶锻参数的同时，结合探伤出现的异常，应关注全断面HAZ的均匀性。预热闪光焊工艺通过短路预热建立加热区，后期的连续闪光烧化时间不宜过长。比例阀控制板零位是重要的焊机性能参数，零位正向漂移会延长闪平时间和连续烧化时间，导致过热或过烧倾向增大