钢轨闪光焊 技术 焊缝 伤损.doc

钢轨闪光焊 技术 焊缝 伤损.doc 闪光焊工作原理及钢轨焊头 一、什么是闪光焊 闪光焊也称接触焊，是在电阻对焊的基础上发展起来的。焊接开始时，两个金属工件端面接触，通过端面的接触点导电，接触电阻产生的电阻热加热工件端部，当温度达到一定程度时，工件接触面的金属熔化形成液态金属层，通过外加纵向力挤出液态金属，并使高温金属产生塑性变形，在结合面产生共同晶粒，获得致密的热锻组织形成对接接头。 1. 闪光的形成过程 在金属工件相互靠近的过程中，端面间一些相互突出的凸点首先接触， 电流从这些接触点通过时，由于导电面积突然减小，造成电流线弯曲与收 缩从而形成了接触电阻，如图1所示。 图1 闪光面的接触点 这些小接触点的电阻很大，电流流过时被迅速加热、熔化，形成一个个液体金属过梁，这些金属过梁将热量传入焊件的内部。每个过梁都存在液态表面张力、径向压缩效应力、电磁引力和电磁斥力的作用，径向压缩力与流过过梁的电流强度平方成正比，在这些力的作用下过梁直径减小，电流密度 - 1 - 急剧增大，温度迅速上升，使过梁内部出现金属蒸气。金属蒸气使液体过梁体积急剧膨胀而爆破，熔化的金属微粒从对口间隙中飞溅出来，形成了飞溅的火花。爆破后的位置留下一定深度的火口，为邻近产生过梁创造了条件。闪光过程就是焊接端面不断产生液态金属过梁又连续不断的爆破过程，并伴随有工件金属的烧损。 2. 闪光的作用 (1)加热焊件。闪光过程中金属液体过梁的电阻热和过梁爆破时一部分喷射熔滴飞溅到对口面上带来的热量对焊件加热。 (2)烧掉焊件端面上的赃物和不平之处。因此也就可以降低焊接前对焊件端面的打磨要求，用手提砂轮粗打磨即可。 (3)金属的液体过梁爆破时产生的高压力、金属蒸气及CO、CO气体形2成了保护气氛，减低了焊件端面间隙中气体介质的氧化能力。 (4)闪光后期，焊件断面形成液态金属覆盖层，为顶锻时排除端面的氧化物和过热金属提供了有利条件。 3. 获得闪光对焊优质接头的条件 (1)后期闪光过程不出现闪光中断，加速烧化时闪光稳定、激烈，有良好的保护气氛。 (2)焊接端头应形成足够的加热区和适当的、均匀的温度梯度;断面温度均匀。因此要求钢轨端面垂直度(斜度)不大于0.8mm，高速轨的端面垂直度不大于0.6mm。 (3)焊接端面要有足够的塑性变形区。 二、钢轨闪光焊 - 2 - 钢轨闪光焊接按照闪光过程的特征分为连续闪光焊、预热闪光焊、脉动闪光焊三种类型。 1. 连续闪光焊 图2 连续闪光焊曲线 图2是K型焊轨机连续闪光焊接过程 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 曲线，记录有焊接电压、电流、力、位移四个主要焊接参数与时间关系，从图中可见，焊接过程中的焊接电流是连续的。焊接中期闪光电流稳定在100,200安培(焊接变压器初级电流)，动架夹持钢轨送进稳定，焊接压力值恒定，位移是一条斜线。连续闪光焊分为预闪、低电压闪光、加速闪光烧化、顶鍛、锻压(保持)五个阶段。预闪的作用有二个:一是闪平钢轨倾斜的端面、使随后开始的焊接过程保持全断面接触闪光;二是对钢轨端面预加热，减少焊接初期不稳定闪光时间。 连续闪光焊的主要焊接参数有:焊接时间、焊接电压变化程序、烧化速度、烧化末速、反馈电流、顶鍛量。加速烧化是顶锻前的重要阶段，加速时间和加速末速是重要的参数。 2. 预热闪光焊 - 3 - 预热闪光焊的焊接阶段有:闪平、预热、烧化、加速烧化、顶锻和鍛压、后热。图3是第四代GAAS80焊机预热闪光焊记录曲线，记录有焊接压力、焊接电流、位移和时间的关系。预热过程是加热钢轨的主要阶段。 图3 预热闪光焊记录曲线 3. 脉动闪光焊 图4是脉动闪光焊记录曲线，记录有焊接压力、焊接电流、位移和时间的关系。 脉动闪光焊与连续闪光焊相比较，其闪光过程中几乎没有过梁的自发爆破现象;在加热钢轨的主要阶段，闪光电流是不连续的。在焊接过程中它跟 - 4 - 踪的是电阻、电流;闪光烧化过程中焊接电流与送进速度无关;烧化过程的送进油压是脉动的。 脉动闪光焊已逐渐取代连续闪光焊，用于钢轨焊接全过程大约2分多钟。线路上移动焊轨主要采用脉动闪光焊方式。 图4 线路上拉伸钢轨焊接脉动闪光焊曲线 三、焊接参数调节功能 1. 电压的调节 焊接电压(焊接变压器次级电压)是决定钢轨加热状态的基本焊接参数，它可以显著地改变焊接时间和钢轨的温度梯度(不同断面温度之差)分布以及闪光过程的稳定性。稳定的闪光过程是具有很细小的过梁尺寸和火口深度。 结合焊接过程选择适合的电压是很重要的。焊接电压增高，则焊接电流增大，闪光过程也就更加激烈，大尺寸的过梁爆破，造成大量熔化金属的飞溅，使钢轨端面的加热深度减小，火口的深度加大，端面温度分布不均匀，不能形 - 5 - 成良好的焊接接头;反之，当焊接电压较低时，焊接电流减小，将导致钢轨送进速度大于闪光烧化速度，易出现短路。 2. 反馈电流的调节 稳定的闪光烧化是通过焊接电流的反馈进行控制。闪光初期，可能出现一次或几次较大的短路电流，它与焊接电源功率、钢轨焊接回路阻抗、钢轨端面接触面积、及钢轨初始温度有关。在以后的低电压闪光阶段一般不应出现闪光中断;在加速烧化闪光阶段也不应出现闪光中断。顶锻前出现闪光电流短路或断路都会影响焊接接头质量。 3. 加速烧化 加速闪光烧化过程是焊接循环必不可少的一个阶段，也是顶鍛前的重要阶段，加速时间和加速末速是重要的焊接参数。加速使钢轨端面接触的触点增多，形成过梁的爆破也逐渐激烈，可以看到激烈的火花飞溅。激烈的闪光能够形成良好的保护气氛，为顶锻创造了良好条件。加速闪光烧化阶段通常是切断电流反馈控制，或加大反馈电流值。预热闪光焊加速程度应比连续闪光焊和脉动闪光焊的加速程度大一些。 4. 顶鍛和鍛压 顶锻量、顶锻时间、顶锻力是重要的焊接参数。顶锻过程分为两个阶段:(1)有电流顶锻。该阶段是在通电状态下进行的，以保证钢轨端部的温度并有利于液态金属及氧化物夹杂的排出。带电顶锻时间通常设置在0.5秒,1.2秒，时间长一点有利于液态金属及氧化物夹杂的排出。(2)无电流顶锻。该阶段是在切断电压(实际上是切断电流)后，继续保持顶锻压力，使液态金属及氧化物夹杂彻底被挤出，并排除过热金属，使焊缝继续产生塑性变形，形成 - 6 - 致密的焊接接头。 顶锻压力的大小取决于钢轨材质的高温性能和钢轨的加热状态及加热区的分布。国外资料介绍，900 MPa的高碳轨顶锻压力为60 MPa(60kg/m钢轨顶力约为46,47吨);1100 MPa的合金轨顶锻压力为70~80MPa(60kg/m钢轨顶力约为54,62吨)。顶锻力过小，夹杂物不容易排净，塑性变形不足;顶锻力过大，则塑性区被过分挤压，晶纹弯曲，接头冲击性能下降。 顶锻开始的合缝速度(顶锻速度)应越快越好，以防止端面氧化。顶锻速度应大于30mm/s。 四、钢轨焊接热循环 1. 焊接热源 钢轨焊接是焊接回路的电流通过钢轨内部电阻和端部电阻所产生的电阻热来实现的，遵循焦耳-楞次定律的变化，其热量可以近似用如下公式表示: 2 Q=0.24I(R+2R)t cg 式中: Q—总热量(cal) I—通过钢轨的电流(A) R—焊件端面的接触电阻(Ω) c R—焊件内部电阻(Ω) g t—通电时间(t) 焊接开始时，钢轨处于环境温度下的冷态，内部电阻R很小，接触电阻g R相对较大，随着加热温度的升高，并在焊接压力作用下,接触端面产生塑性c 变形，促使接触表面氧化膜破坏和纯金属接触面积不断扩大，导致接触电阻很快减少，焊接电流增大。随着加热温度的升高，又使得钢轨端部电阻增大， - 7 - 导致钢轨端部热量最大，温度也最高。 2. 焊接热循环 在焊接热源作用下，钢轨焊接端头某一点的温度随时间变化过程称为“焊接热循环”。钢轨纵向距离焊缝不同位置各点被快速加热、冷却的速度是不相同的，最高加热温度(峰值温度)也是不相同的。图5是GAAS80/580焊机焊接60kg/m钢轨距离焊缝1mm处的热循环曲线。 通过焊缝热循环曲线可以观察到焊接峰值温度、冷却速度(800?冷却到500?的平均冷却速度)。 图5 60kg/m U76NbRE钢轨预热闪光焊热循环记录曲线(预热14次) 试验表明，无论采用哪种闪光焊方式，焊缝的峰值温度均在1300?左右，而冷却速度与焊接工艺和环境温度有关。根据铁科院金化所以往的科研试验结果统计， 60kg/m钢轨闪光焊接头的冷却速度在0.9?,1.2?/s ,低于U71Mn、U75V(PD3)、U76NbRE(BNbRE)钢轨钢出现马氏体组织的临界冷却速度。不同牌号钢轨的临界冷却速度是通过钢厂提供焊接CCT图获取的。高合金钢轨在低温环境焊接时，需要增加后热来降低焊缝冷却速度。 2. 焊缝和热影响区 焊接接头是由焊接区和毗邻的钢轨母材构成的，焊接区又划分为焊缝和 - 8 - 热影响区，其力学性能差于钢轨母材。 (1)焊缝: 焊缝很窄，宽度只有零点几毫米，宏观照片上焊缝是一条白线(见图6a),是一层氧化脱碳的贫碳层，金相组织是珠光体和少量的网状铁素体(见图6b)，硬度低落较大。 (2)热影响区(HAZ):热影响区分为粗晶区、细晶区、不完全重结晶区。粗晶区是焊接高温形成的过热区，其晶粒粗大，该区金属硬度高、塑性和韧性差。细晶区是焊接温度小于1000?正火区，晶粒较细，该区金属塑性和韧性较好。不完全重结晶区又称为部分相变区，其晶粒大小不一。 热影响区对称分布焊缝两侧，总宽度约40mm左右。图6a是精加工后焊头纵向板宏观照片，焊缝两侧白色影线之间区域是热影响区。 图6a焊缝及热影响区宏观形貌 图6b 焊缝金相组织 五、焊接接头热处理 1.热处理作用 钢轨分为热轧轨和热处理轨。热处理轨焊接后接头的硬化层消失，原有的强度和韧性降低。对焊后接头再次加热，然后喷风处理加速其冷却来恢复 - 9 - 损失的强度、硬度和韧性。 在国外，热轧轨焊后不再进行正火或热处理,我国铁路早期焊轨也不进行焊后正火，由于八十年代后新牌号钢轨出现，焊后接头较难通过落锤检验,正火后焊头韧性提高，相对提高了落锤通过几率。 1)焊后正火:正火目的是将焊接热循环过程形成的粗晶细化，提高韧性;正火也会改善焊接残余应力的分布。正火过程是焊头重新经受一次加热升温和自然冷却的热循环，峰值温度宜限制在950?。峰值温度低会降低接头强度和出现低硬度。图7是焊头正火前后硬度对比:正火前的焊头轨顶面硬度高于钢轨母材，低硬度区很窄，其宽度不到10mm;U71Mn、PD3(U75V)焊头正火后的轨顶面纵向出现约80mm宽度低硬度区，对高速列车运行是不利的。 图7 焊接接头正火前后轨头纵向硬度分布曲线 12正火应注意:?焊缝温度低于500?时再重新加热;?正火热影响区宽 3度应在70mm左右并完全覆盖焊接热影响区;?正火最高温度不超过950?。 不同牌号钢轨具有不同最佳正火温度，最佳温度应是强度和硬度的优化组合。钢轨在闪光焊时经历了复杂的热、力学过程，它会对焊头造成不同于钢轨母材的影响。 - 10 - 图8 焊头正火温度与冲击韧度的热模拟试验结果 图8是在Gleeble-1500热模拟试验机进行热模拟试样的常温冲击试验结果。从图中可见U71Mn钢轨与焊头最佳温度是不相同的，其焊头正火温度应选择在910?,950?。 2)焊后热处理:正火后的焊头冲击韧性得到大幅提高，但是强度和硬度降低,焊头整体性能未得到明显改善。正火热影响区硬度未达到钢轨母材的90,或更低时，会形成运行线路上的低接头。列车经过低接头产生冲击和振动，加速焊头损毁。 热处理的目的是通过加热焊接接头到最佳温度后，进行喷风冷却，从而得到具有细片状珠光体组织，获得较高硬度值。热处理主要工艺参数有峰值温度、喷风压力、喷风开始温度、喷风结束温度等。通过工艺参数调整使焊头的硬度、拉伸及冲击性能达到TB/T1632.2-2005的质量要求。开始喷风的轨头温度不宜低于850?，喷风结束的轨头温度不宜高于500?。喷风最高冷 -1却速度与钢轨化学成分有关，U71Mn最高冷速2.5??s;U75V最高冷速 -13.0??s;否则会出现马氏体组织。在相同冷速下，加热温度越高，转变后的硬度也越高。这是由于随着奥氏体化温度的升高，奥氏体更为稳定，使得珠光体转变温度降低，得到较细珠光体组织。 - 11 - 钢轨预热闪光焊工艺 (GAAS80/580) 一、GAAS80焊机概述 该焊机是直流焊机，第一个字母G表示直流，第二个字母A表示闪光，第三个字母A表示自动，第四个字母S表示铁路，80表示顶锻力是80吨。我国铁路从八十年初引进第一代焊机至今已经进口到第五代焊机。早期是GAAS/700型，控制装置是DX200(DX300)和PY100，额定功率700KVA，现在的GAAS80/580额定功率580KVA(暂载率50,)，焊接全过程计算机控制，并安装有专用制图软件，记录焊接全过程主要焊接参数随时间变化过程。 焊机动架与主机架各有一组内、外对中臂组成的对中机构,自动将焊接轨进行对正，当轨端出现尺寸偏差时，仍需要焊工凭视觉感官再次调整轨头工作面对中精度。 二、焊接回路 焊机使用三相380伏交流电源。两组焊接变压器与可控硅三相调压、大功率二级管整流器组组成焊接电源，分别通过导电母排与夹持钢轨轨头、轨底两组电极馈电，空载时的六相整流输出脉动直流电压较高，参见图1。 图1 焊接全过程电压变化曲线 (14次预热、2次后热) - 12 - 从图中可见，空载电压10伏,闪光电压设置850‰时,实际闪光电压约6.3伏。前3次预热电压设置400‰，后11次设置450‰。焊机制造厂专家要求预热相位控制应小于590‰. 预热闪光焊的焊接回路电流很大，预热电流一般可达到6万安培左右，顶锻电流瞬时最高可达到10万安培左右，要求焊接回路电器元件须有很好的冷却，带走其产生的大量电阻热。焊接变压器、可控硅和整流器的冷却是使用独立的第三级冷水机系统。对于大功率二极管我们曾用分流器和0.5级磁电式电压表单独对其检测，当电流100A时的压降ΔU=0.7V;当电流200A时的压降ΔU=0.8V;大于其说明书的0.2V。因此设置的闪光电压相位控制不能太小，我们曾将闪平电压减小到550‰左右，发现闪光火花很不稳定。 由于焊接电流大，就需要焊接轨与电极接触部位打磨良好，露出钢轨的金属光泽，减小与焊机电极之间接触电阻。 三、焊机自动调节 焊机全套设备安装完毕之后、在使用前必须进行自动调节。自动调节是对焊机的油压传感器、位移传感器和电流传感器进行调试，对传感信号进行标定。自动调节也是对机器的弹性所产生的位移偏差进行补偿。随机携带的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 工件(黄钢轨)是校准钢轨，用于标定焊接电流脉冲。 在下列情况下也必须进行自动调节:(1)更换全套Swep06控制装置;(2)更换位移传感器或移动过位移传感器又重新安装之后;(3)更换传感器电路板(NM板)之后;(4)焊机大修之后、鉴定之前。 自动调节项目共有8项，分别是压力传感器前侧零位调节、压力传感器后侧零位调节、顶锻油缸活塞面积比、标称力、位移零位调节、位移校准、 - 13 - 机器弹性和电流调节。开始自调之前,必须按 规定 关于下班后关闭电源的规定党章中关于入党时间的规定公务员考核规定下载规定办法文件下载宁波关于闷顶的规定 的顺序进行准备，自动调节完成之后，在Swep06控制装置前面显示窗口显示自调过程中发现的误差。调节结果显示“L”,表示该项调节准确;调节结果显示“H”,表示该项调节未达到规定的精度。如果第8项结果显示“H”表示电流调节未达到规定的精度，可能是校准钢轨与焊机电极的接触表面导电不良。 四、焊接过程控制 焊接控制系统主要由控制器Swep06和可编程控制器PLC组成，Swep06、具备有焊接指令、检测控制和显示装置，能对自身和外部系统进行检测和诊断，对焊接过程实施计算机程序控制。PLC是执行Swep06的指令，由可编程存储器进行逻辑运算、顺序控制、定时和计数等;通过数字量和模拟量的输入和输出，控制执行元件完成焊接过程。 焊接开始之前，Swep06发出指令，PLC执行对钢轨的夹持对中，对中完毕PLC再将指令反馈到Swep06，Swep06进行焊接准备的确认并执行焊接程序。焊接结束，Swep06再将信息反馈回PLC,PLC确认后开始执行夹钳升起、推凸并检查动架后退条件是否具备。条件具备时,再发出后退指令给Swep06,动架退回原始位置等待下一次焊接指令。图2为Swep06控制焊接过程示意图。 三相交流电源采用双向可控硅调压，经过焊接变压器组降压和次级六相整流，再通过汇流排和电极将电流输送到被夹持的钢轨。 动架的驱动由伺服控制系统执行。焊接主要工艺参数电压、电流、位移、速度、压力分别通过可控硅相位控制、电流传感器、位移传感器、油压传感器的信号采集，再经过电子电路转换、输入到计算机系统进行数据处理。处 理结果由屏幕显示实际焊接参数。 - 14 - 图2焊接过程示意图 Swep06的一个焊接程序最多分为10个步骤(01,10STEP)，可选6种不同的步骤类型(01,06CODE)。每个步骤设置的参数中，电压、电流、压力、速度是以千分数(‰)表示，不代表真实的数值量。输入和显示的时间量、位移量是真实的数值，时间单位是秒、位移单位是毫米。位移的零点就是基本步骤中所确定的基准点。 基本步骤是第一步骤(01STEP)，其步骤类型的代码是01(01CODE)。 闪光步骤类型的代码是02(02CODE)，它设置在预热之前称为“闪平”，设置在预热后称为“烧化”。它分为第一处理段和第二处理段，两段设置的焊接参数项相同，数值可以相同也可以不同。闪平是第二步骤(02STEP)，它通常只在第一处理段设置焊接参数。在预热后的烧化阶段，通常在两个处理段均设置不同的参数。当第二处理段的闪光速度大于第一处理段闪光速度时，烧化速度是递增的，即加速烧化(渐进闪光)。 闪平不仅是闪平钢轨端面斜度，而且具有较强的加热作用。电流设定值(反馈电流)和闪光速度的匹配会影响到加热效率。闪平之初出现大电流脉 - 15 - 冲，有可能是钢轨端面接触面大造成的，但是经常出现较长时间大电流脉冲，就应考虑上述两参数匹配是否合理。 预热步骤类型的代码是04(04CODE)。每次预热脉冲的电流加热时间包括快速闪光时间。快速闪光的移相值最大，它用于闪除钢轨端面氧化膜、闪平凸凹和均匀端面电流密度。其时间通常选择1秒左右。如果预热后期热量过高，会导致钢轨向后过量移动，超过变形极限，就可能丢失预热脉冲。 顶锻步骤类型的代码是06(06CODE)。顶锻分为快速顶锻和后顶锻两个阶段。顶锻之初，伺服阀以最大的设置速度响应,随之顶锻阀提供足够的油量快速顶锻。当采用自由顶锻时，后顶锻阶段的 “走行极限”应设置较大数值。 五、看焊接记录曲线 图3 超 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的焊接记录曲线 图3是某个焊头的记录曲线，它是由绘图软件根据采集的焊接数据绘制 - 16 - 而成。图中的红色细线标识参数值的最大值和最小值，当某个参数的实际值超过最大值或最小值时，则在其附近用小的红色长方块显示，并标出数值。从上图可以看到超规范的参数有:第一次预热时间、烧化时间、顶锻电流、顶锻量、有电流顶锻时间、锻压时间。 焊接规范的限定范围(最大值和最小值)，通常是根据型式试验落锤检验的效果制定出来的。也可以参考其他同型号焊机焊接相同牌号钢轨的规范，再通过焊接试验及落锤结果进行修正。 焊接规范的限定范围太窄，将会出现较多错判焊头;焊接规范的限定范围太宽，也会出现一些漏判焊头。 在正常焊轨生产中，若出现超规范焊头，应当锯切重焊。 - 17 - 焊接工位及焊接缺陷 一、焊接工位 1.焊前除锈工位 对待焊轨的端面以及与焊机电极接触的部位除锈的目的是去其表面污垢和锈蚀、氧化皮，最大限度减少与焊机电极之间的接触电阻。钢丝刷轮式除锈机虽然对钢轨母材的磨削量小,但是不能磨除待焊轨表面的氧化层,导致接触电阻大而影响钢轨端面加热效果。因此，后续应使用角向抛光机磨除氧化皮，露出金属光泽。除锈长度应大于焊机电极长度，轨底除锈宽度应大于电极宽度,并认真检查轨底的除锈质量。 2.焊接工位 焊接轨应以轨顶和侧工作边为基准对中，并检查钢轨端部扭曲;扭曲允 许偏差可参照铁标TB/T1632.2-2005表1接头错边量最大允许值。 电极灼伤只发生在焊机电极与钢轨接触的导电部位，是由于电极与钢轨接触不良或存在残渣，在焊接开始出现的“灼伤”或“打火”而产生马氏体、渗铜现象。“灼伤”或“打火”会在轨面和电极留有痕迹。打火的焊渣嵌入电 极后，其硬度比铜钳口硬度高，鼓出电极面，若不磨平还会“打火”。 由于灼伤部位常出现在轨底且距离焊缝100毫米之外，不易被发现。每个焊工焊后必须检查轨底、轨顶和电极表面，对导电不良电极面要及时修磨或更换。为了预防电极灼伤,焊工要在压紧钢轨前仔细清理上下电极钳口及定位螺栓孔;二次压紧钢轨前再次清理钢轨底面及钳口电极面，将吸附的焊渣清理干净。发现灼伤的焊头必须锯切处置。 焊工要注意观察焊接全过程，发现异常及时终止焊接。焊后要立即检查 - 18 - 焊接记录曲线和参数，曲线异常和参数超出工艺规范时要查找原因。 3.焊后打磨 钢轨焊接标准TB/T1632.2-2005中要求“应沿钢轨纵向打磨，钢轨打磨表面不应出现打磨灼伤”。纵向打磨是指手持砂轮打磨时，火花沿着钢轨纵向飞出。细打磨时，仿形打磨机沿着钢轨纵向移动。长时间用力打磨同一位置时，局部钢轨表面会迅速升温、又快速冷却，易出现打磨灼伤。需要区分轨温在300?左右打磨时出现的发蓝与打磨灼伤是不同的。 轨底打磨要仔细，不仅要磨除推凸余量，还要磨除轨底角的圆弧，消除可能存在的“过烧”缺陷。 4.正火工位 中频感应加热过程中存在透入式和传导式加热，透入式是使钢轨表面涡流强度大、升温快,表层随着温度升高到居里点而失去磁性，涡流不断向内层迁移，高温不断向深度移动，失磁的部分依靠传导式加热，升温慢，热损失大。当感应圈纵向偏离焊缝时，感应加热也随之偏离焊缝，造成焊缝两侧温升偏差大;喷风头对不正焊缝喷风，会造成焊缝两侧冷却效果偏差大，这些现象都将导致焊缝两侧硬度不对称、软化区宽度不同。峰值温度低、加热停止与开始喷风间隔时间长、感应圈与钢轨表面间隙不均匀也都会影响到焊头热处理效果。 正火温度低、未达到金属相变温度时(未正透)，观察落锤断口的金属光泽会有明显不同。 5.平直度与不平度 我国铁路钢轨标准中的平直度要求见表1。 - 19 - 钢轨平直度允许偏差 表1 线 路 部 位 项 目 允许偏差 向上弯曲 ?0.5mm 常速铁路 距轨端1m内 向下弯曲 ?0.2mm 水平方向 ?0.5mm 垂直方向 ?0.4mm/1m 轨 身 水平方向 ?0.7mm/1.5m 垂直方向向上 ?0.5mm/1.5m 客运专线 轨端0,1.5m 垂直方向向下 ?0.2mm/1.5m 水平方向 ?0.7mm/1.5m (200km/h) 垂直方向 ?0.3mm/1m 轨 身 水平方向 ?0.6mm/1.5m 垂直方向向上 0,2m:?0.4mm/2m 高速铁路 轨端0,2.0m 垂直方向向下 0,2m:?0.2mm/2m 水平方向 0,2m:?0.6mm/2m (300km/h) 垂直方向 ?0.2mm/1m 轨 身 水平方向 ?0.45mm/1.5m 钢轨焊接接头的TB/T1632.1-2005标准中平直度要求见表2. 焊头平直度允许偏差 表2 线 路 轨顶面垂直方向最大偏差 工作边水平方向最大偏差 向上(上拱)闪光焊:0.3mm/1m 凸出钢轨基面:0.4mm/1m 常速铁路 铝热焊、气压焊:0.4mm/1m 凹进钢轨基面:0.4mm/1m (?120km/h) 向下:不低于钢轨母材轨顶基面 向上(上拱):0.3mm/1m 凸出钢轨基面:0.3mm/1m 中速铁路 向下:不低于钢轨母材轨顶基面 凹进钢轨基面: 0.3mm/1m (120,200km/h) 凸出钢轨基面:0 向上(上拱):0.2mm/1m 高速铁路 凹进钢轨基面: 0.3mm/1m 向下:不低于钢轨母材轨顶基面 (>200km/h) 从以上两表内容可见焊接接头平直度(直线度)要求是很高的。为了满足标准的要求，热处理以后又设置了细磨、时效、矫直、精磨和修磨工序。 平直度检验合格的焊头并不能保证线路运行的平直度，排除线路因素外，焊头正火、热处理效果差将导致硬度低、软化区宽，形成线路上低接头。这 - 20 - 种内部质量差所引发的焊头外观缺陷是不可逆转的。 在铁标对钢轨的表面质量要求中，允许存在的“热态下形成的钢轨纵向 1导向板刮伤、磨痕、热刮伤、纵裂、氧化皮压入”的最大深度:?轨头踏面 20.5mm(高速铁路用轨0.35mm),?钢轨其他部位0.5mm;冷态下形成的钢轨划 12痕、碰伤的深度:?轨头踏面和轨底面0.4mm(高速铁路用轨0.3mm)，?钢轨其他部位0.5mm。 在TB/T1632.1-2005的标准要求中，“焊接接头及其附近钢轨表面不应有裂纹、明显压痕、划伤、碰伤”，显然高于钢轨的表面质量要求。 在焊接标准中的不平度要求比较低，其测量范围只限定在焊缝两侧各100mm长度范围，直尺与轨头顶面间隙不大于0.2mm为合格。 二、焊接缺陷 1.外观质量缺陷 焊接接头的外观缺陷包括两类，一类是焊接加工造成的，另一类是钢轨外形尺寸偏差造成的。闪光焊的外观缺陷主要是接头错边(错口)和平直度偏差。 出现错边的工位通常是发生在焊接工位。出现错边与焊工操作、焊机工况有关。焊接标准中的允许错边量要求?0.5mm，主要考虑K型钢轨移动焊机不能实现以工作边为基准的水平对中。基地使用固定式焊机，均能实现以工作边为基准水平对中，因此错变量须严格要求小于0.5mm，高速铁路应限制在0.2mm以内，以减少焊头矫直、精磨量。 推凸缺陷:推凸到焊缝另一侧钢轨表面形成的舌状包边，相当于一个尖劈，出现应力集中，会造成在线路上焊头早期疲劳断裂，这种推凸缺陷与推 - 21 - 刀、钢轨的外形尺寸偏差相关联。 推凸刀热刮伤轨顶面或轨底面，刮伤缺陷无法修复时，只能锯切焊头重 焊。此类缺陷常发生在移动闪光焊。应注意重焊时的温度不要高于50?;温度高需要浇水冷却时，其浇水温度不能高于400?。 2.内部质量缺陷 (1)过烧缺陷 过烧产生与下列因素有关:顶锻前的钢轨端面液态金属层厚薄不均匀;焊接端头的温度梯度陡，纵向没有足够的塑性变形区;顶锻时的钢轨端面过热熔渣未完全挤净形成过烧组织。过烧的破坏作用相当于多个碎裂纹存在轨底焊缝和近缝区。过烧常常出现在轨底和轨底上、下角位置，超声波探伤比较容易探查出这种缺陷。 (2)裂纹 焊接裂纹分为冷裂纹和热裂纹。焊接冷裂纹是在较低温度形成的，通常是指在温度低于200?时产生的，又称之为低温裂纹。马氏体的数量是产生冷裂纹(微裂纹)的重要原因;冷裂纹的产生还与应力或应变有关，凡是在拉伸应力作用下产生较大拉伸应变的部位或应变集中部位，容易产生冷裂纹。 线路移动闪光焊的焊缝或热影响区出现的裂纹主要是热裂纹，其断裂面有明显的高温氧化特征(黑色-蓝色)。裂纹常起源于轨腰,向轨头或轨底发展。 起裂的原因是焊接接头在高温状态下(焊后或正火)受到纵向张拉力。 (3)微量马氏体 钢轨中马氏体是高碳马氏体，又称片状马氏体。它与钢轨母材中C、Mn、Si、V等元素偏析相关联。钢轨经过焊接热循环作用，这些元素偏析会加重， - 22 - 如果出现在近缝区，即使在正常的冷却速度也会出现不连续的马氏体组织。图1是U76NbRE钢轨焊头出现的微量马氏体金相照片，从左到右的5个维氏硬度测点分别为321HV、524HV、603HV、358HV、345HV,其中第二、三点是马氏体硬度。进一步用扫描电镜分析马氏体成分，其中Mn含量达2.14%，超过钢轨标准1.20%的Mn含量近一倍;稀土La(镧)的含量达1.92%、Ce(鈰)的含量达2.00%，均已大大超过钢轨标准要求0.023%的含量。 图1 焊缝区马氏体组织(400×) 马氏体如果存在轨头位置，这些微量马氏体伴随的微裂纹在运营线路上就会形成危险的核伤。 (4)灰斑 灰斑是允许存在的缺陷，但是其面积大小有限制。灰斑只是出现在焊缝面，呈现平的和光滑的形貌。U71Mn钢轨焊头焊缝端面上的灰斑是无光泽的，U75V钢轨焊头焊缝端面上的灰斑是光亮的。 灰斑可以出现在焊缝断面任何位置，当出现在轨头时，其成分中含有的 硅酸盐夹杂物在运营线路中会产生应力集中，并以此为核心发展成纵横向裂 - 23 - 纹形成核伤。 3. 灰斑的形成机理及焊接工艺调整 在英国Network Rail的钢轨焊接生产规范中(2003年第3版)对灰斑的定义是:flat spot(平斑)。 我国称这种“平斑”为灰斑。灰斑虽然对屈服强度没有明显的影响，但使得断裂强度有所下降;延伸率明显减小。国内外同行对灰斑的起因还未取得一致的看法，最早Brrett认为是与氧化物有关的缺陷，Savage早期也倾向于这种意见，后来Savage等研究了各种参数对闪光焊质量的影响后，认为熔化凹坑(火口)中液态金属成分的改变是这种缺陷产生的原因。顶锻时，在较深的熔化的凹坑中，液态金属被封闭而不能排挤出，成为一薄层，并出现成分不同的区域。国内对灰斑形成的原因也有不同的看法。原西南反应堆工程研究设计院的周邦新曾对12Cr1MoV钢管闪光后的灰斑用电子探针对其中的夹杂物做过分析，主要成分是SiO和MnO。对于灰斑的金相，Savage曾报2 导在碳钢闪光焊灰斑周围，总是有马氏体，这可能就是因为Mn含量增加而提高了淬透性的缘故。 在闪光焊顶锻时，熔化的金属与氧化物一起被挤压，并沿着垂直工件的边缘方向流动，未被排挤干净残留在焊缝中的氧化物就形成了断口上的灰斑。氧化物在顶锻时是否容易被挤出，主要决定于挤压量和它的流动性，流动性又取决于氧化物的温度及成分。氧化物的成分与钢中合金成分及含量有关。钢的化学成分对产生灰斑有一定的影响。 焊接温度高时，氧化物的流动性好，容易被挤出。因而用移相的办法降低闪光焊的电压时，灰斑明显增加。因此，在钢轨焊接的加速烧化阶段通常是 - 24 - 选择较高的焊接电压和较高的反馈电流。 大多数灰斑在接头加热温度较低时出现。焊接端面的加热温度、顶锻量、顶锻加速度及钢中合金成分等对形成灰斑有影响。提高顶锻时的加速度，即使氧化物排挤不干净，也可进一步使其呈弥散分布，因而提高顶锻加速度对 保证焊接质量也有帮助。 沈阳铁路局与中科院金属所在1987年2月的“金属学报”上发表文章，对灰斑的成分和焊接工艺的影响进行了分析:用扫描电镜观察，发现灰斑与基体的显微形貌截然不同，这两种不同的断口形貌说明灰斑与基体断口是由不同断裂机制引起的。 X射线能谱分析发现灰斑中的Si含量较基体高3,5倍;Mn含量较基体 高5,10倍;Fe的含量较基体低。在灰斑断口上Si、Mn等元素的分布仅在灰斑中某些部位富集;并以形成含Si、Mn相的形式而富集。对于碳钢来说，这种相一般应为含Mn的硅酸盐夹杂物，常见的有两种:MnSiO;MnAlSiO。32312在灰斑中的夹杂物分布是不均匀的。 在加速闪光烧化阶段，液态金属层上发生的大电流密度过梁爆破，其凹坑中的液体相当一个小熔池进行着冶金反应，Si、Mn、Al等比Fe活泼的元素还原FeO，并聚在灰斑区或其附近的基体部分，在组织上并无明显的差别，在灰斑周围也未发现有马氏体，这与Savage的结果并不一致。 闪光焊接加速烧化过程中，虽然焊接端面存在有保护气氛，但并不意味着焊接端面绝对不可能出现有氧化之处，Гельман等人曾测定过闪光端面保护气氛的化学成分，发现这种气氛中含有少量O(<2%)和大量CO、CO气体， 22这种少量O仍然可以使焊接端面的熔化金属发生氧化，尤其是液态高温金属2 - 25 - 的溶氧能力强，更容易被氧化。因此，加速烧化速度过慢也会出现灰斑。 在2004年的全路钢轨焊接及热处理学术交流会上，一部分文章对灰斑也进行了分析:采用软规范的焊接工艺参数，使焊头有较缓的温度梯度，端面 有较高的温度，可以减少灰斑出现的几率。对于脉动焊接而言，要特别关注加速闪光烧化阶段的脉冲电流值，尤其是顶锻前出现的脉冲电流大小，当电流大于600A时极易出现灰斑缺陷。 顶锻量、顶锻力过大时可能导致焊缝面上的灰斑面积增大。依靠加大顶锻量来挤出灰斑是有条件的，当灰斑以小面积(或点状露头灰斑)出现在断面边缘时是有可能通过大顶锻量(主要是合缝量)挤出。其他位置的灰斑是不可能被挤出的。加大带电顶锻时间也有利于断面边缘灰斑的挤出。 我们所见到的灰斑大部分在轨腰以下部位，尤其多见于轨底脚部位。在加速闪光前后时段，熔化的金属聚集在一起挂在轨底和轨脚，激烈的闪光使得这些高温液态聚集块被崩落，形成火口。由于轨底脚散热快，其火口很难在顶锻前再形成一定厚度的液态金属膜，最终形成露头灰斑。 焊前钢轨端面的垂直度偏差较大，而且闪光烧化量较小时，也可能造成灰斑缺陷。 三、闪光焊接头断口 钢轨闪光焊的断口形貌及金相见下列照片。 - 26 - 图2.1 落锤断口焊缝位置灰斑 (图中箭头指处) 图2.2 灰斑金相组织(无 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 黑色块状物为硅酸盐夹杂) - 27 - 图3.1 U75V钢轨的焊缝断面灰斑(多个灰斑) 图3.2 U75V钢轨的轨脚处焊缝断面灰斑(露头灰斑) 图3.1中的多个灰斑面积小而且距离钢轨边缘较远，其焊头落锤三次击断;图3.2中的单个灰斑出现在轨底脚、面积大，而且灰斑与钢轨边缘相交(露头灰斑)，其焊头落锤一次击断。 - 28 - 图4.1 钢轨未焊合断口(1区有熔融状表层，2区脆性断裂) 图4.2 熔融状表层金相(灰色为熔融覆盖层，基体为珠光体) - 29 - 图5.1 轨底与焊机电极打火断口(轨底黑区为打火点) 图5.2 打火点金相组织:马氏体+残奥及少量贝氏体 - 30 - 图6 推凸不净的疲劳断口(断口扇形疲劳区起源轨底) 图7.1 推凸后轨腰表面熔渣形成疲劳源的疲劳断口 - 31 - 图7.2 疲劳断口侧面宏观形貌 图8.1 轨底脚过烧断口(箭头指处为过烧部位) - 32 - 图8.2 过烧断口的微观形貌:蜂窝状，微裂纹 图9 焊头轨腰部位水平纵向裂纹 - 33 - 图10 轨头核伤断口 2010-8-29 - 34 -