关键词：邯钢U75V 烧化速度 预热相控 位移极限 灰斑
1 前言
我国目前可以进行铁路钢轨生产的主要钢铁企业有攀钢、鞍钢、包钢和武钢，近几年邯钢也开始生产钢轨。目前国内生产的钢轨主要为锰轨（U71Mn）和钒轨（U75V），按速度级别分为160km/h、250km/h以及350km/h。U71Mn系列钢轨使用时间最长，强度等级为880MPa，有较好的韧塑性，焊接性能优良。U75V是攀钢首先于20世纪90年代初利用当地铁矿石中共生的钒、钛等微量元素研究开发出的高碳微钒合金钢轨。U75V钢轨由于其耐磨性能和综合性能好，能够大大提高钢轨的使用寿命，延长大修周期，广泛的用于大修钢轨。2019年芜湖北基地首次焊接邯钢U75V钢轨，根据 T B / 1 6 3 2-2014 的要求，首次焊接前必须进行焊接工艺试验。本文采用 GAAS80/580 焊机对邯钢U75V钢轨焊接工艺参数的调试。
GAAS80/580 焊机为直流预热闪光焊机，其焊接方式就是将待焊钢轨两端部进行加热，当温度达到一定值时，给待焊钢轨施加一个较大的力将两根钢轨端部挤压在一起。其焊接过程主要有 4 个步骤: 闪平、预热、烧化及顶锻，所谓工艺参数的调试即针对不同的过程阶段，选择合适的电流、压力、速度、位移等参数，以获得优质的焊接接头[1]。
2 试验材料
本次试验使用钢轨为邯钢U75V（60N）热轧钢轨，设计时速为160km/h, 符合 TB/T3276-2012《43kg/m 75 kg/m钢轨订货技术条件》钢轨标准。
表1 钢轨化学成分对比
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与锰轨相比，钒轨中碳元素、硅元素的含量增加，同时增加了钒的含量。随着碳含量的增加，珠光体的含量变大，铁素体的含量逐渐减少。碳含量增大导致钢轨的可焊性变差，使焊接接头奥氏体晶粒粗大，导致钢轨焊接接头的韧性降低。硅是强化元素，可以提高钢轨的强度和硬度，使钢轨的塑性和韧性降低。在焊接加热过程中，硅与氧结合形成低熔点的硅酸盐，顶锻时不能完全挤出形成灰斑。硅在炼钢时，作为脱氧剂，能改变钢轨中铁素体奥氏体的含量以及晶粒度和珠光体片间距，显著提高钢轨的强度和硬度。钒在钢轨中以V4C3的形态存在，细化钢轨组织和晶粒，能够使钢轨的过热敏感性降低；在焊接过程中，降低热影响区的钢组织过热敏感性，避免热影响区内靠近熔合线的金属晶粒长大和粗化[2]。
3 常见灰斑的缺陷形态
根据铁标要求，钢轨焊接工艺参数主要通过落锤进行评定。在落锤检验中，灰斑主要出现在轨腰以下区域，特别轨底脚0cm-30cm的位置。由于Mn、Si元素与氧的亲和能力比铁强，所以在焊接过程中发生氧化时，Mn、Si元素先于Fe元素被氧化，易于形成硅酸盐夹杂物[3]。结合其他焊轨基地的经验，归纳了以下几种典型的灰斑：
3.1孔坑型灰斑
孔坑型灰斑一般颜色都比较深，且具有一定的深度，没有规则形状，如图1，一般集中于轨底脚15cm-45cm的位置。孔坑型灰斑主要产生于U71Mn钢轨，面积绝大多数都超标，其破坏性较大，这种接头落锤基本上不合格。在钢轨焊接过程中，往往难以克服局部过热问题，由于锰合金的流动性较强，在预热阶段，每一次钢轨接触拉开后端面都会产生小坑，硅、锰氧化物积聚在坑中不断的聚集，同时烧化阶段热量与烧化速度匹配不合适的话，一方面导致硅、锰氧化物无法利用闪光爆破将其带出端面形成灰斑；另一方面由于硅、锰氧化物不导电造成局部热量不均匀，局部烧化激烈，产生较大的爆破坑导致该处被氧化形成超标灰斑。
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图1 孔坑型灰斑
3.2 露头型灰斑
钢轨端面形成的低熔点的硅酸盐，烧化过程中没有将其完全闪掉，顶锻过程中，一般难以将其完全挤出，形成一部分裸露在钢轨表面的灰斑，称之为露头型灰斑，如图2。这种灰斑一般集中于轨底脚0cm-30cm的位置，其破坏性较强，往往在这种灰斑的表面形成应力集中，抗锤性较差。
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图2 露头型灰斑
3.3 粘连型灰斑
粘连型灰斑为浅亮色灰斑，多见于落锤检验合格后锯切砸断的断口，主要产生于钒轨。如图3。
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图3 粘连型灰斑
4 焊接工艺优化
钢轨焊接工艺调试根据热量输入的不同可以分为软规范工艺和硬规范工艺。软规范通常使用较大的热输入值，通过控制顶锻预留量和顶锻速度来实现较好的焊接质量。软规范焊接热影响区较宽, 闪平阶段采用低速度高电流闪光为端面快速积攒热量提供有利的条件、预热阶段一般通过增加预热次数来提供充足的热量、烧化阶段采用均匀的加速烧化、有电顶锻采用较大的压力以及合适的顶锻位移极限和合适压力的保压。软规范工艺温度场通常较宽，对材质变化适应性强，易通过落锤检验，工艺调试的主要方向为控制灰斑[4]。硬规范通常使用较小的热输入值，设置较大的顶锻力，一般不控制顶锻位置，温度场宽度较窄、工艺参数受材质化学成分波动影响较大，端面产生灰斑的几率要小一些。采用硬规范焊接，对接头热输入值与顶锻参数的匹配要求比较苛刻，需要对热输入值与顶锻参数的匹配不断进行尝试，工艺调试的主要方向为保证接头的抗锤性[5]。
根据GAAS 80/580焊机以往工艺调试经验，首先是通过调整预热阶段相控、时间、次数确定一个大致的热量输入，然后通过对闪平及烧化阶段的调整建立合理的温度场、获得撕裂状较好的断口，最后对烧化阶段及顶端阶段进行微调，使焊接工艺参数达到最优状态。本次邯钢U75V钢轨焊接工艺参数调试采用的焊机编号为ASI-2653-2971。
4.1预热阶段调试
本次邯钢U75V钢轨焊接工艺参数调试是以攀钢钒轨工艺参数为基础进行调试的。其预热参数见表2。
表2 预热（Preheating）
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采用攀钢钒轨工艺参数焊接10个接头，其中2个接头一锤断，灰斑均不超标。观察接头断面比较平坦，断口形貌没有明显的撕裂状态，初步判断焊接过程中投入热量不足，烧化过程烧化速度和温度场不匹配，导致端面温度比较低，顶锻阶段没有足够宽度的温度场，将塑性变形层全部挤出去导致断面较平。 综上所述，应增加接头的热输入量，考虑通过提高预热电压、增加预热时间、增加预热次数这三个方面来调整。结合以往调试的经验，调整预热电压效果比较显著且产生的不利影响相对要小一些，将预热电压450调整为480，焊接15个接头，其中一个接头一锤断，灰斑超标，为孔坑型灰斑。由图5焊接曲线可以看出烧化末期电流波动幅度比较大，说明末期烧化速度和温度场不匹配，存在赶烧现象。由图4 接头断口形貌可以看出轨脚比较平且存在较大面积的灰斑，灰斑没有明显的界限，这种灰斑属于孔坑型灰斑。产生的主要原因为烧化末期烧化速度与温度场不匹配，存在赶烧现象，导致轨脚闪光爆破激烈，产生的爆破坑无法及时封闭被氧化形成的，主要调整方向为烧化阶段末期烧化速度与接头温度场的匹配。
图4 接头断口形貌
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图5 接头焊接曲线
4.2烧化阶段调试
烧化阶段主要是为了提高轨端温度场陡度，为顶锻创造合适的温度场，通常采用的是三段五步设定。在整个烧化阶段，随着钢轨端部闪光，钢轨端面的温度逐渐升高，端面过梁爆破的速度也越来越快，此时需要焊机匹配相应的送进速度。送进速度过快的话，就会导致短路或者闪光爆破太激烈产生爆破坑；送进速度太慢的话，过梁爆破频率就会降低，钢轨端面保护层不致密，氧气倾入接口间隙，端面被氧化产生灰斑[6]。根据图4 接头断口形貌和图5 接头焊接曲线，认为烧化阶段阶段的调整方向为降低烧化末期速度，将烧化末期速度由230调整为210。降低烧化末期速度使之与接头温度场更好的匹配，保证烧化末期闪光稳定而且强烈，增强焊接接口处的自我保护。
采用烧化末期速度降低的参数焊接10个接头，其中一个接头落锤不合格，轨角边缘存在露头型灰斑，见图6。通过对焊接曲线及落锤断口进行分析，主要原因是顶锻阶段快速合缝量不够，未能将端面的金属氧化物最大程度的挤出去，在轨角边缘被再次氧化，形成轨角边缘露头型灰斑。
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图6 轨角边缘露头型灰斑
4.3顶锻阶段调试
顶锻工艺，是由快速顶锻和有电顶端组成的，快速顶端是闪光焊中的合缝步骤；有电顶锻，它是借助于合缝面上的高温，再通过一个大电流，使大量热在合缝区析出，使合缝区快速顶锻时未排除净的液态层和金属氧化物最大程度的被挤出，形成一个良好的钢轨接头焊缝。快速顶锻以时间限定为好，把快速顶锻的距离设置的很大，不让它起限制作用，这样做的好处是不会因为个别除锈不好，或者网压变化导致的热量投入差异，而出现的冷顶或顶锻不充分现象发生。并且快速顶锻的时间设置的大一些。加大有电顶锻的电流、压力以及时间，有利于焊缝面上高温金属的挤出，减少灰斑，但热量的投入也不宜过高[7]。
根据上一阶段的分析，增加快速顶锻合缝量，将顶锻阶段合缝位移极限25提高为30，采用该参数焊接40个接头，落锤、灰斑全部合格，型检一次性通过。在后续生产中，该参数的稳定性较好，生产检验全部合格。
5 结论
（1）邯钢U75V钢轨适应热规范焊接工艺，在工艺调试中，要保证足够的热输入。
（2）烧化阶段温度场与烧化速度的匹配比较重要，保证烧化阶段过梁爆破均匀而且密度较高，有利于减少灰斑出现的概率，保证接头的焊接质量。
（3）适当的提高顶锻阶段合缝量，有利于将端面液态金属层和金属氧化物最大程度的挤出去，降低露头型灰斑出现的概率。
（4）GAAS 80/580焊机参数调试思路较多，可根据试验情况，针对不同阶段的参数进行合理的组合，通过试验验证得出合适的工艺参数。
参考文献
[1]许建学.浅谈GAAS80/580闪光焊机工艺参数的优化[J].甘肃科技,2014,30(10):54-55+105.
[2]牛小革.U75V钢轨焊接工艺参数的调试与比较[J].铁道建筑,2005(08):53-54.
[3]田瑞杰,李厚一,熊阳,戴晓纲,周友龙.U75V钢轨闪光焊接头落锤断口缺陷分析[J].电焊机,2019(03):85-88.
[4]王振强,朱峰,杨华,牛小革.GAAS80焊机和U71Mn钢轨的焊接工艺试验[J].铁道技术监督,2014,42(11):32-36.
[5]丁韦,宋宏图,骆德阳,刘艳红.U75V钢轨闪光焊工艺研究[J].热加工工艺,2010,39(09):135-137.
[6]刘文源,盛花,龙作虹,骆德阳.U75V钢轨连续闪光焊焊接工艺研究[J].铁道建筑,2005(08):71-73.
[7]张铭达.GAAS80/580焊机工艺参数设置对U71Mn钢轨焊接质量的影响[J].铁道建筑,2018,58(12):139-142.
论文作者:康弘宇
论文发表刊物:《城镇建设》2020年2期
论文发表时间:2020/3/17
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