钢轨闪光焊 技术 焊缝 伤损.doc

1 -闪光焊工作原理及钢轨焊头闪光焊工作原理及钢轨焊头一一、、什么是闪光焊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1.1. 闪光的形成过程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- 2 -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2.2. 闪光的作用闪光的作用（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、CO2气体形成了保护气氛，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3.3. 获得闪光对焊优质接头的条件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 0.6mm3）焊接端面要有足够的塑性变形区二二、、钢轨闪光焊钢轨闪光焊- 3 -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。

1.1. 连续闪光焊连续闪光焊图 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2.2. 预热闪光焊预热闪光焊- 4 -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3.3. 脉动闪光焊脉动闪光焊图 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- 5 -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三三、、焊接参数调节功能焊接参数调节功能1.1. 电压的调节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- 6 -布不均匀，不能形成良好的焊接接头；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2.2. 反馈电流的调节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3.3. 加速烧化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4.4. 顶鍛和鍛压顶鍛和鍛压顶锻量、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- 7 -性变形，形成致密的焊接接头。

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四四、、钢轨焊接热循环钢轨焊接热循环1.1. 焊接热源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:Q=0.24I2(Rc+2Rg)t式中： Q—总热量(cal)I—通过钢轨的电流（A）Rc—焊件端面的接触电阻（Ω）Rg—焊件内部电阻（Ω）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 Rg很小，接触电阻 Rc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- 8 -增大，导致钢轨端部热量最大，温度也最高2.2. 焊接热循环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2.2. 焊缝和热影响区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- 9 -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、焊接接头热处理五、焊接接头热处理1.1.热处理作用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- 10 -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)1)焊后正火焊后正火：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○ 1○ 2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℃○ 3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- 11 -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)2)焊后热处理焊后热处理: :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。