浅析钢轨闪光接触焊接缺陷的产生及预防
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摘要：由于焊接设备不稳定，工艺参数选择不当，钢轨几何尺寸超标，及钢轨母材材质等问题，焊接接头会产生各种缺陷，对焊接接头的质量产生较大的影响。文章分析了焊接缺陷产生的原因，并提出了相应措施。
中图分类号：U213
文献标识码：A
文章编号：1009-2374(2011)27-0097-02
济南焊轨基地白建立以来，就用GAAS80／580焊机采用闪光焊工艺焊接钢轨，这是一种生产效率高，质量最为稳定可靠的钢轨焊接方法，也是目前国内外使用最为广泛的一种钢轨焊接方法。但在焊接过程中，因为种种原因，焊接接头会产生一些缺陷。这些缺陷如不能及时消除，不但会影响焊接接头的使用寿命，还会给列车行车埋下安全隐患。
一、缺陷产生过程
钢轨焊接接头质量与钢轨材料和化学成分、设备、焊接工艺、人为因素有着密切关系。钢轨母材中硅锰元素含量较高或硅锰元素偏析严重时，闪光焊接时容易出现缺陷；设备状态不良或响应能力较差时，容易产生缺陷；焊接参数设置不当时，容易导致缺陷。在两钢轨接头焊接过程中，会产生一些内部缺陷，如灰斑、夹渣、未焊透、疏松、过热和过烧等，这些缺陷是肉眼观察不到的，必须通过一些如落锤、超声波探伤等特殊的手段才能知晓；在焊接(包括推凸)过程和以后打磨过程中钢轨表面也会有一些缺陷，如焊接接头接头错边、局部亏损或凹坑、表面裂纹、划伤、电击伤等，这些是肉眼可以观察到的，如果操作人员认真负责，这些表面缺陷是可以避免的。
二、焊接接头内部缺陷的产生原因和预防措施
内部缺陷的产生往往和母材材质、焊接工艺参数及设备有关，有些内部缺陷我们可以通过调整焊接生产线各工艺参数来控制或消除。
(一)灰斑
在焊接过程中，熔化的液态金属过梁爆破，形成大的火坑，在顶锻时来不及闭合；或者某些杂质元素氧化后没被挤出，从而形成灰斑。灰斑是钢轨闪光接触焊工艺中一种特有缺陷，也是焊缝中出现最多的缺陷。灰斑的存在使得钢轨成为非连续均匀介质，使得各种力学指标下降。大量的落锤试验表明灰斑多处在钢轨轨底脚和三角区，而且位置离轨底越近(或在轨底脚上)，危害就越大，其中最严重的是露头灰斑，往往是焊接接头断裂的裂纹源。如图1所示。灰斑不能完全消除，就GAASSO／580焊机而言，通过实验我们只有在加热阶段调整好温度场，使烧化阶段各参数相互匹配，增加顶锻过程中的前端挤出量，尽可能将过梁爆破的火坑挤出钢轨轮廓线外，才能降低灰斑的产生机率。
(二)夹渣
在焊接过程中形成的高熔点氧化物顶锻时没有从焊缝中挤出，则形成夹渣，再者如钢轨本身存在非金属夹杂物，在焊接过程中也容易出现夹渣。在烧化过程中尽量保持稳定，减少氧化，再采用合适的顶锻力和顶端速度能减少夹渣的产生。
(三)未焊透
未焊透是指钢轨母材之间未能完全结合的部分，是一种很危险的缺陷，从焊缝横断面来看它与灰斑没有明显区别，都呈现平面状，但二者成因却不同，未焊透产生的原因主要有：顶锻前钢轨加热不够或温度场过窄；顶锻力不够或顶锻量过小；或钢轨在顶锻时未夹紧、打滑；顶锻速度太低或带电顶锻时间过小等。增加顶锻压力和带电顶锻时问，调整送进速度可以控制未焊透的产生。
(四)疏松
疏松一般发生在半熔化区里，这个区域液相和固相并存，在顶锻力不足的情况下，冷却收缩产生的细小孔隙不能够被及时弥补，则会形成疏松。由于疏松区域夹杂物的聚集，使得钢轨接头的机械性能下降。要想减少疏松产生的机会，可以加大顶锻力及延长无电顶锻时间，减少伸出量及导热时问。
(五)过热和过烧
焊接时钢轨的加热温度过高或在高温下加热时间过长，加热温度不均匀，造成局部过热致使奥氏体晶粒长大形成过热，过热缺陷是可以消除的，我们通过后面的正火工位，采用适当的正火工艺对焊头进行热处理，使粗大的晶粒细化，增强焊缝的强度；过烧则是加热温度过高，晶粒急剧长大，晶粒边界熔化，是体积型缺陷，过烧基本在轨底角出现，如图2所示，轻度过烧呈细小黑灰斑点，重度过烧则呈黑色蜂窝状组织，产生过烧的焊缝无法补救，只能报废，锯掉重焊。
在生产线上我们依靠超声波探伤来判定焊接接头的内部是否存在缺陷，如果发现探伤结果有问题，通常按照落锤试件的尺寸将长钢轨中有问题的焊头锯切下来，进行落锤检验，观察断口并进行仔细的断口分析，判断产生焊接缺陷可能的生成原因，在实际生产中将这些可能因素逐一排除，进一步保证长钢轨焊接质量。
焊接接头的外部缺陷的产生除了和母材、设备有关，主要的还是人为因素造成的。
(一)焊接接头接头错边
如果待焊的钢轨端面几何尺寸存在较大偏差；或者钢轨存在扭曲变形、端面不对称；或者焊机对中装置出现偏差，而操作人员在选配轨和焊接时，未能协调配合好，往往会出现错边，如果错边超标，是不允许使用超范围打磨或矫直的方法纠正接头错边的。
(二)局部亏损或凹坑
使用手提砂轮机打磨时，局部打磨量过大；或推凸刀没有调好，在推凸过程中使钢轨伤损；或推凸过程中将焊渣挤入热态的接头中，在随后的打磨中焊渣脱落都能使钢轨表面出现亏损或凹坑。
(三)表面裂纹
除了未焊透和露头灰斑造成的焊缝裂纹之外，在推凸焊筋和热影响区也会出现一些微裂纹，这些裂纹是在顶锻和推凸双重变形的作用下产生的。我们可以通过增大推凸余量，增加打磨厚度，当推土余粮打磨掉后，多数微裂纹即被消除。
(四)表面划伤
钢轨被利器划伤，在划伤部位产生应力集中，如果划伤在钢轨底面，在拉应力的作用下，划痕也会成为裂纹源，这是很危险的。
(五)电击伤
电击伤在闪光焊接头中出现在钢轨和电极接触的部位，由于接触不良，导致点接触局部淬火，产生脆而硬的马氏体组织，如图3，图4所示。电击伤缺陷的存在不但使静弯、落锤检验不能达标，疲劳性能也同样恶化。对于己造成电击伤的钢轨，可根据情况实施补救措施，加以修复，但缺陷严重者(主要指轨底表面电击伤)不得放过。
只要操作人员认真负责，焊接接头的外部缺陷在生产线各工位都可能被发现并及时排除。
四、焊接缺陷的存在对列车运行的影响
焊接接头存在外观缺陷会使铁路轨道产生不平顺，特别是在列车高速运行条件下，严重影响列车运行的安全性、平稳性和舒适性。而焊接接头的内部缺陷是列车运行的隐性杀手，它们的存在使得焊接接头的机械性能和力学性能大大降低，在列车运行中，多种受力的作用下，承载后往往会引发裂纹，造成钢轨断裂，危及行车安全。
总之，在钢轨焊接过程中，我们要不断探索，选择最佳焊接规范，尽可能排除一切能产生焊接缺陷的因素，严格布控，确保钢轨的焊接质量，坚决杜绝有焊接缺陷的钢轨上道，满足铁路高速、重载的发展。