加熱均勻度對焊接質量的影響

張小路，鄒良甫

（廣州工務大修段，廣東 廣州 510100）

0 前言

在基地鋼軌焊接應用中，K系列焊機在我國已經有了多年的使用經驗，廣州工務大修段采用烏克蘭巴頓研究所的K1000焊機，采用脈動焊接工藝焊接鋼軌。在工藝調試過程中，曾經大批次地出現了三角區平齊斷口、軌腳灰斑和軌腳過燒、三角區未焊合等缺陷，且發生概率特別高，導致落錘試驗遲遲不能滿足《鋼軌焊接》標準要求，無法正常投入生產。為此，研究尋找焊接缺陷產生的問題源，對于快速進入生產階段、穩定提高焊接質量十分重要。

廣州工務大修段技術人員在焊接缺陷成分分析、設備狀態、工藝調試方面采取了系列措施，通過實踐，最終發現焊接過程加熱程度不均勻，導致了工藝參數調試規律紊亂。通過從設備方面改進加熱過程的均勻程度，有效地消除了該批次試驗中的焊接缺陷。

1 型式檢驗未通過現象

鋼軌焊接型式檢驗過程中，落錘項目難以達到《鋼軌焊接》標準要求，在試驗接頭落錘斷口三角區或者軌腳位置易出現影響接頭質量的各種焊接缺陷。

1.1 三角區平齊斷口、小灰斑

工藝試驗調試初期，落錘不達標的原因是斷口三角區位置有小灰斑，如圖1所示，三角平齊斷口極易導致一錘斷。經分析其原因是：焊接過程熱量輸入不夠，接頭沖擊性能差。

圖1 三角區平齊斷口、小灰斑

1.2 軌腳易出現灰斑和軌腳過燒缺陷

針對三角區平齊斷口缺陷，從整體增大加熱過程中的熱輸入量。試驗仍然未能取得好的結果，因為又衍生出了其他類型的焊接缺陷，如圖2所示。

這兩種缺陷出現的原因是：軌腳兩側的熱量過多，在焊接加熱過程，軌腳兩側在閃光過程中遺留的火口較三角區深，難以消除。處理措施：微調輸入的熱量，即略微降低熱量輸入。

圖2 增大熱量容易出現的缺陷

1.3 三角區軌底側局部過熱

通過上述改進后，取得了一定的效果，軌腳易出現灰斑和過燒現象得以消除，但同時出現了三角區未焊合缺陷，如圖3a所示，且出現的頻次高。對此并未繼續調試工藝參數，而是檢驗此種缺陷成分，通過采用掃描電鏡觀察和能譜分析、金相分析方法，分析一錘斷的接頭試樣的傷損斷口宏觀形貌、裂紋源處的縱向金相組織、材質成分分析和性能檢，如圖3b所示。焊接接頭內軌底三角區靠近軌底表面存在夾雜疏松缺陷，缺陷的產生與焊接接頭在此處未熔合有關，一味增加頂鍛量的方式并不能解決此問題。

圖3 軌底斷口裂紋源處的宏觀形貌和能譜分析曲線

1.4 焊接缺陷對接頭質量的影響

上述幾種焊接缺陷無規律、高頻次的出現，各類缺陷對焊接接頭質量有著不同程度的影響，在接頭落錘試驗時尤為突出，如表1所示。

表1 電極契合程度不良缺陷導致的落錘不合格比例統計

2 缺陷產生原因分析

2.1 工藝參數分析

在保證三角區熱量足夠的情況下，難以控制熱量輸入調整幅度，軌腳兩側的熱量往往會有富余，則會衍生軌腳灰斑和過燒缺陷；而采取頂鍛的方式會遇到由于三角區的頂鍛變形量較軌底腳處小，在頂鍛過程中，因三角區的塑形變形應力先達到工藝參數值而迫使整個頂鍛過程結束，從而導致軌腳處的過燒缺陷未能被完全擠出焊口?？傊に囌{試時始終會遇到軌底腳過燒和三角區加熱輸入熱量的矛盾，則是加熱程度不均勻的問題，應該重新尋找問題源，從設備狀態方面排除工藝參數的干擾因素。

2.2 焊機加熱程度

確定了從焊機狀態方面查找加熱均勻程度不理想的根源后，經過多次、不同方面的檢查排除、分析嘗試，最后確定：觀察焊接過程完成后的軌底焊筋紅熱區如圖4所示，軌底板的兩側較寬，中間較窄。

圖4 焊接完成后軌底紅熱區

為明確問題根源，通過在電極和軌底板之間墊復寫紙，夾緊鋼軌后，觀察焊機電極壓痕，可以方便地判斷電極與鋼軌底面的契合程度是否正常。如電極與鋼軌契合程度在靜架和動架的復印效果如圖5所示。

由圖5可知，鋼軌底板中部與電極中間部位接觸呈現“中空”現象，脈動焊工藝交流電由于存在“趨膚效應”，加熱過程電流過梁的形成會優先在接觸好的部位即軌腳兩側進行，因此焊接過程完成后，軌底紅熱區就出現如圖4所示的現象。

圖5 電極與鋼軌底板接觸面積復印效果

3 缺陷消除措施

本次引起加熱程度不均勻的主要原因是,電極契合程度不良。導致電極契合程度不良的原因有：電極本身不平整，表面呈現內凹；焊接動架或者靜架油缸壓力不夠，不能保證夾持鋼軌、壓緊電極；母材軌底板本身上凹，與電機接觸的部位有“中空”現象。對于以上問題，通過重新加工電極，或更換動架或靜架油缸的密封件，使其壓力保持穩定；或更換母材等方法來消除設備本身問題，為工藝參數調試排除障礙。經過精心調試焊機電極契合程度之后，極大地改善了焊接溫度場的均勻一致性，有效減少和消除了該種焊接缺陷，后期落錘結果統計結果見表2。

表2 電極契合程度改良后的落錘情況統計

4 結論

（1）焊接過程中鋼軌端面加熱不均勻會引發灰斑、過燒等焊接缺陷。

（2）盡可能增大焊機電極與鋼軌底板的接觸面，排除設備異常狀況所帶來的干擾因素，為調試工藝參數做好準備。