閃光焊及缺陷

1、 閃光焊原理及焊接缺陷 一、閃光焊的基本概念和特點 閃光焊也稱接觸焊，是兩個金屬工件端面接觸，通過端面的接觸點導(dǎo)電，接觸電阻產(chǎn)生的電阻熱加熱工件端部，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時，工件接觸面的金屬熔化形成液態(tài)金屬層，通過外加縱向力擠出液態(tài)金屬，并使高溫金屬產(chǎn)生塑性變形，在結(jié)合面產(chǎn)生共同晶粒，獲得致密的熱鍛組織形成對接街頭。 (一) 閃光焊的基本概念 1. 閃光的形成過程在金屬焊件相互靠近的過程中，端面間一些相互突出的凸點首先接觸，電流從這些接觸點通過時，由于導(dǎo)電面積突然減小，造成電流線彎曲與收 圖1 閃光面的接觸點縮從而形成了接觸電阻，如圖1所示。這些小接觸點的電阻很大，電流流過時被迅速加熱、熔化，形

2、成一個個液體金屬過梁，這些金屬過梁將熱量傳入焊件的內(nèi)部。每個過梁都存在液態(tài)表面張力、徑向壓縮效應(yīng)力、電磁引力和電磁斥力的作用，徑向壓縮力與流過過梁的電流強度平方成正比，在這些力的作用下過梁直徑減小，電流密度急劇增大，溫度迅速上升，使過梁內(nèi)部出現(xiàn)金屬蒸氣。金屬蒸氣使液體過梁體積急劇膨脹而爆破，熔化的金屬微粒從對口間隙中飛濺出來，形成了飛濺的火花。爆破后的位置留下一定深度的火口，為臨近產(chǎn)生過梁創(chuàng)造了條件。閃光過程就是焊接端面不斷產(chǎn)生液態(tài)金屬過梁又連續(xù)不斷的爆破過程。2. 閃光的作用（1）加熱焊件。閃光過程中金屬液體過梁的電阻熱和過梁爆破時一部分噴射熔滴飛濺到對口面上帶來的熱量對焊件加熱。（2）燒掉

3、焊件端面上的贓物和不平之處。因此也就可以降低焊接前對焊件端面的打磨要求，用手提砂輪粗打磨即可。（3）金屬的液體過梁爆破時產(chǎn)生的高壓力、金屬蒸氣及CO、CO2氣體形成了保護(hù)氣氛，減低了焊件端面間隙中氣體介質(zhì)的氧化能力。 （4）閃光后期，焊件斷面形成液態(tài)金屬覆蓋層，為頂鍛時排除端面的氧化物和過熱金屬提供了有利條件。3. 獲得閃光對焊優(yōu)質(zhì)接頭的條件（1）閃光過程不出現(xiàn)閃光中斷，加速燒化時閃光穩(wěn)定、激烈，有良好的保護(hù)氣氛。（2）焊接端頭應(yīng)形成足夠的加熱區(qū)和適當(dāng)?shù)?、均勻的溫度梯度；斷面溫度均勻。?）焊接端面要有足夠的塑性變形區(qū)。（二）鋼軌閃光焊鋼軌閃光焊接按照閃光過程的特征分為連續(xù)閃光焊、預(yù)熱閃光焊、

4、脈動閃光焊三種類型。1. 連續(xù)閃光焊圖2 連續(xù)閃光焊曲線圖2是鋼軌連續(xù)閃光焊接過程，它記錄有電壓、電流、力、位移四個主要焊接參數(shù)與時間的關(guān)系，從圖中可見，其焊接過程中的焊接電流是連續(xù)的。焊接中期閃光電流穩(wěn)定在100200安培（焊接變壓器初級電流），動架夾持鋼軌送進(jìn)穩(wěn)定，焊接壓力值恒定，位移是一條斜線。連續(xù)閃光焊分為預(yù)閃、連續(xù)閃光燒化、加速閃光燒化、頂鍛、鍛壓（保持）五個階段。預(yù)閃的作用有二：一是閃平鋼軌傾斜的端面、使隨后開始的焊接過程保持全斷面接觸閃光；二是對鋼軌端面預(yù)加熱，減少焊接初期不穩(wěn)定閃光時間。連續(xù)閃光焊的主要焊接參數(shù)有：焊接時間、焊接電壓變化程序、燒化速度、燒化末速、反饋電流、頂鍛量

5、。加速燒化是頂鍛前的重要階段，加速燒化時間和加速末速是重要的焊接參數(shù)。2. 預(yù)熱閃光焊預(yù)熱閃光焊的主要焊接階段有：閃平、預(yù)熱、閃光燒化、加速燒化、頂鍛和鍛壓。圖3是預(yù)熱閃光焊記錄曲線，記錄的主要參數(shù)有焊接壓力、焊接電流、位移和時間的關(guān)系。預(yù)熱過程是加熱鋼軌的主要階段。 圖3 預(yù)熱閃光焊記錄曲線3. 脈動閃光焊圖4是脈動閃光焊記錄曲線，記錄有焊接壓力、焊接電流、位移和時間的關(guān)系。脈動閃光焊與連續(xù)閃光焊相比較，其閃光過程中幾乎沒有過梁的自發(fā)爆破現(xiàn)象；在加熱鋼軌的主要階段，閃光電流是不連續(xù)的。在焊接過程中它跟蹤的是電阻、電流；燒化過程中焊接電流與送進(jìn)速度無關(guān)；燒化過程的送進(jìn)油壓是脈動的。 圖4 脈動

6、閃光焊曲線 （三）焊接參數(shù)調(diào)節(jié)功能1. 電壓的調(diào)節(jié)焊接電壓（焊接變壓器次級電壓）是決定鋼軌加熱狀態(tài)的基本焊接參數(shù)，它可以顯著地改變焊接時間和鋼軌的溫度梯度分布以及閃光過程的穩(wěn)定性，穩(wěn)定的閃光過程是具有很細(xì)小的過梁尺寸和火口深度。結(jié)合焊接過程選擇適合的電壓是很重要的。焊接電壓增高，則焊接電流增大，閃光過程也就更加激烈；會形成大尺寸的過梁爆破，造成大量熔化金屬的飛濺，使鋼軌端面的加熱深度減小，火口的深度加大，導(dǎo)致端面溫度分布不均勻，不能形成良好的焊接接頭。當(dāng)焊接電壓較低時，焊接電流減小，將導(dǎo)致鋼軌送進(jìn)速度大于閃光燒化速度，易出現(xiàn)鋼軌焊接端面短路。2. 反饋電流的調(diào)節(jié)穩(wěn)定的閃光燒化是通過焊接電流的反

7、饋進(jìn)行控制。閃光初期，可能出現(xiàn)一次或幾次較大的短路電流，它與焊接電源功率、鋼軌焊接回路阻抗、鋼軌端面接觸面積、及鋼軌初始溫度有關(guān)。在以后的低電壓閃光階段一般不應(yīng)出現(xiàn)閃光中斷；在加速燒化閃光階段也不應(yīng)出現(xiàn)閃光中斷。頂鍛前出現(xiàn)閃光電流短路或斷路都將會影響焊接接頭質(zhì)量。3. 加速燒化加速閃光燒化過程是焊接循環(huán)必不可少的一個階段，也是頂鍛前的重要階段，加速時間和加速末速是重要的焊接參數(shù)。加速使鋼軌端面接觸的觸點增多，形成過梁的爆破也逐漸激烈，可以看到激烈的火花飛濺。激烈的閃光能夠形成良好的保護(hù)氣氛，為頂鍛創(chuàng)造了良好條件。加速閃光燒化階段通常是切斷電流反饋控制，或加大反饋電流值。4. 頂鍛和鍛壓頂鍛量、

8、頂鍛時間、頂鍛力是重要的焊接參數(shù)。頂鍛過程通常分為兩個階段：（1）有電流頂鍛。該階段是在通電狀態(tài)下進(jìn)行的，以保證鋼軌端部的溫度并有利于液態(tài)金屬及氧化物夾雜的排出。帶電頂鍛時間通常設(shè)置在0.5秒1.2秒，時間長一點有利于液態(tài)金屬及氧化物夾雜的排出。（2）無電流頂鍛。該階段是在切斷電壓（實際上是切斷電流）后，繼續(xù)保持頂鍛壓力，使液態(tài)金屬及氧化物夾雜徹底被擠出，并排除過熱金屬，使焊縫繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，形成致密的焊接接頭。頂鍛壓力的大小取決于鋼軌的斷面尺寸、材質(zhì)的高溫性能和鋼軌的加熱狀態(tài)及加熱區(qū)的分布。頂鍛力過小，夾雜物不容易排凈，塑性變形不足；頂鍛力過大，則塑性區(qū)被過分?jǐn)D壓，晶紋彎曲，接頭沖擊性能下

9、降。頂鍛開始的合縫速度（頂鍛速度）應(yīng)越快越好，以防止端面氧化。頂鍛速度應(yīng)大于30mm/sec。二、鋼軌閃光焊接頭缺陷分類及形成的原因 焊接接頭缺陷包括兩類，一類是焊接加工造成的，另一類是鋼軌外形尺寸偏差造成的。（一）閃光焊接頭的組成焊接接頭是由焊接區(qū)和毗鄰的鋼軌母材構(gòu)成的，焊接區(qū)又劃分為焊縫和熱影響區(qū)，其力學(xué)性能差于鋼軌母材。1.焊縫 焊縫實際上是一層垂直于鋼軌縱向的金屬薄層，寬度只有零點幾毫米，垂直于鋼軌縱向。在焊頭精加工后的宏觀照片上，焊縫是一條白線（見圖5）,它是一層氧化脫碳的貧碳層，金相組織是珠光體和少量的網(wǎng)狀鐵素體，硬度低落較大。2.熱影響區(qū)（HAZ）熱影響區(qū)分為粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、不完

10、全重結(jié)晶區(qū)。粗晶區(qū)是焊接高溫（1200左右）形成的過熱區(qū)，其奧氏體晶粒粗大，該區(qū)金屬硬度高、塑性和韌性差。細(xì)晶區(qū)是焊接溫度小于1000正火區(qū)，晶粒較細(xì)，該區(qū)金屬塑性和韌性較好。不完全重結(jié)晶區(qū)又稱為部分相變區(qū)，其晶粒大小不一。熱影響區(qū)對稱分布焊縫兩側(cè)，總寬度約40mm左右。圖5是精加工后焊頭縱向板宏觀照片，焊縫兩側(cè)白色影線之間區(qū)域是熱影響區(qū)。 圖5 焊縫及熱影響區(qū)宏觀形貌 （二）外觀質(zhì)量缺陷1.表層灼傷此類缺陷分為打磨灼傷和電極灼傷（打火）。（1）打磨灼傷：鋼軌焊接的頂鍛階段是閃光焊機夾持兩根鋼軌縱向加力，將焊接端頭液態(tài)金屬和過熱塑性金屬擠出、凸出鋼軌表面。為了獲得良好的外觀質(zhì)量和平直度要求，必

11、須用砂輪機進(jìn)行打磨。圖6是焊機推凸后焊頭外觀及粗磨后外觀。圖6（a） 粗磨前焊頭外觀圖6（b） 砂輪機打磨圖6（c） 粗磨后的軌頭外側(cè)和軌底角當(dāng)手持砂輪長時間的用力打磨已經(jīng)完全冷卻焊頭某個部位表面時，極易形成表層馬氏體組織并伴隨有微裂紋。圖7是打磨過熱引起鋼軌的軌腰水平縱向裂紋，此焊頭是在地鐵線路探傷時發(fā)現(xiàn)的。 圖7 縱裂通過對此焊頭檢驗分析，馬氏體白層的硬度值達(dá)到752HV，而基體的硬度值僅為283HV。在內(nèi)應(yīng)力作用下，裂紋疲勞擴(kuò)展成縱向裂紋。焊頭溫度在200以上打磨時出現(xiàn)的發(fā)藍(lán)現(xiàn)象與打磨灼傷是不同的兩個概念，發(fā)藍(lán)是打磨表面迅速氧化形成的。（2）電極灼傷：只發(fā)生在焊機電極與鋼軌接觸的導(dǎo)電部位

12、，它是電極與鋼軌接觸不良或存在殘渣，在焊接開始出現(xiàn) “灼傷”或“打火”而產(chǎn)生馬氏體、滲銅現(xiàn)象，并會留下明顯灼傷痕跡。其危害是鋼軌在線路上斷裂。移動閃光焊的焊機電極是在夾持軌腰部位（距離焊縫約8cm之外位置），當(dāng)軌腰與電極接觸不良時，通電后的電流會立刻將電極與軌腰接觸的局部區(qū)域加熱升溫，導(dǎo)致該處軌腰過熱，基體金屬組織發(fā)生變化。由于此位置處在正火范圍之外，也就不可能通過正火解決其組織變化。固定式焊機電極是上下夾持軌頂和軌底，常在軌底及軌頂出現(xiàn)電極灼傷。圖8是K型焊機焊接再用軌時軌頂電極灼傷。圖8 鋼軌頂面電極灼傷軌底“打火”是最嚴(yán)重的電極灼傷。產(chǎn)生“打火”的原因有兩個：一個是在鋼軌壓緊的過程中焊渣

13、落入電極面上，壓緊鋼軌時，焊渣被鋼軌壓在電極面上；另一個原因是鋼軌對中過程中焊機鉗口再次壓緊鋼軌之前，軌底存有從下電極的定位螺栓孔中吸附的焊渣,二次壓緊鋼軌時，焊渣被壓在電極面上（最新GAAS80/580焊機已改進(jìn)）。圖9是軌底打火斷口（疲勞）宏觀形貌特征，斷口的軌底半月形黑區(qū)為打火點。圖9(a) 軌底與焊機電極打火斷口（軌底黑區(qū)為打火點）圖9（b） 打火點斷口形貌 4.4× 圖9（c） 打火點金相組織:馬氏體 1000× 2.推凸缺陷(1)閃光焊接頭的推凸過程固定式焊機通常有4把推凸刀分別對軌頭、兩側(cè)軌腰和軌底梯級推除頂鍛后接頭的凸出量。圖10顯示的是GAAS80焊機的推

14、凸過程。圖10（a） 鋼軌頂鍛完成后（推凸前）形成的接頭 鋼軌輪廓外突出的紅熱的高溫金屬、毛刺和焊渣,溫度大約1200。 圖10（b） 推凸刀正在推凸 圖10（c） 推凸完畢(2)推凸余量導(dǎo)致的缺陷兩根焊接軌的斷面尺寸不可能完全相同，總是存在偏差，因此推凸刀和鋼軌斷面之間必然存在間隙。當(dāng)推凸刀將頂鍛擠出的高溫金屬推凸到焊縫另一側(cè)鋼軌表面時，會形成舌狀包邊，緊緊粘在鋼軌表面，相當(dāng)于一個尖劈，出現(xiàn)應(yīng)力集中。它會造成在線路上焊頭早期疲勞斷裂，這種推凸缺陷與推刀是否鋒利、鋼軌的外形尺寸偏差和錯邊大小相關(guān)聯(lián)。圖11是推凸缺陷導(dǎo)致焊頭折斷的照片。圖11（a） 疲勞斷裂的斷口形貌圖11（b） 疲勞斷口側(cè)面的

15、宏觀形貌從圖中可以看到疲勞區(qū)與推凸余量的關(guān)系,殘存的熔渣為疲勞源。圖12 是焊頭的軌底未打磨而殘存有舌狀包邊引起的焊頭疲勞斷裂。圖12 疲勞斷口宏觀形貌從圖中看出，疲勞源在軌底中間位置，存在應(yīng)力集中，是疲勞裂紋核心產(chǎn)生的策源地。在低倍下觀察扇形疲勞區(qū)的底邊有明顯的分層；金相觀察發(fā)現(xiàn)，斷裂源處的金相磨面上有大量的孔洞和夾雜；斷裂源處的金相組織形貌有明顯的氧化脫碳特征。推凸過程中推刀將冷卻的焊渣擠入炙熱焊頭基體會形成“夾渣”缺陷。（三）內(nèi)部質(zhì)量缺陷1.灰斑灰斑是允許存在的缺陷，但是其面積大小有限制?；野咧皇浅霈F(xiàn)在焊縫面，呈現(xiàn)平的和光滑的形貌，國外稱其為平斑（flat spot）。U71Mn鋼軌焊頭

16、焊縫斷面上的灰斑是無光澤的，U75V鋼軌焊頭焊縫斷面上的灰斑是光亮的?；野叩男纬稍蛘f法不一。一種意見認(rèn)為是與氧化物有關(guān)，依據(jù)是用電子探針在灰斑的夾雜物中發(fā)現(xiàn)其主要成分是SiO2和MnO。 等人曾測定過閃光端面保護(hù)氣氛的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)這種氣氛中含有少量O2(<2%)和大量CO、CO2氣體，這種少量O2仍然可以使焊接端面的熔化金屬發(fā)生氧化，尤其是液態(tài)高溫金屬的溶氧能力強，更容易被氧化。因此，加速燒化速度過慢也會出現(xiàn)灰斑。另一種意見認(rèn)為熔化凹坑（火口）中液態(tài)金屬成分的改變是這種缺陷產(chǎn)生的原因。頂鍛時，在較深的熔化的凹坑中，液態(tài)金屬被封閉而不能排擠出，成為一薄層，并出現(xiàn)成分不同的區(qū)域。 不可否

17、認(rèn)的是灰斑和焊接工藝有關(guān)：加速燒化速度慢、頂鍛合縫速度慢、頂鍛前的燒化過程出現(xiàn)大的脈沖電流或出現(xiàn)斷路都可能出現(xiàn)灰斑缺陷?；野呖梢猿霈F(xiàn)在焊縫斷面任何位置，當(dāng)出現(xiàn)在軌頭時，其成分中含有的硅酸鹽夾雜物在運營線路中會產(chǎn)生應(yīng)力集中，并以此為核心發(fā)展成縱橫向裂紋形成核傷。圖13是焊縫斷面軌底位置的灰斑。圖13 (a) U75V鋼軌的焊縫斷面灰斑（多個灰斑）圖13（b） U75V鋼軌的軌腳處焊縫斷面灰斑（露頭灰斑）圖13(c) 落錘斷口焊縫位置灰斑 (圖中箭頭指處) 最近幾年也曾多次發(fā)現(xiàn)軌頭焊縫處的非金屬夾雜物所引發(fā)的核傷，而灰斑中存在著硅酸鹽夾雜物，并且分布是不均勻的，在某些部位是富集的。夾雜物處產(chǎn)生應(yīng)力

18、集中并以此為核心，發(fā)展成疲勞裂紋，形成核傷。下圖是灰斑的金相組織,無規(guī)則黑色塊狀物為硅酸鹽夾雜。圖13（d） 灰斑金相組織 2.裂紋裂紋的產(chǎn)生與焊接工藝、環(huán)境溫度、冷卻速度有關(guān)。在低溫焊接時，應(yīng)采取有效的預(yù)熱和保溫緩冷措施。車間內(nèi)焊接鋼軌時，焊縫冷卻速度基本穩(wěn)定在1/sec左右，不會產(chǎn)生馬氏體組織，也就不會出現(xiàn)焊接微裂紋引起的脆性斷裂（除非存在嚴(yán)重成分偏析）。裂紋常分為熱裂紋和低溫裂紋。低溫裂紋與馬氏體組織及應(yīng)力有密切關(guān)系。熱裂紋是焊縫金屬處于高溫狀態(tài)、強度較低時，受到外力、超過了該溫度范圍內(nèi)焊縫金屬的強度極限，將產(chǎn)生裂紋或斷裂。其表面呈現(xiàn)氧化藍(lán)色。左圖是起源于軌腰熱裂紋引發(fā)的焊頭橫向斷裂。

19、移動閃光焊的焊縫或熱影響區(qū)出現(xiàn)的裂紋主要是熱裂紋，其斷裂面有明顯的高溫氧化特征（黑色-藍(lán)色）。裂紋常起源于軌腰,向軌頭或軌底發(fā)展。斷裂的原因是焊接接頭在高溫狀態(tài)下（焊后或正火）受到縱向張拉力。3.微量馬氏體它與鋼軌母材中C、Mn、Si、V等元素偏析相關(guān)聯(lián)。經(jīng)過焊接熱循環(huán)作用，其偏析會加重，如果出現(xiàn)在近縫區(qū)，即使在正常的冷卻速度也會出現(xiàn)不連續(xù)的馬氏體組織。圖14是U76NbRE鋼軌焊頭中出現(xiàn)的微量馬氏體金相照片。如果微量馬氏體存在軌頭位置，微量馬氏體伴隨的微裂紋在運營線路上就會形成危險的核傷。參看圖16，嚴(yán)重的成分偏析出現(xiàn)馬氏體，在內(nèi)應(yīng)力作用下形成裂紋源，裂紋疲勞擴(kuò)展而斷裂。 圖14 軌頭焊縫和

20、近縫區(qū)金相組織（100×） 圖15 上圖中的馬氏體組織放大（400×）圖中從左到右的5個維氏硬度測點分別為321HV、524HV、603HV、358HV、345HV,其中第二、三點是馬氏體的硬度。進(jìn)一步用掃描電鏡分析馬氏體成分，其中Mn含量達(dá)2.14%，超過鋼軌標(biāo)準(zhǔn)1.20%的Mn含量近一倍；稀土La(鑭)的含量達(dá)1.92%、Ce(鈰)的含量達(dá)2.00%，均已大大超過鋼軌標(biāo)準(zhǔn)要求0.023%的含量。 圖16 軌頭馬氏體引發(fā)的疲勞斷裂（箭頭指處為疲勞源） 4.過燒缺陷過燒是組織缺陷，輕度過燒呈現(xiàn)很細(xì)小的炭黑斑點，嚴(yán)重過燒成黑色蜂窩狀組織。其起因是：頂鍛前的鋼軌端面液態(tài)金屬層厚薄不均勻；焊接端頭的溫度梯度陡，縱向沒有足夠的塑性變形區(qū)；頂鍛時的鋼軌端面過熱熔渣未完全擠凈形成過燒組織。過燒常常出現(xiàn)在軌底和軌腳位置。 焊接前鋼軌端面垂直度偏差大，造成頂鍛前的鋼軌斷面溫度嚴(yán)重不均，頂鍛時的鋼軌端面過熱熔渣未