张建新郭俊文
摘要：本文对钢轨接触焊灰斑的生成机理进行了论述，同时还就在工艺上如何减少灰斑进行了方向性的分析。
关键词：钢轨接触焊、灰斑、生成机理、焊接工艺、减少
引言
1.概说：灰斑是钢轨接触焊工艺中一种特有缺陷，也是该工艺中的主要缺陷。在落锤试验（或静弯试验）中，沿着断裂脊的方向，可以看到灰斑经常是断裂源。由于钢轨钢向高合金高强度的方向发展。灰斑对于落锤试验的合格已形成越来越大的威胁。一个面积不超限的灰斑也会使试验不合格。
观察到灰斑产生的位置常在钢轨中和轴以下，特别是在轨底两脚处和轨底三角区上，但这并不表明轨头上没有，因为钢轨正立位断裂的走向，在中和轴以上不是正断，而是剪断断裂离开了熔合线，所以我们观察不到。在役钢轨的核伤（白核黑核）也许与轨头的灰斑有关。但由于疲劳过程裂口的反复张合，已使灰斑形貌荡然无存。
在分析接触焊断口时，我们也常以灰斑来确定熔合面的位置，然后观察两边过热区晶粒张大交错撕裂的情况。如果焊缝经过正火，则断面的撕裂状就不明显了。
2．灰斑形貌的分析
灰斑的平面几何形状，出现的位置和反光亮度（灰斑面的平滑度）是不相同的，其危害也不相同。铁科院陈大中等对灰斑的电镜形态做了详细的研究，这里试图把宏观形貌和显微形貌结合分析。
灰斑在断口上明显地与周围金属的断裂面不同，但应与硫化物夹杂相区别，钢中硫化物夹杂在顶锻时，受纵向向横向挤压，其缺陷面与熔合面有近似45度的角度，且缺陷面上有木纹状条带。通常我们不认为它是灰斑。从灰斑的几何形态来说，有圆形，常出现在挤出阻力各向均等的轨底三角区，还有长圆形，长条形，由于顶锻的作用向流出阻力小的方向拉长的迹象，我们可以看出它们原来是圆形。其反光的亮度，从暗灰，灰，至发亮，也表征灰斑面上的平整度。颜色越暗表明电镜下的韧窝组织越多。即硅酸盐夹杂型灰斑，这种灰斑在小试样拉伸时强度下降不多，只比母材下降5%左右。而至发亮则属于枝晶露头型灰斑，既空洞型灰斑，它的Rm下降就很多。一般大多数灰斑均属前者，所以做静弯试验易合格，而做落锤这样的冲击试验，加载速度很快，则不易合格。
还有一种灰斑几何形状在顶锻挤出方向，呈大片直向挤出，其挤出方向边线非常直，看不出原来是由圆形演变而成。且反光亮度呈银白色，这是熔合面上液态层的残留电镜分析是氧化亚铁，属氧化铁型灰斑。它的强度也很低。一般出现时面积较大，静弯，落锤均不合格。
1．灰斑产生的机理
1.1概说
关于灰斑产生的机理，国外文献很少提到，这可能是因为a.国外只做静弯试验，灰斑对静弯影响小，达到合格值后不压断。b.国外钢轨硅锰铝金属含量低，一般强度级较低，且有相当多的铬镍合金轨，接触闪光焊时不易产生灰斑。c.国外冶金技术水平高，钢中夹杂物含量少。在中国用接触方法焊接钢轨仅有三十多年的历史，对灰斑的产生机理还处在经验阶段，因此有不同的看法，归纳起来有三种：a.火坑残留说b.顶锻挤出说c.钢材疏松杂质说。
1.2火坑残留说
接触闪光焊的本质是液态金属过梁的爆破，爆破后过梁的两端，各留下一个圆形的坑，称火坑。如果爆破剧烈出现火坑较大较深。随后该处即不参与后续闪光过程，而坑内的硅锰铝三种元素，电极电位均高于铁，与侵入空气中的氧反应成硅铝酸盐，该盐熔点高，生成后呈固态流动性差，钉扎在融化面上，如果坑深，在顶锻时不易排挤出而残留，从而生成硅酸盐夹杂型灰斑，如果坑中来不及氧化（形成离顶锻时很近）顶端力不够大则为枝晶露头型灰斑。支持这种说法的是，如果将闪光中断，可以见到接触焊两端面密密麻麻的大小对称的圆坑，从断口的灰斑几何形状看，也可看出是圆形挤压形成。
从以上分析来看，就要求闪光不能过于剧烈，要求细密而不中断,K系焊机（乌克兰机）和Z系焊机（瑞典机）都采用脉冲闪光技术，对大闪光电流进行干扰不使它生成。因此这两种焊机产生灰斑的几率较低。而G系焊机（瑞士机）采用电流反馈控制由于液压反应的滞后和电路系统滞后，我们常见到闪平过程中电流已经超出予设值，而液压滞后不能后退，持续12.2秒的大电流。这就是G系列焊机灰斑较多的原因。因此对它在烧化阶段的几个参数的匹配是很重要的。在这方面侯启孝等采用正交法优化参数是一个很好的方法。
在笔者单位对G系焊机的电路系统滞后问题进行成功的改进，它的基本原理是焊机是一个变化电流的感性负载，感性负载的特点是反馈控制要降电流时，磁场反而要产生一个暂短的升电流，使闪光更剧烈，这样就需要接入电容，使负载电感量下降。但是由于电路中反馈控制的晶闸管不断变化导通角，产生高次谐波电流通过电容，使电容负荷加大，电容很快被击穿。因此要补入电容首先要消除高次谐波，才能使这个功能实现，经过改进后的供电，闪光阶段的电流高峰显著削低，过剧烈的闪光被抑制。此后将出专文介绍这项改进。
从以上分析可见，闪光接触焊中火坑是必然要发生的，减少大火坑的生成是关键，另外在顶锻过程中强化挤出也是必须的。
1.3顶锻挤出说：
闪光焊末期的火坑总是存在的，如果火坑浅或位于对接面的边缘，可以靠顶锻挤出，我们看到灰斑在金属挤流阻力小的方向上变作长圆，甚至露头到边界，即支持这种说法。但是过深的或是位于断面中部的火坑，完全靠顶锻排出是困难的。为了强化顶锻挤出，使顶锻量加大，在G系列机上设置预热参数时，采用大热量投入的方法，如预热电压高，加热时间长，次数增多。这样做，往往使轨端温度场梯度减少，即端面与其后温差减小，顶锻时镦粗量很大，但包含端面后变形量很大，使前端挤出效果反而差，称为顶锻前基底软，这时留下灰斑面积大，流动感强，除也呈长条形外，其边界完全是直线，无一点圆弧线，灰斑表面更平坦，呈银白色，表明是液态挤出的残留物，即电镜下的氧化亚铁型灰斑。这时对加大顶锻量来说是一个误区。美国焊接学会的焊接手册三分册对顶锻量在前后端的分布提出一个判别方法，即顶锻后凸出部位的外廓线与纵轴线的角度应在45~80度之间。
1.4钢轨材料缺陷说
在现代计算机控制的钢轨专用焊机上（如Gaas80/580）用同一程序号工艺参数焊同一批量的钢轨，其断口上的灰斑数量和面积出现较大差异。从工艺执行的记录曲线上看，参数执行的重复性非常好，这就不得不考虑到材料因素，特别是钢轨生产工艺由模铸改连铸后，这种情况更突出。模铸时是A段轨易出现灰斑，焊接质量差，连铸时在同一根钢轨上差别即很大，但对上述现象存在，还没有深入研究。下面我们先作一理论上的推测。
让我们来设想钢轨断面上有疏松和夹杂区域在闪光过程中的状况：端面上电流密度的分布与合金成分，带状夹杂与疏松相关，因为该区域电阻值偏大，电流密度小，在烧化时是滞后的，没有发生闪光，但随后成为一个凸出点，在两端面电路中成为一个过近的触点。由此形成一个大电流密度，而这个区域又有熔点低，熔融后塌陷大的特点，因此产生一个大火坑，而火坑中又有较多硅锰硫铝元素，化学性质比铁元素活泼，它们与氧或液态氧化亚铁反应生成复合硅酸盐，积聚超过平均成分几倍至几十倍的合金元素氧化物，最后留下的就是灰斑。如果上述机理成立，钢轨材料夹杂物和微区偏析，可焊性就差。从合金系列上讲，由于铬镍元素没有铁元素化学性质活泼，所以铬镍系钢轨比硅锰系钢轨可焊性要好，灰斑形成几率要低。
2.在Gaas80/580机上从焊接工艺参数上减少灰斑的方法
2.1在预热阶段调节好温度场
为了说明这个方法，我们先来研究钢轨在闪光和短路电流下热量析出的规律。闪光加热时大部分热量的析出在钢轨的对接面，通过热传导向后传，其温度场梯度大，而短路加热电流很大，在两钳口之间的钢轨都被加热，主要热量析出在钳口间的一段钢轨上，温度场梯度要小一些，所以多次短路预热的结果是梯度变小，这对顶锻要求，前端多排挤以减少灰斑是不利的，尽管预热之后还有闪光，但对电路中温度高电阻大析热多，这样反复叠加累积效应仍是不够的。这时应注意到一个参数，即预热短路前的快闪时间（参数号04#）它在短路前还要闪一下，记录曲线上出现一个毛刺，以往觉得没什么用，又出现毛刺不好看，把它设置的很短，在1秒以下，0.9，0.8秒，不让它发生闪光，实际上它对短路预热析出热量的分布关系很大，如果设置到1.3秒可以发生闪光，使对接面上的温度升高，短路预热的梯度就会加大，一直影响到顶锻时的梯度。另外在预热闪光时还能适当地烧去钢轨的热膨胀量约1mm，使得预热阶段转到烧化阶段，闪光平稳不出现过大的电流。预热的快速闪光时间设置以烧去部分热膨胀伸长量为宜，不可过长。另外预热次数也是一个很重要的参数，在侯启孝几轮正交试验中都被列做前三位影响因素。一般来讲合金轨电阻大，相应电压低一些，次数要增多一些。
2.2烧化阶段参数匹配
烧化量、电压、电流和烧化极限速度四个量，可先凭经验确定，试焊基本满意后，用小正交试验得出最佳匹配值。需要注意的是：加速烧化段的烧化量和末速，因为这段闪光很激烈，需要认真考虑，在正交试验时，它们往往是重要的影响因素，勿使其过于激烈，减少大火坑的出现，并建立合适温度梯度的温度场过度到顶锻阶段。
2.3顶锻
综上所述顶锻不是生成灰斑的原始原因，但可以最大限度的减少它。增加顶锻过程中的前端挤出量，可将对接面的火坑排挤到钢轨轮廓线外。
在这阶段的工艺参数的特点是a.快速顶锻时位移量定得大一些，调节快速顶锻时间（顶锻阀开启时间），使它起限制作用，让它一般顶不到这个走行量，留有余地，这样适应不同的加热状态，前端的变形量可以大一些。b.在快速顶锻后的有电流顶锻中，增加有电流的时间，通常为1秒可增至1.5至2秒。电压也可以升高，使前端热的金属进一步析出热量，提高温度加强在前端挤出，以利于灰斑的排出。
3.结语
本文就钢轨闪光焊中的灰斑生成机理提出一些解释，同时对减少灰斑提出一些方向性的办法。但钢轨的闪光焊工艺至今仍然是通过试验来确定的，是一项试验技术，在理论上还很不成熟。
我们采用上述思路制定U75V、BNbRe工艺在试验和中能达到60%~70%试样灰斑为O，其余的试头灰斑也不超出部颁标准，锤数也合格。
参考资料
1陈大中等钢轨接触焊灰斑缺陷的研究TY字0391号铁科院1989（6）
2候启孝等钢轨接触焊控制灰斑工艺参数的研究TY1122号铁科院1997（4）
3赵熹华《压力焊》北京机械工业出版社1988
4董平禹《钢轨闪光焊的质量问题》焊接学会第十届年会论文H-V-242001
5美国焊接学会清华大学译《焊接手册》第3卷