钢轨接触焊灰斑的生成机理及控制
通过对钢执接触焊灰斑形貌特征的描述和灰斑生成机理的分析，介绍钢轨接触焊工艺中控制灰斑
产生的方法。
关键词:钢轨接触焊灰斑焊接工艺
铁路钢轨接触焊质量检查结果表明，灰斑已成为无缝线路钢轨焊接接头中最突出的缺陷。在落锤和静弯试验中，灰斑是主要的断裂源。目前，由于在各国焊轨生产中还没有行之有效的灰斑无损检测手段，也不能借助热处理来消除，因此，必须加强对其生成机理的研究，寻求在工艺上消除灰斑的办法。
1 灰斑形貌特征
灰斑缺陷主要出现在轨底和三角区部位，形状极不规则，常见的有长圆形和长条形，其中长条形的原貌仍是圆形，只是由于顶锻作用使阻力小的边拉长所致。在焊 接 接 头断口上，灰斑典型的颜色是浅灰色和深灰色，表面较周围基体平坦，有时表面上还有大量的反光亮点。颜色越暗，韧窝组织越多，属于硅酸盐夹杂型灰斑;灰斑颜色发亮则属于枝晶露头型灰斑，即空洞型灰斑;若反光亮度呈银白色，属氧化铁型灰斑。
硅酸盐夹杂型灰斑对小试样拉伸强度影响不大，强度只比母材下降5%;空洞型灰斑对拉伸强度影响较大;氧化铁型灰斑强度很低，一般出现时面积较大，静弯、落锤试验均不合格。
大多数灰斑属硅酸盐夹杂型，静弯试验易合格，但强度较难满足落锤试验要求。
2 灰斑产生机理
(1) 灰斑源于火坑残留物。接触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，称为火坑。如果爆破剧烈，出现的火坑则较大较深，随后该处即不参与后续闪光过程，而坑内硅锰铝三种元素的电机电位均高于铁，与侵人空气中的氧反应生成硅铝酸盐，由于硅铝酸盐熔点高，生成后呈固态，流动性差，易固结在融化面上，如果火坑比较深，硅锰铝在顶锻时不易排挤出而残留在坑内，从而生成硅酸盐夹杂型灰斑;如果坑中的硅锰铝来不及氧化，顶锻力不够大，则为枝晶露头型灰斑，其特征是，如果将闪光中断，可以见到接触焊两端密密麻麻大小对称的圆坑，因此焊接时要求闪光不能过于剧烈，且应细密而不中断。K系焊机(乌克兰焊机)和Z系焊机(瑞典焊机)都采用脉冲闪光技术，产生灰斑的几率较低。而G系焊机(瑞士焊机)采用电流反馈控制，在闪光过程中电流已经超出预设值，由于液压滞后的原因，出现持续12.2 s的大电流，易产生较多灰斑。
(2) 顶锻挤出方法的误区。当闪光焊末期的火坑较浅或火坑位于对接面的边缘时，一般认为可以靠顶锻把残留物挤出。在G型系列焊机上通过提高预热参数(提高预热电压，延长加热时间)等方法，用加大顶锻量的方法克服灰斑产生。采取措施后使轨端温度场梯度减少，但顶锻时徽粗量很大，加大了钢轨端面后的变形量，前端挤出效果反而差，出现顶锻前基底软，顶锻后灰斑面积大，流动感强的现象。经观察，灰斑呈长条形(边界为直线，无圆弧线)，表面平坦，是呈银白色的氧化亚铁。因此，用加大顶锻量来减少灰斑的产生是一个误区。
(3) 钢轨母材的缺陷。灰斑的生成除与焊接工艺有关外，还取决于钢轨母材。如果钢轨断面上有疏松和夹杂，在闪光过程中，该区域的电阻值通常偏大，电流密度小，在烧化时不会产生闪光，会产生一个大的火坑，火坑中将有较多硅、锰、硫、铝元素，其化学性质比铁元素活跃，与氧或液态氧化亚铁发生反应生成复合硅酸盐，远远超过钢轨中的平均成分，留下灰斑。
3 Gaas80/580焊机减少灰斑方法
(1)预热阶段温度场的调节。在钢轨焊接闪光加热时，大部分热量的析出发生在钢轨的对接面上，通过热传导向后传，温度场梯度较大，但短路加热电流也很大，在两钳口之间的钢轨被加热，主要热量析出在钳口间的一段钢轨上，造成温度场梯度较小，对顶锻排挤减少灰斑不利。此时，应注意预热短路前的快闪时间，一般设置在is以下，不让其发生闪光，如这个时间不合适，应当将其设置在1.3 s左右，使其可以闪光，提高短路预热梯度。还有预热次数，对于合金轨，应适当增多。
(2) 烧化阶段参数匹配。烧化量、电压、电流和烧化极限速度4个参量，可先凭经验确定，试焊并经检验合格后，用小正交试验得出最佳匹配值，但对于加速烧化阶段的烧化量，由于此时闪光很激烈，应控制烧化量，使温度梯度的温度场过渡到顶锻阶段的时机比较合适。
(3) 顶锻工艺参数的控制。顶锻不是生成灰斑的原始因素，但却是减少灰斑的重要措施。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。该阶段工艺参数的特点是: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)，使之起限制作用，让它一般小于这个走行量，留有余量，以适应不同的加热状态，且前端的变形量可以大一些;在快速顶锻后，增加有电流的时间，由通常的1 s增加到1.5一2s，电压也可以升高，使前端热的金属进一步析出热量，增加前端的挤出量，以利于灰斑的排出。
4 结 语
通过对钢轨闪光焊接中灰斑生成机理的探讨，提出了调整焊接工艺参数减少灰斑的办法，并将其应用于U75V 和BNbRe钢轨焊接工艺中，取得了70%80%试样无灰斑产生的良好效果。
