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邹良甫论文
邹良甫论文
关于GAAS80焊机工艺参数对灰斑影响的研究
广州工务大修段红海焊轨厂 邹良甫
摘要：
本文从攀钢轨换成武钢轨型式试验落锤结果不稳定出发，针对GAAS80/580的焊接工艺参数调整，通过试验数据及理论分析闪光烧化阶段电压和闪光速度对灰斑的影响，希望藉此提高我厂钢轨焊接的质量和效率。
关键词：
GAAS80/580焊机、工艺参数、灰斑、闪光速度、电压
一GAAS80/580焊机简介
GAAS80/580钢轨焊机是瑞士生产的闪光对焊设备，自动化程度高。
GAAS80/580钢轨焊机有以下特点：
1.GAAS80/580焊机属于次级整流直流闪光焊机。
次级采用大功率整流管整流，能够获得低电压、大电流的直流电，功率因素高。
2.变压器及整流器对称分布。
焊机静架和内上下两组焊接变压器与整流器分别与钢轨的头部和底部馈电，对称分布的焊机电流可以保证钢轨各部分均匀加热，热影响平行，有利于提高焊接质量。
3.采用液压伺服控制系统，实现闪光过程闭环控制。
4.钢轨自动对中，调整方便。
5.具有自动除遛装置，可以在理想的温度下推除焊瘤。
6.具有自动记录装置，可以记录焊机过程中的压力，位移，电流变化情况。
7.具有自动保护系统和故障报警装置
通常情况下，次级整流直流闪光焊机的焊接质量比交流闪光焊机的质量要高，而交流闪光焊机比次级整流闪光焊机更节能，更有效率。
二预热闪光焊工艺介绍
钢轨预热闪光焊以预热为主要加热形式，通过加热钢轨端面多次短路接触，产生大量的热能，使钢轨端部及附近区域金属被加热，预热闪光焊过程分为闪平、预热、烧化、顶锻四个阶段。
预热闪光焊与连续闪光焊焊接各阶段作用相同，仅仅区别于加热方式的差异，一个通过多次短路迅速提高钢轨端面温度，一个通过连续闪光均匀加热钢轨端面。
相对于连续闪光焊而言，预热闪光焊焊机变压器输出功率大，加热区宽，顶锻速度较快。
三灰斑简述
3.1.灰斑的形成
钢轨闪光焊的灰斑形成机制有多种解释,如火坑说、顶锻挤出说和材料缺陷说等,每一种说法都有一定的实践基础,但过程的机理,一直模糊不清。
Ⅰ类灰斑有清晰圆弧边界的椭圆、长圆形,Ⅱ类颜色稍亮边界呈直线放射状,其面积较大,可以看出该处在顶锻时有很好的流动性。
Ⅰ类灰斑是常见的,加大顶锻力,延长顶锻时间,都无法消除,而且只会使面积更大。
根据它有圆弧的边界,应认定它是过梁爆破后火坑的遗留物,因火坑深度一般大于液态层,除对接面边缘的火坑在推瘤时可以挤出钢轨的轮廓外,其它的只做移位或变形。
Ⅱ类灰斑生成的主要原因是焊接中投入热量过大,且沿焊接端面的温度梯度过小、预热参数设置过高。
由于钢轨本身的一些缺陷和问题,如外型尺寸引起的对口误差、含碳量差别大、合金轨焊接,这种灰斑实际上就是顶锻时的基底过软,使液态层不能充分排除,残留所致。
3.2灰斑成分
过梁爆破后火坑的遗留物,因火坑深度一般大于液态层,除对接面边缘的火坑在推瘤时可以挤出钢轨的轮廓外,其它的只做移位或变形。
通常火坑灰斑的产生,是在液态层上发生的过梁爆破,如果较小的话,表面张力使它平复,而大的爆破则难以平复,坑中的液体有Si、Mn、Al等比Fe活泼的元素还原FeO,后聚集形成硅酸盐夹杂。
灰斑的电镜分类研究将其分为硅酸盐夹杂型、氧化铁型、铁素体型、枝晶露出空洞型及混合型。
从氧化的程度上来看,它们产生的时间,在闪光阶段早晚不同,从力学性能上讲,它们的危害也不相同。
3.3灰斑的位置
大量的落锤试验表明灰斑均在轨腰以下的部位,由于轨头部分绝大多数不断在熔合缝面,所以见不到。
而灰斑的位置离轨底越近（或在轨底角上）,危害就越大,其中最严重的是露头灰斑,它产生于两种情况:
①顶锻时灰斑的变形移位;②预热压力作用和烧化的流挂。
在钢轨边缘轮廓上扩大,其背后空虚无支撑,在剧烈闪光爆破下连带母材,蹦下一大块,在顶锻合缝时又消除不了而遗留。
四对灰斑产生影响比较大的几个工艺参数
在预热闪光焊过程中，起主要作用的有预热阶段和闪光烧化阶段。
预热阶段主要是为后续的阶段提供能量，形成合适的温度场和温度梯度。
闪光烧化阶段是一个很重要的阶段，经过闪平及预热阶段，钢轨的温度较高,烧化电流较之闪平阶段的电流变化稳定。
烧化阶段则是保持闪光稳定，保护端面不被氧化，保留合适宽度的塑性区。
就闪光阶段的几个重要参数的影响进行阐述。
1.闪光速度Vf
动架的瞬时进给速度，也是钢轨的烧化速度，焊接端面连续而稳定的烧化，过梁爆破所造成压力使空气难以进入闪光间隙，防止焊接端面氧化。
若焊接端面被氧化，形成氧化夹杂，在顶锻阶段只是发生移位和变形，而排挤不出去，就容易产生灰斑缺陷。
2.焊接电压V和电流I
适当的焊接电压是激发闪光和保持闪光过程稳定的必要条件，电压过小，容易发生短路或在顶锻前提前短路，闪光中断或闪光不激烈，往往不能形成较好的保护膜，使焊缝内产生灰斑的可能性加大。
电压过大，闪光过程会过于激烈，会使焊接端面留下过深的弧坑，顶锻时，往往难以将其封闭而产生灰斑缺陷，同时电压过大，闪光过程过于激烈，也会使焊接区温度场过徒，顶锻时，不易产生合适的塑性变形而使接头质量降低。
电流I对焊接过程中能量的输入起到至关重要的作用，电流越大则单位时间内输入的能量相对提高，如果温度过高，会造成断面部分金属熔化从而形成缺陷，反之能量不够会导致塑性区域较窄，从而影响焊接接头质量。
五对武钢型式检验的一点分析
结合目前红海焊轨厂在焊接武钢U71Mn60kg/m的情况，在型式检验中，在确定了工艺参数之后的落锤试验中，出现了焊接接头灰斑严重后果超标的情况，从而导致落锤效果不达标。
在对断口进行分析并结合灰斑出现的位置和面积，针对几个关键工艺参数进行修改，现就这些问题进行一些探讨。
5.1初次参数和落锤效果
红海焊轨厂把GAAS80/580预热闪光焊后期闪光烧化阶段分为三个阶段，对应着三个阶段的工艺参数值，现陈列初次工艺参数和相应试验头落锤结果如表1，表2：
其中电压值都是在电压最大限定值的‰，每一个阶段对应的有始末行走极限，所以有两个对应的参数值，电压限定值由焊机本身决定。
表1
闪光速度‰
电压限定值‰
闪光一阶段
090
950
---
---
闪光二阶段
065
900
110
820
闪光三阶段
130
810
160
800
在此套参数焊接试验头，共焊15个试验头，落锤结果见下表：
（依据TB/T1632.-2005标准，锤高5.2m，，一锤不断合格）。
表2
落锤数目
1锤断
2锤断
3锤断
4锤断
试验头数
5
6
3
1
在此，也列举一些代表性的试验头，见表3
表3
曲线编号
第一次峰值电流
（A）
顶锻量（mm）
正火温度
（℃）
喷风压力
落锤绕度
（mm）
1
2
3
4
J10-05-13—6
63.3
13.8
887
0.15
断
J10-05-13—10
63.6
13.3
886
0.15
断
J10-05-13—8
63.9
14.4
889
0.15
19
断
J10-05-13—2
64.1
13.2
888
0.15
17
28
断
J10-05-13—14
64.5
14.2
880
0.15
17
26
开口断
对这批试验头进行断面观察分析，发现断面灰斑较多，分布在轨腰，轨脚各个位置不等且灰斑面积超标。
同样在察看试验头相应焊接曲线时发现在闪光烧化最后阶段，易出现大电流的现象。
把U71Mn断轨样品1件送至武钢研究院工艺所分析灰斑产生原因，灰斑断口面如图1
断口面侧面
图1断口面灰斑的宏观形态
在武汉研究院工艺所给出的金相物理检测报告，经超声波酒精清洗后，采用扫描电镜观察，灰斑区存在众多不导电物质；采用能谱仪分析，不导电物质均为硅和锰的氧化物（图2、图3）。
ElementWt%At%
O41.1064.09
Si21.1018.74
Mn37.7917.16
图2灰斑区1内不导电物质的成分
ElementWt%At%
O32.4355.57
Si22.4721.93
Mn45.1022.51
图3灰斑区2内不导电物质的成分
铁基中的硅锰氧化物属高温选侧性氧化的产物，位于焊接区，与焊接过程中的氧化有关。
5.2修改参数和落锤效果
由本文前面介绍可知：
1.在闪光烧化阶段，电压过大，闪光过程会过于激烈，会使焊接端面留下过深的弧坑，顶锻时没有将其封闭从而产生灰斑。
2.加速烧化阶段，钢轨端部温度达到平衡之后，为了提高电流密度,要求焊机动框架有较高的速度送进,以保持连续烧化，焊接动架送进速度加快，闪光速度必须跟送进速度匹配，如果闪光速度过低，钢轨间隙不能形成良好的保护气氛，会增加端面被氧化的几率，易形成灰斑，同样闪光速度过大，易导致钢轨端面接触过快，从而增加出现大电流的几率，大电流导致过梁爆破产生较深的火炕，产生灰斑。
由以上分析，得出参数修改的主要方向是对闪光阶段的电压和闪光速度的调整。
针对初次工艺参数在其他参数不改变的情况下，减小闪光阶段焊接电压和提高闪光速度。
见表4
表4
闪光速度‰
电压限定值‰
修改前
修改后
修改前
修改后
闪光一阶段
090
100
950
830
---
---
---
---
闪光二阶段
065
075
900
820
110
120
820
810
闪光三阶段
130
140
810
800
160
170
800
800
在参数修改后，同样进行落锤试验。
焊接25个试验头，落锤结果统计如表6
表6
落锤数目
1锤断
2锤断
3锤断
4锤断
4锤不断
试验头数目
0
8
2
8
7
在这里同样给出一些不同落锤锤数的试验头代表，见表7
表7
曲线编号
第一次峰值电流
（A）
顶锻量（mm）
正火温度
（℃）
喷风压力
落锤绕度
（mm）
1
2
3
4
J10-05-16—7
62.6
14.2
889
0.15
17
断
J10-05-16—3
63.6
13.3
886
0.15
17
27
开口断
J10-05-16—8
62.5
114.7
887
0.15
16
26
断
J10-05-15—13
65.1
13.1
886
0.15
17
26
35
开口断
J10-05-16—11
62.6
12.7
886
0.15
16
26
35
43
有此试验结果统计为这批试验头合格，对该批试验头进行开口落锤之后，观察断面发现：
跟初次参数所得的试验头相比，此25个试验头的灰斑在数目和面积方面都要小一些。
因此，可以结论该套工艺参数焊接接头质量是合格的。
由此可以得出：
在闪光烧化前面两个阶段对焊接电压降低和把烧化速度升高可以有效的减少灰斑的出现以及单个灰斑的面积，同时，修改后的工艺参数，闪光速度适当提高以匹配送进速度，从而提高轨端接触过梁的电流密度，提供足够的热量来增加钢轨的加热深度，为顶锻提供合适的塑性变形区。
不改变其它参数的条件下，前面针对电压和闪光速度作出的调整是正确的。
六总结
根据对这次武钢U71Mn60kg/m的型式检验中焊接工艺参数的修改，落锤结果的对比，得出一下总结：
1、GAAS80/580焊机后期闪光阶段对减少灰斑面积以及所造成的影响至关重要，低压连续
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