倪崢嶸 高文會(huì) 王震峰 張治琪 顧海鋼 代韜 王東 趙智聰

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京100081；2.中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州工務(wù)機(jī)械段，蘭州730000

氣壓焊接作為鋼軌常用的三種焊接方法之一，接頭質(zhì)量對(duì)壓焊面的表面狀態(tài)非常敏感［1］。金屬的機(jī)械加工面均存在變形層、貝氏層、化學(xué)反應(yīng)層、吸附層等獨(dú)特的物理化學(xué)特性層。其中，金屬表面的化學(xué)反應(yīng)層對(duì)壓焊過(guò)程中焊接面的結(jié)合有阻礙作用，對(duì)接頭質(zhì)量有顯著影響［2-4］。對(duì)加工面進(jìn)行微觀特征分析，有助于焊接作業(yè)人員改進(jìn)端面的處理工藝，也可為待焊端面狀態(tài)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的制定提供參考［5-6］。

常用的鋼軌端面機(jī)械加工流程有三種［7-8］，分別是：鋸切→磨削→精銼；鋸切→銑削→精銼；鋸切→銑削。作業(yè)人員有時(shí)簡(jiǎn)化作業(yè)流程，使用鋸切→粗銼、鋸切→粗銼→精銼等加工流程制備鋼軌端面，導(dǎo)致焊接接頭出現(xiàn)焊接缺陷或力學(xué)性能降低等問(wèn)題。

氣壓焊接前，表面氧化物的清除是保證接頭質(zhì)量的重要前提［9］。本文設(shè)計(jì)不同的加工流程處理端面，并對(duì)端面進(jìn)行顯微觀察后加工取樣，再對(duì)試樣的表面形貌和氧化物含量進(jìn)行觀察和分析。通過(guò)對(duì)不同加工流程處理的端面進(jìn)行對(duì)比，分析部分接頭力學(xué)性能較差的原因；通過(guò)對(duì)影響焊接性能的因素進(jìn)行控制，保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 加工方法

選取包鋼U71MnG鋼軌，對(duì)鋼軌端面進(jìn)行一系列機(jī)械加工后取樣，試樣的序號(hào)及對(duì)應(yīng)加工流程見(jiàn)表1。為了探索設(shè)備狀態(tài)對(duì)加工效果的影響，銑削加工和磨削加工中均使用新舊兩種加工介質(zhì)。端銑機(jī)銑刀的最大加工量為300～400個(gè)，端磨機(jī)砂輪的最大加工量為5～10個(gè)。

表1 試樣加工流程

1.2 檢測(cè)方法

對(duì)取樣端面分別采用顯微拍照、微觀形貌觀察、表面成分分析等方法進(jìn)行檢測(cè)。

1）顯微拍照

使用Supereyes B011數(shù)碼顯微鏡對(duì)端面進(jìn)行放大觀察，對(duì)端面進(jìn)行全范圍的掃查。掃查過(guò)程中，對(duì)典型或異常的視場(chǎng)進(jìn)行拍照。

2）微觀形貌觀察及表面成分分析

利用掃描電子顯微鏡對(duì)試樣表面進(jìn)行宏觀和微觀形貌觀察；同時(shí)對(duì)觀察的微區(qū)進(jìn)行能譜成分分析。

2 結(jié)果及分析

為了對(duì)比不同加工流程的端面情況，對(duì)試樣進(jìn)行對(duì)比組分類(lèi)，見(jiàn)表2。

表2 試樣對(duì)比組劃分說(shuō)明

2.1 G1對(duì)比組

G1對(duì)比組的3個(gè)試樣是氣壓焊現(xiàn)場(chǎng)最常用的端銑工藝的3個(gè)加工步驟（鋸切、銑削、銼削）。該對(duì)比組的檢測(cè)結(jié)果可說(shuō)明端銑工藝的端面狀態(tài)變化。

2.1.1 顯微照片分析

G1對(duì)比組的100倍顯微照片見(jiàn)圖1。

圖1 G1對(duì)比組100倍顯微照片

由圖1可知：試樣1鋸切面表面分布著褐色或藍(lán)色的斑點(diǎn)，局部區(qū)域存在發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，說(shuō)明發(fā)生了表面氧化［10］；試樣2-1的銑削面紋理清晰，銑削痕跡將鋸切痕跡完全覆蓋；試樣3-1中，銼削加工打亂了銑削表面的規(guī)律紋理，但部分區(qū)域仍存在加工痕跡，說(shuō)明銼削加工并未完全消除銑削加工對(duì)表面的影響。

2.1.2 表面形貌及成分分析

試樣1的表面形貌及成分分析見(jiàn)圖2?？芍嚇颖砻娲嬖诖罅坎粚?dǎo)電物質(zhì)，能譜分析發(fā)現(xiàn)該組織的氧元素原子百分比為10.1%，鐵元素原子百分比為80.47%，證明該組織主要為氧化鐵。

圖2 試樣1表面形貌及成分分析

試樣2-1、試樣3-1表面形貌及成分分析見(jiàn)圖3、圖4。可知，這兩個(gè)試樣表面的能譜分析均未發(fā)現(xiàn)氧元素，證明銑削已將鋸切表面的氧化鐵完全去除。

圖3 試樣2-1表面形貌及成分分析

圖4 試樣3-1表面形貌及成分分析

2.2 G2對(duì)比組

G2對(duì)比組用于分析狀態(tài)較差的端銑機(jī)銑削加工的端面微觀特征。

2.2.1 顯微照片分析

G2對(duì)比組的100倍顯微照片見(jiàn)圖5。

圖5 G2對(duì)比組100倍顯微照片

由圖5可知：試樣2-2表面局部位置存在缺陷；試樣3-2中，銑削產(chǎn)生的藍(lán)色組織無(wú)法被銼削加工完全消除。這說(shuō)明銑削加工導(dǎo)致的端面缺陷不應(yīng)采用手工銼削的方式進(jìn)行消除；端銑工藝的3個(gè)加工步驟（鋸切、銑削、銼削）中，銑削是決定端面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

2.2.2 表面形貌及成分分析

試樣2-2和試樣3-2表面形貌及成分分析見(jiàn)圖6、圖7?？芍涸嚇?-2表面的氧元素和鐵元素的原子百分比分別為58.42%和19.68%，試樣3-2分別為61.25%和15.52%，兩個(gè)試樣表面均存在氧化鐵。

圖6 試樣2-2表面形貌及成分分析

圖7 試樣3-2表面形貌及成分分析

2.3 G3對(duì)比組

G3對(duì)比組的5-1和5-2試樣采用了氣壓焊端磨工藝的3個(gè)加工步驟（鋸切、磨削、銼削）。該對(duì)比組的檢測(cè)結(jié)果可分析砂輪加工的表面特征以及新舊砂輪對(duì)被加工表面的影響和端磨工藝的端面狀態(tài)變化。

2.3.1 顯微照片分析

G3對(duì)比組的100倍顯微照片見(jiàn)圖8。

圖8 G3對(duì)比組100倍顯微照片

由圖8可知：試樣4-1和試樣4-2表面均存在均勻的褐色斑點(diǎn)，且斑點(diǎn)密度無(wú)明顯差別，這說(shuō)明磨削加工會(huì)導(dǎo)致被加工面氧化，但其氧化程度與砂輪的新舊狀態(tài)無(wú)明顯相關(guān)性；試樣5-1和試樣5-2的大部分表面磨削紋理被覆蓋，但極少部分區(qū)域仍存在磨削痕跡?？梢?jiàn)，對(duì)于各銑削加工工藝，新舊砂輪磨削質(zhì)量無(wú)明顯差別。磨削后的端面存在氧化斑，必須進(jìn)一步對(duì)端面進(jìn)行銼削。

2.3.2 表面形貌及成分分析

G3對(duì)比組的表面形貌和成分分析見(jiàn)圖9—圖12?？芍涸嚇?-1和試樣4-2表面氧元素的原子百分比分別為9.53%和4.40%；試樣5-1和試樣5-2表面未發(fā)現(xiàn)氧元素。

圖9 試樣4-1表面形貌及成分分析

圖10 試樣4-2表面形貌及成分分析

圖11 試樣5-1表面形貌及成分分析

圖12 試樣5-2表面形貌及成分分析

3 結(jié)論及建議

1）鋸軌機(jī)加工的鋼軌端面，表面存在大面積的氧化物。

2）狀態(tài)良好的端銑機(jī)加工的鋼軌端面，表面無(wú)氧化物；狀態(tài)不好的端銑機(jī)加工的鋼軌端面，表面可能存在點(diǎn)狀缺陷，缺陷的成分主要是氧化鐵，該缺陷不易被銼削加工消除。

3）對(duì)于端銑工藝，鋸切、銑削、銼削3個(gè)加工步驟，銑削是決定端面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。應(yīng)在銑削加工完成后，對(duì)端面進(jìn)行觀察。若存在缺陷，應(yīng)采用重新銑削的方式將其消除。若能保證銑削加工的端面質(zhì)量，可將銼削加工這一步驟去除。

4）端磨機(jī)加工的鋼軌端面，表面存在少量氧化物；磨削砂輪新舊狀態(tài)對(duì)加工效果無(wú)明顯差別；銼削痕跡覆蓋磨削痕跡時(shí)，可有效去除磨削產(chǎn)生的氧化物。

5）對(duì)于端磨工藝，鋸切、磨削、銼削3個(gè)加工步驟，銼削是決定端面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。人工銼削時(shí)，應(yīng)保證銼削的覆蓋程度。