本文结合钢轨闪光焊接头整体性能试验,对影响接头性能的灰斑缺陷进行了重点研究,对比分析了不同Mn含量钢轨闪光焊接头性能与灰斑的关系,对灰斑中非金属夹杂物成分、含量进行统计分析,系统研究了钢轨闪光焊灰斑性质,建立了灰斑的形成过程模型。借助高速摄影和红外成像仪数字化手段研究了闪光焊灰斑形成机理,基于对钢轨闪光焊液态过梁爆破特征的观察建立了灰斑形成机理模型,并采用焊接试验对模型进行了验证。同时分析了目前钢轨闪光焊接头普遍存在的轨底次表面微裂纹缺陷的形成原因和形成过程。研究了不同Mn含量钢轨母材及硫化锰夹杂物对钢轨闪光焊接头灰斑、微裂纹缺陷的影响。本文主要研究工作和成果如下:(1)对U71Mn和U75V钢轨闪光焊接头静弯和落锤的断口及灰斑统计结果表明,U71Mn钢轨折断率及断口处平均灰斑面积均明显高于U75V钢轨。钢轨闪光焊接头落锤或静弯断口的灰斑与周围基体存在明显差异,扫描电镜下可见点状或片状非金属夹杂物,灰斑基体表面可见局部韧窝组织。非金属夹杂物成分主要是硅酸盐类。灰斑非金属夹杂物中含量最多的是Mn元素约占40%左右。其次是O元素,第三是Si元素。Mn含量与O含量存在显著的线性关系,灰斑中的Mn含量直接影响O含量变化。(2)闪光焊接头断口处灰斑主要分布在轨底,宏观形貌多呈长条状或长椭圆状,而在轨脚端部形状多样,根据钢轨端面闪光爆破的特点,在闪光爆破过程中,轨腰或轨底处发现的灰斑其宏观形貌一般平行于或小角度倾斜于焊接横截面呈条状分布。而在轨脚端部因其有上、下和侧边三个自由表面方向,闪光过梁爆破可以向任何一个或多个方向进行,因此轨脚端部的灰斑形貌比较多样。(3)灰斑在接头断裂时形成过程:闪光焊接过程中焊缝处分散的硅酸盐类非金属夹杂物,脆性大、韧性差,在接头受到外力作用时,最易在此处开裂,形成含有非金属夹杂物加局部韧窝组织的灰斑。因正常焊缝韧性好且整个焊缝宽度只有0.2~0.4 mm,同时靠近焊缝的热影响区及钢轨母材含碳量高,韧性相对较差,而后裂纹沿焊缝热影响区向母材扩展,形成解理断裂。由于灰斑处和断口基体断裂机理不同,形成不同的断口组织,因此,灰斑与基体形成明显的界限,且灰斑处与基体颜色不同。(4)灰斑形成机理:钢轨待焊端面在前期闪光焊接工艺作用下,通过钢轨焊接端面接触电阻和钢轨内部电阻加热,钢轨焊接端面逐渐形成一层液态金属膜。末期连续闪光阶段出现大的过梁爆破将此处的液态金属膜沿钢轨自由端面方向喷溅出待焊端面,形成暴露于空气的穿孔,使焊缝中的Mn和Si等元素高温下与空气中的氧发生反应,形成硅酸盐夹杂物,因在钢轨焊接连续闪光阶段后期产生,此处不再产生新的有效过梁爆破或此时已进入顶锻阶段。因此,在穿孔处形成的硅酸盐夹杂物不能被排出焊接端面,留在焊缝形成灰斑。(5)微裂纹缺陷主要出现在钢轨闪光焊接头距焊缝较近的轨底过热区,深度在距轨底表面1 mm至2.5 mm范围内。在未推瘤钢轨闪光焊接头轨底焊缝附近未发现微裂纹的存在,说明在焊接的顶锻阶段较少造成轨底次表面过热区微裂纹。焊缝附近过热区微裂纹主要产生于闪光焊接的推凸阶段。分析微裂纹产生的原因是顶锻使得钢轨带状组织发生偏转,而推凸使得焊缝附近过热区带状组织进一步弯折,发生大角度偏转,使得带状组织中的片状MnS夹杂物与金属基体承受横向应力,当超过临界强度时出现微裂纹。(6)对U71Mn和U75V两种型号钢轨轨底母材夹杂物进行分类统计分析,钢轨母材主要是以硫化锰夹杂物为主,U71Mn和U75V钢轨母材的A类(硫化锰)夹杂物含量远高于B类(硅酸盐)和C类(氧化铝)夹杂物含量的总和,U71Mn钢轨的A类和B、C类夹杂物含量均是U75V钢轨的两倍以上。两种型号钢轨闪光焊接头整体性能落锤和静弯检验的差异,与钢轨母材Mn含量及MnS夹杂物含量有关,U71Mn本身较高的Mn含量及MnS夹杂物含量影响了其焊接性,导致灰斑缺陷出现率增高。