钢轨铝热焊缝伤损分析与防止措施

刘贵琚， 韦昌革

（南宁铁路局柳州工务段，工程师，广西 柳州 545007）

钢轨铝热焊缝是铁路无缝线路主要的联合接头之一，其质量的好坏直接关系到行车安全。南宁铁路局柳州工务段管辖的焦柳、湘桂、黔桂线P60钢轨无缝线路近700 km，全段线上在役铝热焊缝6 100多头。据统计，每年因处理伤损钢轨、伤损焊缝和无缝化道岔而进行焊接的铝热焊有1 300多头。2005～2007年，共发生铝热焊断轨9起，直接影响或中断行车累计13 h，严重威胁行车安全。因此，有必要对防止铝热焊缝伤损的措施进行探讨，以提高焊接质量。

1 原因分析

通过分析，钢轨接头铝热焊内部伤损或折断，主要由气孔、缩孔、未焊透、夹渣、裂纹造成。

1.1 气孔 进行钢轨铝热焊时，由于焊剂受潮或过时、焊剂反应强烈、焊剂燃烧平静时间过短、封箱泥过湿、轨缝有水分、预热器使用的燃气含水高、操作工艺不当等，都会在铝热焊处引起气孔的产生。经使用后，气孔扩展，形成贯穿伤损，其危害性大。气孔的大小不一，有单个、多个或蜂窝状气孔群。单个的小气孔直径有的小于2 mm，大的气孔直径为8 mm，甚至更大。气孔产生于焊缝的任何部位，存在于焊缝内部或表面。见图1。

1.2 缩孔 缩孔产生的原因：一是预热时间短，预热温度不够；二是浇注后散热过快，导致铁水凝固收缩。其特征：全焊缝断面均可产生，断口表面晶粒粗大，呈暗灰色空穴，表面凹凸不平。如图2。

图1 蜂窝状气孔

图2 缩孔断面图

1.3 未焊透 未焊透产生的原因：一是预留轨缝过大，致使局部预热不到位，特别是轨头厚的部位和轨底脚边缘；二是预热温度不够。其特征：断口呈未熔合状态，断面平整，晶粒与晶粒之间未熔融，一般产生于轨底及轨头部位。如图3。

1.4 夹渣 产生夹渣的原因是由于焊剂反应不完全、易熔塞熔化快。在焊剂未完全反应完毕，没有一定的平静时间时，铁水就开始浇注，致使结晶过程继续反应，未上浮的溶渣、氧化物及夹杂物进入焊缝。其特征：在断面处存在不规则体积夹杂，呈锈斑暗红色或暗灰色，存在于焊缝各个部位。如图4。

图4 焊缝夹渣

1.5 裂纹 焊缝产生裂纹的原因：一是焊接时冷热分布不均匀，或预热时金属体积改变，特别是轨头局部预热不够，结晶溶合不良；二是熔融结晶过程受到外力影响，组织受到破坏，致使产生应力裂纹，运营后，裂纹逐步扩大形成疲劳裂纹。其特征：裂纹产生于钢轨母材与焊缝间，即一般所说的熔合线，先是呈铮白色，裂纹经空气氧化后呈黑褐色。如图5。

2 防止措施

图5 焊缝疲劳裂纹

2.1 消除气孔 消除气孔措施：一是加强焊剂的管理，不用过时、受潮的焊剂；二是将焊剂存放在通风干燥库房的木架上部，避免焊剂受潮、受损，并有防火措施；三是对封箱泥、密封膏的使用要严格把关，过干或过潮都不要使用；四是在夜间、雨后焊接时，由于钢轨潮湿，预热前，应用预热枪焰火烘烤轨缝两侧钢轨，范围各500 mm，以消除钢轨水分，气温低于15℃时，在装模前用预热枪将钢轨加热到37℃，加热长度在钢轨轨端两侧各1 m范围；五是预热使用的燃气（丙烷）、助燃气（氧气）纯度要高，防止在燃烧过程中产生水蒸气，滞留在焊缝中，形成焊缝气孔；六是严格各项操作工艺规程，在寒冷气候条件下，焊接将会冷却过快，如果气温低于15℃，遇大风或雨天，则要在推瘤后立即用保温箱或保温罩将焊头覆盖，保温时间不少于10 min，之后才能进行打磨。

2.2 消除缩孔 消除缩孔措施：一是严格按工艺操作，每次预热前，检查压力表，如压力被调乱，必须进行压力调节，通过氧气和丙烷的调压阀将压力调节至焊接操作工艺要求；二是严格按照操作工艺预热程序，预热时间达到焊接工艺要求；三是预热时，轨温低于15℃时要对钢轨进行加热，预热温度要达到900～950℃，肉眼观察钢轨断面呈现暗红色；四是天气寒冷时，要对焊头保温，减缓散热速度，防止铁水结晶凝固收缩。

2.3 消除未焊透 未焊透缺陷是焊缝与母材未完全结晶熔合，局部预热不均匀所造成。消除未焊透措施：一是预留轨缝要符合规定标准，预留轨缝不宜偏小或偏大；二是有条件时使用远红外线测温仪测量预热温度，确保预热达到所需的温度；三是严格预热时间，如遇气候寒冷、轨温低、风速大等因素可适当延长预热时间，确保预热达到规定温度。

2.4 消除夹渣 消除夹渣措施：一是每次在焊剂装埚前，应检查包装箱内组件是否齐全，焊药包是否有破裂或受潮现象，一次性坩埚是否有破损及碎片，坩埚中的自熔塞是否正确无损；二是焊剂装埚前要充分搞拌均匀焊剂，再行装埚，避免焊剂成分不均匀；三是装模和封箱时，要小心谨慎，避免砂模的砂粒以及封箱泥、封箱膏掉进预留轨缝，在铁水注入时融入焊缝中。装好模后，必须用一片干净纸板盖在砂模上，防止杂质落入砂模。

2.5 消除裂纹 消除裂纹措施：一是要严格预热时间、温度和均匀度。对火焰不集中的预热枪，使用前要及时疏通出气孔。预热枪变形要修整，必要时送厂维修，测试压力。二是避免焊缝结晶过程提前受力。在焊接过程中，焊缝附近使用的对正架、起道器、拉伸器，必须在焊缝推瘤完毕10 min后才能去除对正架，25 min后才能去除起道器、拉伸器。要完全避免在焊缝结晶过程在焊缝前后200 m范围内进行其他作业（拨道、起道、紧固螺栓、改道、敲击钢轨等），应使焊缝具有稳定、平静结晶环境。三是焊缝结晶过程避免钢轨突然受冷，发生钢轨收缩。在轨温较高的环境焊接时，如突然下大雨，轨温骤降，钢轨发生收缩，钢轨温度应力会严重破坏焊缝结晶，产生结晶裂纹。发生这种情况时，必须重焊。

3 结束语

通过采取针对性措施，加强铝热焊焊接管理，2007年下半年至2008年4月，柳州工务段共焊接铝热焊缝1 267头，经全断面探伤均未发现上述伤损存在，取得了很好的成效。但还应加强以下工作：一是选用质量合格、技术先进的铝热焊剂。焊接的铝热焊强度、硬度要高，外观好，质量稳定，型式试验各项指标达到部标规定要求。二是加强钢轨铝热焊焊接技术管理，定期对铝热焊缝进行静弯、落锤试验。三是焊接人员要相对稳定，每年对焊接人员进行技术培训和考核，考核不合格者不准施焊。四是钢轨焊接的各种机具材料、仪表，应配备齐全，保持良好，严格执行铝热焊工艺操作要求、方法。五是建立健全完善的焊轨台帐。