厂焊铁路长钢轨质量探讨

冯 牧，郑 涛

(武汉铁路局 工务大修段，武汉 430050)

1 厂焊长钢轨焊接方法及工艺缺陷

目前高速无缝线路钢轨接头的焊接方式主要有钢轨接触焊、气压焊和铝热焊三种。其中，钢轨接触焊，也称闪光焊，一般应用于工厂焊。跨区间无缝线路95%是采用此种工艺完成的，即把长度为100 m的无孔标准轨焊接成为500 m的长轨条。其原理是利用电流通过钢轨接触面产生热量熔化钢轨局部端面，再经顶锻完成焊接。由于接触焊的焊接热源是来自工件的内部热源，热量集中，加热时间短，焊接过程不需要填充金属，冶金过程比较简单，热影响区较小，易获得质量较好的焊接接头。焊轨厂所采用的焊接流程基本相同，包括配轨、整修钢轨端面、进入待焊台位、焊接、粗磨、正火、调直、精磨、探伤、进入成品台、装车运送至现场。在所有工序中，焊接是最关键的一道工序。其焊接质量好坏直接关系到线路维修工作量的多少，如果出现问题，严重时会危机到行车安全。焊轨流水线采用的焊机有瑞士产的GAaS-80系列焊机，乌克兰巴顿焊研所的 K190、K900系列焊机。以 GAaS-80系列焊机为例，其焊接过程大体分为钢轨对接调平、预热、加速烧化、有电流顶锻、保压推瘤五个阶段。与其它钢轨焊接方法相比，接触焊具有自动化程度高，受人为因素影响小，焊接设备配有计算机控制，焊接质量波动小，焊接生产率高等特点。

虽然接触焊具有许多优点，但它同时也存在一些影响生产质量的不良因素。根据各种相关文献[4]记载，在正常情况下，与气压焊、铝热焊相比，钢轨的接触焊焊缝强度较高，线路上断头率约在0.5/10 000以内。然而，与母材相比，它的强度仍低于母材，原因如下:

1)钢轨属大断面轧材，其心部材料较差，有低熔点夹杂条带，疏松，晶粒粗大。在焊接顶锻过程中，边缘较好材料被挤出，而以心部材料向外扩展代替，纤维组织中断且弯曲。顶锻量愈大，这种情况愈明显。

2)存在焊接高温热影响，高温导致在焊缝左右1～2 mm区域晶粒粗大，降至 1～2级，如图1所示。

图1 焊缝金相图

3)钢轨断面不均匀，轨顶、轨底属紧凑型断面，轨底两角是展开型断面。焊接时，轨底两角温度偏低，焊接后，全断面冷却不均匀，产生较大的残余温度应力，如图2所示。

4)焊缝上存在难以消除的缺陷——灰斑。根据相关文献[4]，对焊接质量的影响大多数是以灰斑的形式显现。由图3(a)可以清晰地见到，灰斑内存在夹杂物，断口存在韧窝，夹杂物大小不等。由图3(b)可见，正常区(灰斑以外)是清晰的解理断口，正常区无夹杂。

图2 残余温度应力图

图3 灰斑金相图

2 对焊接质量的分析

厂焊长钢轨焊接质量问题可以归纳为管理问题和技术问题。

2.1 管理问题

1)管理体制不健全，不能完全执行标准。许多焊轨施工组织缺乏健全有效的管理体制，焊接出现问题时，由于没有沟通、分析，没有解决问题的机制，或者主管人员不能对问题作出正确的分析，使问题不了了之。在焊轨现场，没有技术人员监督指导，焊接质量完全依靠焊工的责任心，因此，容易导致质量失控。在质量和进度的关系上，质量服从进度的事情时有发生。

2)作业过程缺乏监督。对于生产过程中的情况，没有接收方或第三方的监督。没有过程监督，在型式检验、周期性生产检验、作业人员的资格、作业过程是否标准化等方面，就容易产生疏漏。而这些容易疏漏的方面，正是影响焊轨质量的关键。

3)进口设备使用保养不良，配件投入少。进口设备使用不良，配件投入少的情况尤为突出。武汉焊轨基地配备了国际上较为先进的进口设备，诸如除锈机、焊机、矫直机、精磨机等，保修期过后，对设备的保养、检修都由焊轨厂自行解决。焊轨厂在设备保养、检修方面做得不到位，比如使用的润滑油牌号不对，降低了设备的精度或造成设备严重损伤;电气连接件没有定期检查;设备长期使用后不进行必要的检查和标定等等。其次，焊轨厂对进口设备的养护费用投入太少，没有足够的配件储备。虽然开发了一些国产化配件，但是缺乏全面的跟踪考核评价，配件国产化没有实现规范化，这种现象在全路范围内普遍存在。设备状态不良，甚至带病作业，影响接头质量。

2.2 质量问题

1)对新钢种焊接性评价不够充分。钢轨成分不同，焊接时的组织转变机理不同，形成焊接缺陷的敏感性也不同。目前，对钢轨焊接性的评价偏重于使用焊接性，对工艺焊接性和热焊接性研究不够。

2)铁标中缺少过程控制的内容。现行铁标“钢轨焊接接头技术条件”侧重接头性能的检验，缺少过程控制的内容。国外的标准都强调过程控制。过程控制不仅应包括焊接过程中关键的技术要求，也应包括施工资质、检验及批准的程序等广义的控制要求。

3)生产过程中影响工艺不稳定的因素过多。在焊轨的整个生产工序中，存在许多影响工艺不稳定的因素，比如:轨端除锈打磨作业不充分;轨腰存在油垢，顶锻前未能及时清除;焊后调直时，垫铁容易造成轨腰裂纹;手工电砂轮打磨整修焊缝时，易造成局部磨亏;由于钢轨外形公差，易造成错牙;未能及时清理电极铜块上的熔渣和及时整修或更换电极铜块等。

3 提高钢轨焊接质量的建议

1)完善钢轨焊接接头技术条件，强调过程控制。应对现行的铁标“钢轨焊接接头技术条件”额外增加过程控制的内容，包括焊工资质、设备条件、检验及批准的程序、以及各种钢种焊接方法实施过程的基本要求等，提出统一的要求，为促进标准化作业奠定基础。

2)监理施工过程。钢轨焊接生产实行监理制，确保过程控制达到预期目的。焊轨监理人员应该经过钢轨焊接专业培训后，持证上岗。

3)开展技术培训和交流。对焊工和管理人员进行系统的培训、考试，提高技术素质和管理水平，使施工组织能够主动地发现问题，控制作业过程，扭转被动解决问题的局面。

4)对焊接设备和新钢种进行充分研究和评价。对焊机的能力和状态进行专业评估，对焊接质量不稳定的设备进行升级，减少人为因素对质量的影响;新钢种的技术鉴定，应特别重视对其焊接性的评价。评价焊接性，应考虑钢轨成分含量的变化范围，尤其应重视工艺焊接性评价，如缺陷的敏感性等，对于未经充分评价焊接性的钢种，慎重推广应用。

5)重点加强部分技术要求，从工序中消除影响工艺不稳定的因素。作好轨端除锈打磨作业，采用机械除锈方式，保证除锈打磨质量;清除轨腰油垢，防止顶锻时打滑;焊后调直，防止垫铁造成轨腰裂纹;采用多头机械铣床，取代手工电砂轮打磨整修焊缝。现行手砂轮打磨作业中，应防止局部磨亏;对于由于钢轨外形公差造成的错牙，均应磨顺，防止应力集中影响焊缝强度;及时清理电极铜块上的熔渣和及时整修或更换电极铜块;采用焊缝中频正火方法，通过自控中频正火，确保细化焊缝晶粒，提高焊缝冲击韧性;在保证稳定闪光和不出现深、大火口的前提下，提高焊接烧化速度。据相关文献记载，这有助于焊接端面在任一瞬时形成较多的触点，提高单位时间内触点的爆破数目，在焊接端面周围形成良好的气体保护环，减少焊接端面的氧化倾向。而且，大量触点爆破，有益于焊接面加热均匀和保持顶锻前均匀的液态金属层，从而提高焊缝质量。

4 结论

随着新建铁路自身技术要求的不断提高和完善，新建铁路轨道特性也会向高强耐磨、安全稳定、平顺舒适等方向发展，这就必然导致对厂焊长钢轨焊接质量要求越来越高，对焊接装备水平的要求也就越来越高。接触焊接技术装备与其它焊接设备相比，其所具有的自动化、数字化、智能化、信息化、高效化特征将更加突出，因此，要求加快钢轨接触焊接工艺各方面的探讨研究，从整体上提高钢轨的焊接质量，以确保铁路轨道施工质量。

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