钢轨焊接方法与焊接接头的质量控制研究

刘宝海

（大秦铁路股份有限公司秦皇岛西工务段，河北 066000）

一、铁路交通和钢轨焊接

1876年，我国第一条铁路——吴淞铁路的落成标志着我国铁路交通的正式起步，随着历史的发展，我国铁路交通行业在不断进步，至2016年底我国铁路轨道的总长度就已经超过了12万公里，而目前的铁路交通正朝着客运高速与货运重载的方向在迅猛发展[1]。铁路行业的进步与科技的支持是息息相关的，其中无缝线路铺设技术可谓是铁路行业发展的重要基石，该技术是将钢轨进行焊接形成整体，消除了传统铁路中的连接头问题，极大地减少了车轮与轨道间的碰撞与冲击，有效延长了零件的寿命，同时也让乘客拥有了更舒适的乘车环境。而无缝线路铺设的关键就在于钢轨焊接工艺技术的质量，通常来说，钢轨焊接的对象是PG4、U71Mn、U75V、U77MnCr、贝氏体合金钢等类型的钢材，这些钢材基本上能符合无缝线路铺设的要求，但在实际的钢轨焊接中还是不乏疲劳断裂的现象发生，其解决办法只能依赖技术上的突破[2]。而在目前，国内外的钢轨焊接主要包括闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊等，在我国的市场上，主要投入使用的是三种。

二、钢轨焊接的分类及工作原理

在许多国家中铁路交通都是被高度重视的一个行业，不同国家间行业上的学术交流也比较频繁，因此国内外在钢轨焊接工艺上所采用的焊接方法都大同小异，其中闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊是使用最为广泛的四种焊接方式，而在我国使用比较频繁的是前三种焊接方式[3]。

（一）闪光焊

闪光焊，又名接触焊，是电阻焊的一种，主要工艺包括焊接端预热以及液压顶锻。依据不同的闪光特征还能够细分为连续闪光焊和脉冲闪光焊，连续闪光焊的工艺历史更长，其技术体系也更加成熟。脉冲闪光焊是基于连续闪光技术的缺陷研发出的新型技术，由于使用较少其工艺上尚存在着不足。虽然这两者在工艺上存在不同之处，其工作原理基本相似，都是先将两根需要焊接钢轨以合理的方式接触后再通以强电流，由于钢轨本身存在一定电阻，在强电流经过时会产生电阻热形成高温，两钢轨接触面受高温形成熔化态，此时再通过外部施加的液压顶锻力完成表面的融合，冷却一定时间后金属结晶，两根钢轨就焊接成了一个整体。

（二）气压焊

气压焊，顾名思义，是通过气压设备的使用来完成焊接工艺，其原理同闪光焊类似，在将待焊钢轨贴后进行加热，但其加热方式一般是利用氧-乙炔火焰完成，火焰的热能让两接触面间的区域变为塑性态，周围的金属原子具有足够高的“活化能”后，通过贴合面的液压顶锻来加速原子间的金属键的形成，之后在进行冷却结晶完成焊接。相较于闪光焊，气压焊的设备更为轻便、简单，投入的成本更小，工艺灵活性高，但焊接时钢轨需要纵向移动，两接头的对接处理上要求十分苛刻，也难以对长度较大的钢轨进行焊接，因此气压焊常常被应用于后期的维修工作中[4]。

（三）铝热焊

铝热焊是利用氧化铁作氧化剂，铝粉作还原剂的热剂焊，铝粉、氧化铁和其他添加物按比例调配成铝热焊剂至于反应坩埚中，通过高温火柴激活反应，热融化合金添加物和反应生成的铁在高温作用下形成液态的钢，再浇灌至根据待焊钢轨接头出的外形尺寸制造的砂型空腔中，高温的持续影响下熔化的钢轨与之共同结晶，冷却定型后两段钢轨也化为了一段，其中值得注意的是整个反应过程中温度最高可能会达到3000oC。这种焊接方式相比于闪光焊和气压焊，略去了顶锻的步骤，操作机动性强且不依赖于电力的使用，但其焊缝的总体性能稍差，因此铝热焊常常被运用在线路的应力释放以及跨区线路的道岔联焊和断裂维修中。

三、不同方式钢轨焊接中存在的缺陷及应对方法

不同的焊接方式适用的范围不一样，其工作的原理也各不相同，在长期的使用过程中也暴露出各自不同的问题，针对这些技术上的缺陷也需要以针对性的策略方法来做出应对。

（一）闪光焊

闪光焊是在现在无缝线路的铺设中应用最为广泛的，其焊缝质量也比较稳定，相比而言出现问题的几率最低，但仍存在三个可能存在的技术缺陷：1.接头处可能会由于进刀量无法精确控制而产生马氏体组织，此类缺陷通常可以通过在焊接前对焊钳接触部位的打磨处理来进行应对，此外焊后的正火处理以及对于母材中Mn、C元素的成分控制都是限制马氏体组织形成的有效办法。2.顶锻力过小使得熔融金属层的排除不到位而形成未闭合的火坑，一般在遇到火坑未闭合的情况时，需要在焊接前对两焊接面进行抛光打磨，并对顶锻参数进行合适的调整来保证顶锻工艺的正常完成。3.高温下钢轨氧化形成的硅酸盐夹杂物形成灰斑，这类问题处理则更为简单，只需要在焊接过程中严格控制各项具体参数，并及时将焊接面上的氧化层进行清理即可。

（二）气压焊

气压焊的焊缝质量主要受人为因素的影响，同时工作环境和气候条件也会对其造成一些影响，因此气压焊的焊缝也难免存在一些瑕疵，主要分为外观上的缺陷和焊缝内部的缺陷，常见的类型一般有：1.焊缝的错位与弯曲，通常情况下，焊缝的错位与弯曲是由压接机的轨低螺栓的高低差或者加热器摆放位置的不当引起的，在焊接前对这些问题进行精确的检查即可避免；2.加热时间过长导致焊接接头轨角塌陷，这类缺陷可以通过提高加热仪器参数的精确度来减少，但是很难完全规避；3.切除焊瘤时烧伤焊缝表面，针对此类缺陷，可以在切割焊瘤预调好火焰，防止在工艺过程中过热，灼伤焊缝。

（三）铝热焊

铝热焊同气压焊类似，也需要人工在现场完成焊接工作，因此其主要缺陷也是在内外两方面体现出来的，主要形式有：1.由于钢轨端面校正时预留的拱度偏大而导致焊接接头上拱，外观形状尺寸超标，一般在焊前对轨头、轨腰、轨底三个部位精确对正并在焊后及时复位即可避免这类问题；2.由于焊剂质量或者工具受潮导致气孔的产生，这类问题没有特殊的办法解决，只能通过操作人员在焊接前进行全面、仔细的设备与材料的检查；3.夹砂，夹砂指的是操作过程中型砂进入焊缝后造成的缺陷，通常来说，以更严格的要求来选用合适的型模砂可以大大减少夹砂现象的出现，技术上的严谨操作也可在一定程度上避免此类缺陷的产生[5]。

（四）保证焊接接头质量的注意事项

上文中针对不同焊接方式中可能存在的缺陷进行了分析与探讨，虽然它们在焊接接头的质量上的问题各不相同，但总体而言，接头质量的保障需要从三方面入手：焊前对设备进行全面维护和调试检查，保证设备正常运作；焊接时时刻注意焊缝情况，在不同情形发生时都要随时能够做出相应的调整；焊后及时对焊接结果进行检查，严格控制好焊接接头的质量。

四、结语

总而言之，无论以什么样的方式来进行钢轨焊接，都会或多或少存在一定的缺陷，我们所要进行的不仅仅是去探讨这些导致缺陷的原因，更多的是要能够针对这些原因对症下药，切实解决这些在钢轨焊接中可能存在的问题，严格保证好焊接接头的性能与质量。