浅谈轨道钢的焊接方法及问题解决

刘俊杰

摘要：近年来，随着铁路高速化重载化的快速发展，轨道结构逐渐由无缝线路取代为普通线路。与普通钢轨相比，无缝线路取消了大量的钢轨连接接头，具有行车平稳、轨道维护成本低、使用寿命长等优点。它已成为高速铁路建设中最重要的方法。无缝线路是铁路轨道的一项重要新技术。将普通钢轨焊接成一定长度的长钢轨，再把焊接成一定长度的长钢轨连接铺设，称为无缝线路。长钢轨焊接是铺设无缝线路的重要环节。轨道钢的焊接技术也得到了大量应用。此篇论文就轨道钢的焊接提出一些问题和解决方案。

关键词：轨道钢焊接;焊接工艺;焊接技术

0  引言

高速铁路技术，是指与高速铁路系统有关的一切科学技术，包括铁路建设技术、列车制造技术、材料组装技术、信息采集技术、调度控制技术、维修技术等，常规运输能力和管理水平。与航空技术一样，高铁技术是一个非常庞大复杂的工程系统，不能用单一的速度来概括。近年来随着我国高速铁路的发展，轨道钢的制造及焊接技术也有了长足的发展。目前我国轨道钢焊接技术主要有以下三种方法：轨道钢接触焊接、气压焊接、铝热焊接。

1  钢轨接触焊

钢轨接触焊又称闪光焊接。其基本原理是两条轨道钢断面相互接触，起初只有几个点相互接触，形成最初的通电过梁，当强大的电流通过两个轨道接触面时，轨道钢就会产生很大的电阻热，直到钢轨过梁被爆破、喷弧，发出飞溅和闪光，并出现金属熔滴变成了一个新的过梁，所以爆破、喷弧飞溅和闪光将持续进行，直到钢轨端面的污垢被喷射干净并加热至熔化状态，同时切断电源并使端部相对，同时对表面加压，使其在挤压作用下相互结晶，完成两轨的焊接。钢轨接触焊（闪光焊）一般应用于钢轨工厂内部的焊接，无缝绒路百分之九十五是采用此种工艺完成的。由于钢轨接触焊的焊接热源来自工件内部热源，热量集中，加热时间短，焊接过程不需要补充金属。加工金属的过程比较简单，热影响区相对较小，容易获得质量较好的焊接连接件，钢轨焊接厂采用的焊接工艺基本相同，包括：钢轨分配、探伤、钢轨端面修复、进入焊接工位、焊接、粗磨、精磨、矫直、正火、探伤、进入钢轨承力平台、装车运至现场。各工序中最关键的焊接质量直接关系到铁路线维护工作量的多少。如果存在任何问题，焊接过程的质量严重时直接关系到线路的维护工作量，更甚者会危及行车安全。

轨道钢属于大断面材料。其型材中部材质差，熔点低，有夹渣带。松散，产品颗粒粗糙。在焊接和顶锻过程中，挤压出边缘较好的材料，而中心的较差材料向外膨胀，纤维结构被打断和弯曲。这对钢轨的质量有很大的影响。

钢轨焊接质量分为外观质量和内部质量两部分。均应符合TB/t1632.2-2005的要求。

外观质量主要包括轨顶面平直度和工作边缘平直度的达标。

内部质量包括：有无焊接、过烧、夹渣、灰斑、电击斑等。焊接后，首先检查焊接接缝是否合格，然后用超声波探伤仪进行检查。焊接机自身采集的数据和我们肉眼所得的数据，可以帮助我们分析焊接接头的质量和钢轨焊接机的工作状态。但对焊接质量最准确的判断是有超声波探伤仪，我们主要采用cts-23b超声波探伤仪进行检查。

钢轨闪光焊最常见的缺陷是灰斑。其主要原因是焊接过程中顶锻力不足或过大，焊口过大而无法闭合，焊口残留及焊口金属氧化物未完全挤出。灰斑产生的原因还有很多，焊机电极板清理不到位也是其中之一。焊机底座破坏绝缘不好、钢轨除锈不彻底、焊接端面不垂直、电压不稳等都是产生的原因。基于目前的钢轨材质和焊接技术灰斑还无法彻底铲除。焊接中其他内部质量的达标只能通过以下方法解决。

严格执行工艺操作规程，彻底清理钢轨端铁锈、油污，加强焊缝内部质量检查。经多次试验试验确定的工艺参数，不得随意进行改变，应定期清理焊口。严格执行正火工艺。加强操作人员的责任心，定期校准手持测温仪，确保测量结果的有效性。加强焊接人员与焊接配套设备运行维护人员的焊接技术培训和交流。加强焊前对钢轨主要型式、尺寸及焊后焊缝平直度的检查。通过生产实践和试验不断积累经验，提高钢轨焊接质量和水平。

2  气压焊接

钢轨气压焊是铁路无缝线路接头焊接的主要方法（见图1），多年来为铁路无缝线路的推广做出了突出贡献。然而，气压焊工艺要求相对严格，影响焊接质量的人为因素很多。比如技术管理失控，很容易造成质量事故。气压焊主要通过对钢轨接头进行加热和加压来完成。这种焊接方法起源于美国，后来在日本和其他国家采用。钢轨气压焊是一种成熟可靠的焊接技术。气压焊接接头具有较高的强度、韧性和抗疲劳性能，优于钢轨铝热焊接头和闪光焊的接头。但也有一些原因造成气压焊钢轨焊头的重伤及折断。当焊接过程控制存在问题，焊接头存在影响焊接头寿命的焊接缺陷，焊接缺陷分为外部缺陷和内部缺陷，外部缺陷主要为接头高低不平、错缝和钢轨底角塌陷。由于这种缺陷引起的截面突变，在工作条件下逐渐发展成裂纹。内部缺陷主要是亮斑和未完全焊透，影响最大，因为它们降低了钢轨的有效截面，在边缘产生应力集中，损伤发展很快，很容易断线。未焊透错误检测很少被检测到，因此危害更大。

究其原因主要有以下几个方面：

目前气压焊系统本身存在不足。生产气压焊机的厂家太多了。一些技术能力低、设备精度低的小工厂，在自己的设备上存在制造误差，经常导致焊机变形、加热器温度升高、加热器局部燃烧等，影响焊接质量。

近年来，年轻工人增多，焊接队伍不稳定。许多焊工没有经过严格的系统培训，也没有掌握气动焊接的关键技术。焊接工人素质明显降低。

有的焊接人员不按照焊接工艺要求操作，如焊前端面受污染，端面形位公差不合格，正火温度控制不严，焊后磨削不光滑，形成张力集中源。操作过程根本不按照工艺标准执行。

为了解决以上问题的产生，我们加大气压焊机生产厂家的资质。使出厂焊机达到优质水平。对气压焊接操作人员进行严格培训，严格考核，持证上岗。实行多方位考核，考核不合格停止作业。并提高操作人员待遇。通过以上几种方法可以有效消除不合格产品的存在。

3  铝热焊

钢轨铝热焊的焊接原理是铝热剂在坩埚中点燃，形成高温铝热钢水，注入焊接砂型和待焊钢轨组成的空腔中。高温钢水通过专门设计的砂型浇注系统熔化待焊钢轨端面，冷却凝固后将待焊钢轨连接成一个整体。（见图2）钢轨铝热焊有自己的热源。因此，该设备简单易行，快，少量人员可进行焊接作业。在铝热焊焊接中，钢轨的几何位置在焊接过程中几乎没有变化，其平顺性取决于夹具。因此，焊接接头的平整度优于气压焊。由于钢轨在焊接过程中不移动，特别适用于跨区域无缝钢轨的焊接。铝热焊实际是铸造过程。在铸造过程中，铝热焊焊缝金属为铸态组织。因此，界面的性质具有铸造的特点，力学性能比闪光焊差。

铝热焊的焊接缺陷主要是由于施工过程中预热不足造成的。所以在生产中，钢轨预热过程是焊接过程中一个非常重要的过程。受人、机、料、法等诸多因素的制约，应因地制宜地采取保障措施。在低温环境下，氧气瓶、丙烷瓶和仪表应采取保温措施，保证预热火焰稳定、正常。铝热焊焊头两侧钢轨的母材为热影响区。现行工艺标准未规定焊头的正火处理。事实上，应积极开发铝热焊正火加热器，应使铝热焊头正火，提高焊接接头的综合强度指标。

总之，现行的几种轨道钢的焊接放法优缺点各异，根据实际情况选择合适的加工工艺，操作者根据实际的加工工艺认真细致的按规定要求完成，就一定能得到合格的产品。

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