淺談鋼軌焊接方法

王利

【摘 要】主要介紹了氣壓焊、鋁熱焊、閃光焊三種焊接方法的工作原理，并對三種不同的焊接方式進行了比較，提出了一些個人觀點。

【關鍵詞】氣壓焊；鋁熱焊；閃光焊；原理；區別

0 前言

當前鐵路處在一個高速發展的時代，鐵路的速度、運力也在不斷提升，隨之而來的就是對運行線路越來越高的要求，其關鍵還是在于無縫線路的普及，而鋼軌無縫化目前主要采取焊接的方式，常見的鋼軌焊接方法主要可以分為三種：氣壓焊、鋁熱焊、閃光焊。氣壓焊由于其外觀質量比較差，所以已經被淘汰，而目前使用最多的方式主要是鋁熱焊和閃光焊。對于三種焊接方式，接下來從原理、焊接方式以及各自的特點來進行比較。

1 焊接原理

從原理上來說，三種焊接方法各不相同。鋁熱焊接（也稱熱劑焊）就是利用金屬氧化物和金屬鋁之間的放熱反應所產生的過熱熔融金屬來加熱金屬而實現結合的方法。它是一種把兩個或是多個導體或是多個導體焊接起來的焊接工藝，鋁粉與金屬氧化物可由外部熱源使之開始放熱反應，且一旦反應便可自行持續，這一反應的通式為：

金屬氧化物+鋁（粉）→氧化鋁+金屬+熱能

氣壓焊則是通過加熱焊接接頭使其溫度達到塑性狀態時施加壓力，使鋼軌接頭壓接在一起的一種焊接工藝。

而閃光焊是當鉗口夾持的鋼軌緩慢接近的過程中，兩工件端面一點或幾點開始接觸。當電流通過這些接觸點就產生電阻熱，由于電流大，這些接觸點的金屬很快被加熱熔化，形成“過梁”，“過梁”在大電流密度作用下，迅速被加熱而爆炸、噴濺，并形成許多小電弧。隨著鋼軌的不斷送進，新過梁不斷產生，閃光持續發生，直到兩接口表面完全被一薄層熔化的金屬覆蓋，而且兩個工件從電級伸出的部分都有一小段達到塑性很好的溫度，此時施加頂鍛壓力，將接合面的熔化金屬全部擠出，將鋼軌牢固地鍛壓在一起的一種焊接方法。閃光對焊時在加熱過程中雖有熔化金屬，但實質上是塑性狀態焊接。

以上三種焊接方法設備圖如圖1、圖2、圖3所示。

2 焊接方法比較

2.1 三種焊接方法的特點及優缺點

不同的焊接方法有著不同的特點。鋁熱焊的焊接點的電流截流量和導線相等；焊接點能經受反復多次的大浪涌電流而不退化；焊接操作方法簡單，容易上手；設備輕便，攜帶方便；焊接時，不需要外接電源或熱源；從外觀便能核查焊接的質量。除此之外鋁熱焊還具有成本地，勞動強度比較低。但這種焊接方法也存在一些缺陷，就是其焊焊接接頭的強度略低，但塑性韌性良好，對焊接操作人員的技術水平的要求比較高，要求熟練掌握每一道工序的時間和焊縫處鋼軌的狀態，焊接時必須加熱至足夠的溫度才能保證焊接質量，過高的溫度容易燒傷母材，過低的溫度則會導致反應不充分而產生焊接缺陷，產生傷損焊頭，只有加熱到合適的溫度才能保證其有效的熔合在一起。

而鋼軌氣壓焊的內在質量合格率較高，但外觀質量很難控制，對操作人員的技術要求較高，操作中焊接質量受工人技術水平影響較大。其焊接設備比較笨重，勞動強度高，對相接觸的兩個鋼軌端面的清潔平整要求很高，另外在焊接過程中通常采取打楔鐵的方式來阻止焊機的滑動，因此人為影響較大，所以在外觀質量上很難達到要求。此種焊接方法的焊接缺陷主要以平面狀缺陷為主，主要有光斑和過燒以及由推凸引起的裂紋缺陷。氣壓焊的推廣和使用受到影響，一方面就是由于外觀質量不達標，無法達到目前車輛對運行線路平直度的要求，還有就是其配套的探傷技術達不到要求，針對光斑缺陷沒有好的探傷辦法。因光斑引起的斷軌事故較多。光斑缺陷其實就是一種介于焊合和未焊合之間的一種情形。在熔合面上形成光滑平整的大面積區域。極大的影響了強度造成斷軌。這種缺陷因為沒有夾雜物質因此無聲波反射故很難探測，嚴重時會露頭，打磨過程中會看到這主要是加熱和擠壓不到位，斷面溫度不均勻，端面不平等原因造成。

目前鋼軌焊接主要是使用昆明中鐵生產的YHG-1200型自行式焊軌車及YHG 500Q集裝箱式焊軌車進行焊接，它具有使用方便，全程自動化作業，受人為因素和天氣的影響較小，接頭強度較高，鋼軌平直度好，無論從從內在質量，還是外觀質量來說都是目前最理想的一種焊接方法。但是焊軌車進行鋼軌焊接，成本很高，對機械的維護保養要求也高，如果出現問題，排除起來比較麻煩。由于鐵路線上都存在電流，閃光過程中的電流會對線路內的電流有一定影響，所以在線上焊作業中我們采用短時間內斷開回流線的方法進行焊接。另外在閃光過程中必須穩定而且強烈，不能發生斷路和短路現象，斷路會減弱焊接處的自保護作用，接頭易被氧化。短路會使鋼軌過燒，導致鋼軌端面存在缺陷。所以在焊接過程中必須持續閃光不能中斷。閃光越強烈，焊接處的自保護作用越好，這在閃光后期尤為重要。可以避免一些由于氧化引起的缺陷。

2.2 焊接方式的比較

三種不同的焊接方法在焊前準備，焊縫預留，以及操作方式上都是不同的。鋁熱焊焊接前要把鋼軌對平順，預留27～30mm的焊縫，安裝上砂模，砂箱，采用丙烷、氧氣對鋼軌焊縫進行加熱，當加熱到足夠的溫度后，快速放上鋁熱焊焊劑，待反應完全，流到焊縫中的金屬凝固之后，除去砂型，并快速用推瘤刀進行推瘤，加熱前砂箱一定要密封好，不能有泄漏，同時焊縫預留量也不要超過標準范圍，否則會使焊縫強度低或者出現焊劑不足的情況。而氣壓焊焊接前要對鋼軌端面進行清潔，不能有任何雜質、水滴等，通過用氧氣，乙炔的燃燒產生的熱量對其加熱，當加熱到足夠溫度后，快速加壓頂鍛，保壓推瘤。

閃光焊則是需要對鋼軌軌腰距離端面80cm范圍內進行除銹，以保障焊機電極導電良好。將焊機落到鋼軌上，焊縫預留3～5mm，夾緊焊機，啟動焊接程序，焊接過程自動運行，計算機采集整個焊接過程各項參數并全過程監控。另外焊接程序還有預判焊接結果的功能，能及時發現焊接過程是否良好。

2.3 適用范圍

目前鐵路線路在大修施工中的鋼軌焊接主要以焊軌車閃光焊為主，焊軌車使用困難的線路，采用鋁熱焊。而工務段對線路的維護保養則以鋁熱焊為主。從外觀質量上來說閃光焊最優，鋁熱焊其次，氣壓焊最差；從強度上來說則是閃光焊、氣壓焊較好；塑性韌性上，鋁熱焊和閃光焊較好。

鋼軌焊接方法在不斷革新中，為了滿足高速鐵路發展的需求，昆明中鐵大型機械集團有限公司與西南交大合作，聯合完成了首臺具有完全自主知識產權的YHGQ-120型數控式氣壓焊軌車。該車采用多種技術，將傳統氣壓焊軌施工多機流水作業設備集為一體。不僅可以實現施工現場鋼軌焊接時的拉伸、頂鍛、保壓推凸、保壓冷卻、保壓正火等變形工藝焊軌過程的控制。而且，還能實現焊接/正火輸入量、焊接頂鍛變形最優化控制，以及焊接參數的在線自動檢測。其主要技術水平達到或優于國外閃光焊接技術水平。該車除具備高速自走行功能外，同時裝備了發電機組、冷卻系統、供氣系統、吊裝系統、控制系統、液壓系統等，達到施工現場的高速自動化。不但可以滿足新線建設的需要，而且可以快速進行既有線的無縫線路改造和斷軌的修復，并成為昆明中鐵集團公司焊軌車系列又一產品。這一產品克服了傳統氣壓焊的缺點，也克服了焊軌車在施工中存在的不便，可以說是一款集合以上兩種方法的優點于一體的鋼軌焊接設備。

3 總結

鋼軌焊接方法多種多樣，每一種焊接方法都是在不斷的完善中，我相信以后的鋼軌焊接必然會步入一個新的時代！

[責任編輯：劉展]