鋼軌焊接方法與焊接接頭的質量控制研究

劉寶海

（大秦鐵路股份有限公司秦皇島西工務段，河北 066000）

一、鐵路交通和鋼軌焊接

1876年，我國第一條鐵路——吳淞鐵路的落成標志著我國鐵路交通的正式起步，隨著歷史的發展，我國鐵路交通行業在不斷進步，至2016年底我國鐵路軌道的總長度就已經超過了12萬公里，而目前的鐵路交通正朝著客運高速與貨運重載的方向在迅猛發展[1]。鐵路行業的進步與科技的支持是息息相關的，其中無縫線路鋪設技術可謂是鐵路行業發展的重要基石，該技術是將鋼軌進行焊接形成整體，消除了傳統鐵路中的連接頭問題，極大地減少了車輪與軌道間的碰撞與沖擊，有效延長了零件的壽命，同時也讓乘客擁有了更舒適的乘車環境。而無縫線路鋪設的關鍵就在于鋼軌焊接工藝技術的質量，通常來說，鋼軌焊接的對象是PG4、U71Mn、U75V、U77MnCr、貝氏體合金鋼等類型的鋼材，這些鋼材基本上能符合無縫線路鋪設的要求，但在實際的鋼軌焊接中還是不乏疲勞斷裂的現象發生，其解決辦法只能依賴技術上的突破[2]。而在目前，國內外的鋼軌焊接主要包括閃光焊、氣壓焊、鋁熱焊和電弧焊等，在我國的市場上，主要投入使用的是三種。

二、鋼軌焊接的分類及工作原理

在許多國家中鐵路交通都是被高度重視的一個行業，不同國家間行業上的學術交流也比較頻繁，因此國內外在鋼軌焊接工藝上所采用的焊接方法都大同小異，其中閃光焊、氣壓焊、鋁熱焊和電弧焊是使用最為廣泛的四種焊接方式，而在我國使用比較頻繁的是前三種焊接方式[3]。

（一）閃光焊

閃光焊，又名接觸焊，是電阻焊的一種，主要工藝包括焊接端預熱以及液壓頂鍛。依據不同的閃光特征還能夠細分為連續閃光焊和脈沖閃光焊，連續閃光焊的工藝歷史更長，其技術體系也更加成熟。脈沖閃光焊是基于連續閃光技術的缺陷研發出的新型技術，由于使用較少其工藝上尚存在著不足。雖然這兩者在工藝上存在不同之處，其工作原理基本相似，都是先將兩根需要焊接鋼軌以合理的方式接觸后再通以強電流，由于鋼軌本身存在一定電阻，在強電流經過時會產生電阻熱形成高溫，兩鋼軌接觸面受高溫形成熔化態，此時再通過外部施加的液壓頂鍛力完成表面的融合，冷卻一定時間后金屬結晶，兩根鋼軌就焊接成了一個整體。

（二）氣壓焊

氣壓焊，顧名思義，是通過氣壓設備的使用來完成焊接工藝，其原理同閃光焊類似，在將待焊鋼軌貼后進行加熱，但其加熱方式一般是利用氧-乙炔火焰完成，火焰的熱能讓兩接觸面間的區域變為塑性態，周圍的金屬原子具有足夠高的“活化能”后，通過貼合面的液壓頂鍛來加速原子間的金屬鍵的形成，之后在進行冷卻結晶完成焊接。相較于閃光焊，氣壓焊的設備更為輕便、簡單，投入的成本更小，工藝靈活性高，但焊接時鋼軌需要縱向移動，兩接頭的對接處理上要求十分苛刻，也難以對長度較大的鋼軌進行焊接，因此氣壓焊常常被應用于后期的維修工作中[4]。

（三）鋁熱焊

鋁熱焊是利用氧化鐵作氧化劑，鋁粉作還原劑的熱劑焊，鋁粉、氧化鐵和其他添加物按比例調配成鋁熱焊劑至于反應坩堝中，通過高溫火柴激活反應，熱融化合金添加物和反應生成的鐵在高溫作用下形成液態的鋼，再澆灌至根據待焊鋼軌接頭出的外形尺寸制造的砂型空腔中，高溫的持續影響下熔化的鋼軌與之共同結晶，冷卻定型后兩段鋼軌也化為了一段，其中值得注意的是整個反應過程中溫度最高可能會達到3000oC。這種焊接方式相比于閃光焊和氣壓焊，略去了頂鍛的步驟，操作機動性強且不依賴于電力的使用，但其焊縫的總體性能稍差，因此鋁熱焊常常被運用在線路的應力釋放以及跨區線路的道岔聯焊和斷裂維修中。

三、不同方式鋼軌焊接中存在的缺陷及應對方法

不同的焊接方式適用的范圍不一樣，其工作的原理也各不相同，在長期的使用過程中也暴露出各自不同的問題，針對這些技術上的缺陷也需要以針對性的策略方法來做出應對。

（一）閃光焊

閃光焊是在現在無縫線路的鋪設中應用最為廣泛的，其焊縫質量也比較穩定，相比而言出現問題的幾率最低，但仍存在三個可能存在的技術缺陷：1.接頭處可能會由于進刀量無法精確控制而產生馬氏體組織，此類缺陷通常可以通過在焊接前對焊鉗接觸部位的打磨處理來進行應對，此外焊后的正火處理以及對于母材中Mn、C元素的成分控制都是限制馬氏體組織形成的有效辦法。2.頂鍛力過小使得熔融金屬層的排除不到位而形成未閉合的火坑，一般在遇到火坑未閉合的情況時，需要在焊接前對兩焊接面進行拋光打磨，并對頂鍛參數進行合適的調整來保證頂鍛工藝的正常完成。3.高溫下鋼軌氧化形成的硅酸鹽夾雜物形成灰斑，這類問題處理則更為簡單，只需要在焊接過程中嚴格控制各項具體參數，并及時將焊接面上的氧化層進行清理即可。

（二）氣壓焊

氣壓焊的焊縫質量主要受人為因素的影響，同時工作環境和氣候條件也會對其造成一些影響，因此氣壓焊的焊縫也難免存在一些瑕疵，主要分為外觀上的缺陷和焊縫內部的缺陷，常見的類型一般有：1.焊縫的錯位與彎曲，通常情況下，焊縫的錯位與彎曲是由壓接機的軌低螺栓的高低差或者加熱器擺放位置的不當引起的，在焊接前對這些問題進行精確的檢查即可避免；2.加熱時間過長導致焊接接頭軌角塌陷，這類缺陷可以通過提高加熱儀器參數的精確度來減少，但是很難完全規避；3.切除焊瘤時燒傷焊縫表面，針對此類缺陷，可以在切割焊瘤預調好火焰，防止在工藝過程中過熱，灼傷焊縫。

（三）鋁熱焊

鋁熱焊同氣壓焊類似，也需要人工在現場完成焊接工作，因此其主要缺陷也是在內外兩方面體現出來的，主要形式有：1.由于鋼軌端面校正時預留的拱度偏大而導致焊接接頭上拱，外觀形狀尺寸超標，一般在焊前對軌頭、軌腰、軌底三個部位精確對正并在焊后及時復位即可避免這類問題；2.由于焊劑質量或者工具受潮導致氣孔的產生，這類問題沒有特殊的辦法解決，只能通過操作人員在焊接前進行全面、仔細的設備與材料的檢查；3.夾砂，夾砂指的是操作過程中型砂進入焊縫后造成的缺陷，通常來說，以更嚴格的要求來選用合適的型模砂可以大大減少夾砂現象的出現，技術上的嚴謹操作也可在一定程度上避免此類缺陷的產生[5]。

（四）保證焊接接頭質量的注意事項

上文中針對不同焊接方式中可能存在的缺陷進行了分析與探討，雖然它們在焊接接頭的質量上的問題各不相同，但總體而言，接頭質量的保障需要從三方面入手：焊前對設備進行全面維護和調試檢查，保證設備正常運作；焊接時時刻注意焊縫情況，在不同情形發生時都要隨時能夠做出相應的調整；焊后及時對焊接結果進行檢查，嚴格控制好焊接接頭的質量。

四、結語

總而言之，無論以什么樣的方式來進行鋼軌焊接，都會或多或少存在一定的缺陷，我們所要進行的不僅僅是去探討這些導致缺陷的原因，更多的是要能夠針對這些原因對癥下藥，切實解決這些在鋼軌焊接中可能存在的問題，嚴格保證好焊接接頭的性能與質量。