鋼軌焊接方法與焊接接頭的質(zhì)量控制研究

班海坡 張樹(shù)悅

摘 要：鋼軌焊接是線路的無(wú)縫鋪設(shè)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，其焊接接頭的質(zhì)量直接關(guān)乎到線路行車(chē)的安全運(yùn)行，優(yōu)良的焊接接頭是軌道交通安全行車(chē)的重要前提。

關(guān)鍵詞：鋼軌焊接；接頭；質(zhì)量控制

1 鐵路交通和鋼軌焊接

1876年，我國(guó)第一條鐵路——吳淞鐵路的落成標(biāo)志著我國(guó)鐵路交通的正式起步，隨著歷史的發(fā)展，我國(guó)鐵路交通行業(yè)在不斷進(jìn)步，至2016年底我國(guó)鐵路軌道的總長(zhǎng)度就已經(jīng)超過(guò)了12萬(wàn)公里，而目前的鐵路交通正朝著客運(yùn)高速與貨運(yùn)重載的方向在迅猛發(fā)展。鐵路行業(yè)的進(jìn)步與科技的支持是息息相關(guān)的，其中無(wú)縫線路鋪設(shè)技術(shù)可謂是鐵路行業(yè)發(fā)展的重要基石，該技術(shù)是將鋼軌進(jìn)行焊接形成整體，消除了傳統(tǒng)鐵路中的連接頭問(wèn)題，極大地減少了車(chē)輪與軌道間的碰撞與沖擊，有效延長(zhǎng)了零件的壽命，同時(shí)也讓乘客擁有了更舒適的乘車(chē)環(huán)境。而無(wú)縫線路鋪設(shè)的關(guān)鍵就在于鋼軌焊接工藝技術(shù)的質(zhì)量，通常來(lái)說(shuō)，鋼軌焊接的對(duì)象是PG4、U71Mn、U75V、U77MnCr、貝氏體合金鋼等類(lèi)型的鋼材，這些鋼材基本上能符合無(wú)縫線路鋪設(shè)的要求，但在實(shí)際的鋼軌焊接中還是不乏疲勞斷裂的現(xiàn)象發(fā)生，其解決辦法只能依賴技術(shù)上的突破。而在目前，國(guó)內(nèi)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(guó)的市場(chǎng)上，主要投入使用的是三種。

2 鋼軌焊接的分類(lèi)及工作原理

在許多國(guó)家中鐵路交通都是被高度重視的一個(gè)行業(yè)，不同國(guó)家間行業(yè)上的學(xué)術(shù)交流也比較頻繁，因此國(guó)內(nèi)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(guó)使用比較頻繁的是前三種焊接方式。

2.1 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(yù)熱以及液壓頂鍛。依據(jù)不同的閃光特征還能夠細(xì)分為連續(xù)閃光焊和脈沖閃光焊，連續(xù)閃光焊的工藝歷史更長(zhǎng)，其技術(shù)體系也更加成熟。脈沖閃光焊是基于連續(xù)閃光技術(shù)的缺陷研發(fā)出的新型技術(shù)，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(qiáng)電流，由于鋼軌本身存在一定電阻，在強(qiáng)電流經(jīng)過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電阻熱形成高溫，兩鋼軌接觸面受高溫形成熔化態(tài)，此時(shí)再通過(guò)外部施加的液壓頂鍛力完成表面的融合，冷卻一定時(shí)間后金屬結(jié)晶，兩根鋼軌就焊接成了一個(gè)整體。

2.2 氣壓焊

氣壓焊，顧名思義，是通過(guò)氣壓設(shè)備的使用來(lái)完成焊接工藝，其原理同閃光焊類(lèi)似，在將待焊鋼軌貼后進(jìn)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(qū)域變?yōu)樗苄詰B(tài)，周?chē)慕饘僭泳哂凶銐蚋叩摹盎罨堋焙螅ㄟ^(guò)貼合面的液壓頂鍛來(lái)加速原子間的金屬鍵的形成，之后在進(jìn)行冷卻結(jié)晶完成焊接。相較于閃光焊，氣壓焊的設(shè)備更為輕便、簡(jiǎn)單，投入的成本更小，工藝靈活性高，但焊接時(shí)鋼軌需要縱向移動(dòng)，兩接頭的對(duì)接處理上要求十分苛刻，也難以對(duì)長(zhǎng)度較大的鋼軌進(jìn)行焊接，因此氣壓焊常常被應(yīng)用于后期的維修工作中。

2.3 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(diào)配成鋁熱焊劑至于反應(yīng)坩堝中，通過(guò)高溫火柴激活反應(yīng)，熱融化合金添加物和反應(yīng)生成的鐵在高溫作用下形成液態(tài)的鋼，再澆灌至根據(jù)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(xù)影響下熔化的鋼軌與之共同結(jié)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(gè)反應(yīng)過(guò)程中溫度最高可能會(huì)達(dá)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(jī)動(dòng)性強(qiáng)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(yùn)用在線路的應(yīng)力釋放以及跨區(qū)線路的道岔聯(lián)焊和斷裂維修中。

3 不同方式鋼軌焊接中存在的缺陷及應(yīng)對(duì)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(zhǎng)期的使用過(guò)程中也暴露出各自不同的問(wèn)題，針對(duì)這些技術(shù)上的缺陷也需要以針對(duì)性的策略方法來(lái)做出應(yīng)對(duì)。

3.1 閃光焊

閃光焊是在現(xiàn)在無(wú)縫線路的鋪設(shè)中應(yīng)用最為廣泛的，其焊縫質(zhì)量也比較穩(wěn)定，相比而言出現(xiàn)問(wèn)題的幾率最低，但仍存在三個(gè)可能存在的技術(shù)缺陷：1.接頭處可能會(huì)由于進(jìn)刀量無(wú)法精確控制而產(chǎn)生馬氏體組織，此類(lèi)缺陷通常可以通過(guò)在焊接前對(duì)焊鉗接觸部位的打磨處理來(lái)進(jìn)行應(yīng)對(duì)，此外焊后的正火處理以及對(duì)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(guò)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(shí)，需要在焊接前對(duì)兩焊接面進(jìn)行拋光打磨，并對(duì)頂鍛參數(shù)進(jìn)行合適的調(diào)整來(lái)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(lèi)問(wèn)題處理則更為簡(jiǎn)單，只需要在焊接過(guò)程中嚴(yán)格控制各項(xiàng)具體參數(shù)，并及時(shí)將焊接面上的氧化層進(jìn)行清理即可。

3.2 氣壓焊

氣壓焊的焊縫質(zhì)量主要受人為因素的影響，同時(shí)工作環(huán)境和氣候條件也會(huì)對(duì)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(nèi)部的缺陷，常見(jiàn)的類(lèi)型一般有：1.焊縫的錯(cuò)位與彎曲，通常情況下，焊縫的錯(cuò)位與彎曲是由壓接機(jī)的軌低螺栓的高低差或者加熱器擺放位置的不當(dāng)引起的，在焊接前對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行精確的檢查即可避免；2.加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致焊接接頭軌角塌陷，這類(lèi)缺陷可以通過(guò)提高加熱儀器參數(shù)的精確度來(lái)減少，但是很難完全規(guī)避；3.切除焊瘤時(shí)燒傷焊縫表面，針對(duì)此類(lèi)缺陷，可以在切割焊瘤預(yù)調(diào)好火焰，防止在工藝過(guò)程中過(guò)熱，灼傷焊縫。

3.3 鋁熱焊

鋁熱焊同氣壓焊類(lèi)似，也需要人工在現(xiàn)場(chǎng)完成焊接工作，因此其主要缺陷也是在內(nèi)外兩方面體現(xiàn)出來(lái)的，主要形式有：1.由于鋼軌端面校正時(shí)預(yù)留的拱度偏大而導(dǎo)致焊接接頭上拱，外觀形狀尺寸超標(biāo)，一般在焊前對(duì)軌頭、軌腰、軌底三個(gè)部位精確對(duì)正并在焊后及時(shí)復(fù)位即可避免這類(lèi)問(wèn)題；2.由于焊劑質(zhì)量或者工具受潮導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生，這類(lèi)問(wèn)題沒(méi)有特殊的辦法解決，只能通過(guò)操作人員在焊接前進(jìn)行全面、仔細(xì)的設(shè)備與材料的檢查；3.夾砂，夾砂指的是操作過(guò)程中型砂進(jìn)入焊縫后造成的缺陷，通常來(lái)說(shuō)，以更嚴(yán)格的要求來(lái)選用合適的型模砂可以大大減少夾砂現(xiàn)象的出現(xiàn)，技術(shù)上的嚴(yán)謹(jǐn)操作也可在一定程度上避免此類(lèi)缺陷的產(chǎn)生。

3.4 保證焊接接頭質(zhì)量的注意事項(xiàng)

上文中針對(duì)不同焊接方式中可能存在的缺陷進(jìn)行了分析與探討，雖然它們?cè)诤附咏宇^的質(zhì)量上的問(wèn)題各不相同，但總體而言，接頭質(zhì)量的保障需要從三方面入手：焊前對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面維護(hù)和調(diào)試檢查，保證設(shè)備正常運(yùn)作；焊接時(shí)時(shí)刻注意焊縫情況，在不同情形發(fā)生時(shí)都要隨時(shí)能夠做出相應(yīng)的調(diào)整；焊后及時(shí)對(duì)焊接結(jié)果進(jìn)行檢查，嚴(yán)格控制好焊接接頭的質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，無(wú)論以什么樣的方式來(lái)進(jìn)行鋼軌焊接，都會(huì)或多或少存在一定的缺陷，我們所要進(jìn)行的不僅僅是去探討這些導(dǎo)致缺陷的原因，更多的是要能夠針對(duì)這些原因?qū)ΠY下藥，切實(shí)解決這些在鋼軌焊接中可能存在的問(wèn)題，嚴(yán)格保證好焊接接頭的性能與質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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