鐵路工程鋼軌探傷工作分析

劉慧娟

（中鐵二十二局集團第二工程有限公司，北京100000）

0 引言

鐵路鋼軌大多由含碳量一定的鋼材進行表面淬火后再經過擠壓機擠壓制成，鋼軌具有較強的抗扭轉性能，能夠在超低溫與超高溫環境下保持良好的性能。但鋼軌的主要成分是鋼鐵，長時間使用后就會出現鋼鐵疲勞甚至出現脆斷，由于火車車輪與鋼軌之間的接觸形式為剛性接觸，鋼軌出現微小錯位和軌道變形都會導致火車脫軌，對乘客的生命和財產安全造成極大威脅。我國早在21世紀之初就提出安全運輸的號召，動用所有社會優秀資源和技術保證鐵路運輸安全。鐵路運輸安全離不開對鋼軌的日常養護和檢修，正是因為有無數個在工作崗位上默默付出的鋼軌探傷人員，才保證了鐵路運輸的可靠及安全。通過研討鐵路鋼軌焊接方法以及探傷的必要性，針對短鋼軌鋪設時焊接為長鋼軌的焊接過程進行深入探討，為相關人員提供必要的理論支撐。

1 鐵路鋼軌常見焊接方法介紹

1.1 鋁熱焊接技術

鋁是一種常溫下化學性質特別活潑的金屬，在空氣中會發生劇烈的氧化反應生成Al2O3，而在水中會與水分子反應生成Al(OH)3；鋁熱焊接技術正是運用鋁的這種活潑的金屬性質，讓重金屬氧化物和鋁熱劑進行共同預熱處理，最終實現對鋼軌的熔化再加工的焊接過程。鋁在重金屬氧化物與坩堝的共同作用下會在坩堝內放出大量的熱，將鋼軌熔化為鋼水，操作人員將鋼水放入既定的砂模中最終實現鋼軌的成型加工。鋁熱焊接技術可達到操作簡單、施工方便的焊接目標，節約施工時間的同時也提升了焊接效率。但通過鋁熱焊接技術成型的鋼軌的鋼筋的力學性能是否發生改變，以及物理性能是否可靠，還需在下一步的現場檢驗中加以分析。

1.2 工地現場閃光焊接

預設鋼軌在進行空間六自由度定位后，利用電流熱效應進行焊接的方法稱為工地現場閃光焊，顧名思義電阻在產生大量熱時往往會發出亮光，實現對熱能的轉化。利用數控加工與電流熱相互配合可做到精確焊接，將焊接合格率提高至96%以上，保證了施工質量。在火車日益提高運行速度以及鐵路部門對鐵路焊接技術需求不斷提高的今天，閃光焊逐步取代了鋁熱焊以及氣壓焊技術，成為鋼軌焊接的主要焊接方法。在兩段鋼軌間加入數值較大的交變電流，迫使其產生大量熱，在電流的作用下，鋼軌極易產生金屬過梁，配合頂鍛技術共同達到理想的焊接效果。在通電瞬間產生的閃光效果會使鋼軌再次加熱，提升電流的加熱作用，有效提升斷面溫度，避免由于熔化不均造成溫度不平衡情況最終導致鋼軌內部存在殘余應力，同時閃光也可作為碳元素排放的催化劑，保證單位面積鋼軌的含碳質量分數，避免由碳元素內部含量發生變化發生鋼結構的變形。

1.3 氣壓焊接

氣壓焊接是應用氧氣和乙炔作為燃燒介質，實現對鋼軌的加熱與加壓進行焊接的施工方式。在鋼軌溫度達到塑性變形后，在固態與熔融液態平衡點間施加頂鍛力以產生頂鍛量，最終使鋼筋接頭有效擠壓一起，達到焊接目的。氣壓焊接不但可用于焊接長鋼軌的聯合接頭，同時也可封鎖鋼軌天窗，進行多功能傷軌焊接處理。國內軌道焊接往往采用小型氣壓焊接機，通過對氧氣與乙炔的預熱、預頂施壓、低壓頂鍛以及高壓頂鍛等階段，進行氣壓焊機與鍛造。由于施工設備體積小、質量較輕，具有良好的機動性能，便于在鋼軌移動，往往在長軌條焊接中應用廣泛。

2 焊接方法產生的缺陷介紹

2.1 鋁熱焊接方法造成缺陷

在鋁金屬受熱熔化形成鋁水后，鋼會在鋁水高溫作用下形成鋼水。由于液體具有流動性，鋼經歷熔化變成液體后會引發孔穴問題，造成縮孔；縮孔會導致局部過熱，甚至會導致鋼結構顏色發生改變，雖然鋼軌在使用過程中不會考慮其顏色對使用的影響，但顏色發生變化反映了鋼結構內部碳元素發生焦化，最終會引起內部結構變形，對焊接起到反作用。若焊接前鋼軌內部存在不連貫的縮孔，則會導致焊接疏松情況，嚴重影響了焊接質量，降低焊縫組織的密封性和拒水性。在鋁熱水焊接前，砂模的選取及對鋼軌軌道的清潔不到位都會導致氣孔問題。在鋁熱焊鑄造過程中，最常見的問題就是夾渣；由于鋼軌內部存在的一定雜質，熔化后，雜質進入焊縫導致夾渣情況出現。夾渣與鐵水混合后會降低鋼軌的整體抗拉壓性能，甚至造成鋼軌“跑鐵”情況，降低鋼軌的綜合性能，使其不能達到預期的目標。

2.2 工地閃光焊接方法造成缺陷

在工地閃光焊前，將鋼軌架設在滑動設備上；常用的滑動設備包含滾輪式與滾棍式兩種，滾輪式是在滾輪下部有鋼支撐，摩擦力系數為鋼鐵之間的摩擦系數，避免了不同物質之間的相互摩擦，避免了分子在不同物質之間的擴散。但相關技術人員為了節約成本，往往選用滾棍式滑動構件，由于滾棍為柱狀物體，滾動時會對鋼軌造成印痕，降低鋼軌整體剛度。在控制頂鍛力方面，多數施工建設單位采用自動化設備鋼軌拔彎法，雖焊接接頭與拔彎位置留有一定距離，但還是會影響焊接接頭的平直度，不能保證焊接質量。工地閃光焊由于更多應用在鎖定與通車線路，焊接后的鋼軌不能承受車輛載荷，造成預拱度精度下降，進而造成鋼軌位置的絕對滑移，形成安全誤差。

2.3 氣壓焊接方法造成缺陷

氣壓的缺陷與閃光焊接缺陷較相似，以平面為主，主要組成為未焊合及反應光斑，其余部分是推凸造成的缺陷。而氣壓焊接之所以不能被推廣使用的主要原因就是氣壓技術與焊接需求相背離，而現存探傷技術往往不能對光斑缺陷做出準確、快速檢測。焊接反應光斑是發生斷軌事故的主要原因，由于反應光斑是介于焊合與未焊合間的產物，具有一定的迷惑性，在焊接過程如果忽略了光斑則會造成熔合面光滑，應力在光滑熔合面上擴散速度較快，會造成應力大量集中，鋼軌來不及進行微小形變釋放應力，導致斷軌情況出現。以快速鐵路為例，斷軌事故的發生是不可預見的，一旦快速列車飛馳而來就會造成斷軌情況加劇，甚至導致列車出軌，對群眾生命財產造成極大威脅。

3 從工作流程以及施工工藝方面提升探傷流程質量的措施

3.1 利用超聲掃查方式進行探傷

焊縫探傷檢查組人數不少于八人，設備數量不少于五臺，超聲設備可在使用時間內不斷發生超聲射頻，一旦碰觸到焊縫位置就會因反射時間的不同，直接通過設備示數讀取。超聲探傷可做到無損探傷，同時可提升探傷的準確性，探傷能力不受空間、時間、電磁、環境干擾，而超聲來源只需專用電池即可滿足。由于對鋼軌內部結構幾乎沒有影響，如今已經成為探傷領域中應用最廣泛的方法。在選用超聲設備時，應關注超聲設備的射頻區間，選用靈敏度更高的設備，為探傷工作提供必要的理論支撐。

3.2 嚴格把控焊接技術的選擇與應用

常見的鋼軌探傷檢測方法還包括渦流檢測、磁粉檢測與射線檢測。與超聲波探傷技術相比，渦流檢測利用電磁感應原理是檢測鋼軌表面近表面缺陷的科學方法，利用能量較強的磁感線圈使內部導電構件產生電渦流，借助探測線圈探測單位時間渦流電流的變化量，分析鋼軌電阻率以及電流的融通能力，便于了解情況。渦流探傷分為穿過式探傷、探頭式探傷及插入式探傷，穿過式用于鐵軌管材檢測，探頭式用于鋼軌局部檢測，插入式用于對管孔的內部檢測。磁粉探傷將具有潛在磁化能力材料進行磁化，利用磁化后的缺陷構件進行磁粉的吸附，最終判定缺陷情況。但此方法具有一定缺陷，在漏磁場部分就會造成磁粉吸附不準確情況，只能辨別出其大體形狀，無法判別深度。磁粉探傷操作簡單，材料可循環使用，適用于較短的鋼軌。射線探傷利用各種放射性射線進行透視探傷，通過放射性光線在穿過不同厚度的材料會造成的衰減情況來準確探查內部損傷情況，最終決定科學的修補方案，提升鋼軌的整體使用性能，延長其使用壽命。焊接施工部門在焊接前應根據鋼軌長度及質量選用合適的焊接技術，節約焊接成本，提升焊接探傷的科學性與高效性[1]。

3.3 引入新技術提升探傷高效性及準確性

在快速發展的信息社會，利用遠程數字化探傷是探傷領域的先進技術。加強模擬探傷技術的應用，利用ANSYS 等有限元分析軟件詳細分析裂縫成因及作用點，根據數據制定有效的焊接方法。在高海拔地區或工作環境極為惡劣區域，可選用自動化探測機器人對鋼軌焊接情況進行實時檢測，通過衛星互聯技術及時回傳檢查信息，為后臺數據分析部門提供更加精確的檢測情況提升部門的協調能力。新技術匯集了當今世界的最新研究成果，相關人員應多學習，提高探傷速度及探傷精度，實現鋼軌焊接過程的平穩過渡，不斷提升鋼軌的焊接技術。

4 結語

鐵路鋼軌是現代交通運輸的重要組成部分，但在鋼軌鋪設中經常由于材料選用不合理、焊接出現技術性問題導致鋼軌連接過程出現錯位情況，嚴重影響了列車運行的平穩性和安全性。列車探傷工作正是對此類問題進行找尋，來保證鐵路運輸暢通無阻的有效做法，相關人員應提升重視程度，不斷推動鐵路事業向好向強發展。