移動閃光焊焊接接頭質量控制分析

高 博

（中鐵物總技術有限公司， 北京 100036）

隨著我國鐵路的快速發展，移動閃光焊已經逐漸代替氣壓焊、鋁熱等傳統焊接方式，成為我國目前鐵路現場施工應用最廣泛的焊接方式。目前國內廣泛使用的移動閃光焊軌機主要有烏克蘭生產的K900 型焊機、K922 型焊機，美國生產的H-1200 型焊機，瑞士生產的AMS60、AMS100 型焊機及國產的LR-1200 型焊機和UN200 型閃光焊接熱處理一體機等。而因K922 焊機具有體積小、操作方便、焊接性能穩定等特點，目前現場焊普遍使用K922 型焊機焊接。但是由于作業在現場進行，因此相比廠焊（固定式閃光焊），無論從設備配置、焊接環境還是驗收流程等方面都略顯不足。面對這些不足，在現有加工設備的前提下，如何克服焊接環境，控制好各工序流程的質量管理，確保接頭質量將是此次討論的重點。

1 移動閃光焊工藝流程

移動閃光焊接是一個綜合性施工過程，任何一個工序的疏忽，都有可能對焊接接頭質量產生影響。目前移動閃光焊的工藝流程基本和廠焊工序相當，主要包括以下工序（見圖1）。

圖1 移動閃光焊工藝流程

2 施工前準備工作

2.1 人員結構

現場人員應包括主管生產、技術、質量、設備、材料等的主管人員及現場作業人員，其中生產人員統籌生產進度，技術人員對日常的焊接工藝進行制定、跟蹤，質量人員對焊接各工序的作業情況及成品接頭進行檢查，設備人員對各環節生產設備進行維修、保養，材料人員負責原材料的確認及各工序涉及的零件、工具的發放工作，作業人員負責焊接接頭的具體加工，各主管人員應協調一致，加強現場把控，對現場作業人員反映的質量問題迅速進行處理，避免產生質量隱患。現場作業人員也應經過相關培訓，熟悉操作工位的作業內容及作業質量要求，尤其是對焊接、熱處理及探傷等關鍵工位的作業把控。此外，還應盡可能選擇責任心強、經驗豐富的作業人員。

2.2 施工設備

現場施工的主要設備包括撞軌器、起道機、鋸軌機、砂輪機、移動式閃光焊機、正火設備、仿形打磨機、超聲波探傷儀、電子平直度儀等。現場施工的主要工具包括撬棍、角尺、塞尺、紅外測溫儀、軌溫計、缺口尺、平直尺、鏡子及照明設備等。為確保鋼軌焊接接頭相關測量數據的準確性，應保證檢驗設備在施工期間處于檢定合格狀態，必要時應對設備完成期間核查。

3 各工序控制要點

3.1 鋼軌焊前準備

作業人員應檢查鋼軌母材的質量，著重對鋼軌扭曲、低頭、翹頭、端面斜度及軌端撞傷情況進行檢查，母材如有明顯傷損，應及時鋸切。對于端面斜度超標及軌端撞傷情況，應及時進行打磨，以保證鋼軌端部的垂直度及平整度。

3.2 鋼軌母材除銹

鋼軌除銹工作首先應盡量避免在雨雪天氣進行，其次應對距離軌端750 mm 范圍內軌腰部位全部進行打磨，并露出金屬光澤。將打磨部位熱軋凸出標志打磨至與母材平齊，將防止焊機與鋼軌之間打滑而造成頂鍛量不夠問題，影響焊接質量。對于除銹工序，應充分引起足夠重視，鋼軌除銹區域與電極接觸區域如若有除銹不佳、除銹區域潮濕等情況，將直接增加彼此之間的電阻，導致熱輸入降低，且極容易產生灰斑缺陷，降低焊接接頭的強度和抗疲勞性。因此對于除銹不佳的區域，一定要對其進行補除，對于鋼軌除銹區域潮濕的情況，應先進行干燥，然后對除銹區域沾有的污漬進行補除。

3.3 鋼軌母材對位

由于目前現場焊過程中的大型數控矯直、精整設備的應用相對較少，如果鋼軌對位過程中接頭初始不平順太大，那么后續相關工位將對鋼軌接頭平直度問題的解決產生困難，極大地影響生產進度。

鋼軌對位過程中，首先使用平直尺對待焊母材鋼軌進行測量，測量時應以鋼軌行車面及工作邊為基準，然后根據測量結果對鋼軌位置進行調整，以使兩鋼軌端面對齊。另外由于受到軌道限制，鋼軌對位需要墊高順坡，一般焊機下面采用鐵質墊塊墊高，焊機前面鋼軌用起道機抬高。在焊接前，應根據焊機設備、軌枕、道床的安放位置等情況，結合理論與現場大量實踐，來確定合適的墊塊類型及墊高高度。

此外，焊接過程中還要把控好上拱量，上拱量過大會出現高接頭，上拱量過小則會出現低接頭。上拱量的數值選擇與鋼軌型號、加熱溫度及墊高方式等存在一定的關聯。目前現場焊一般設置為1～2 mm的上拱量，而在對軌過程中，因為焊機原因不能現場預留上拱量時，必須通過理論與現場試驗確定相關參數，嚴格控制墊塊距離與墊高高度，在接頭冷卻后進行平直度復測，收集數據與總結經驗，以求找到最佳起拱參數[1]。

3.4 焊接與推凸

焊接與推凸工位作業人員首先應檢查焊機冷卻循環水循環情況，以及電壓、液壓、電流等運行狀態是否良好，確認焊接參數是否與待焊鋼軌相對應，檢查鋼軌母材除銹效果、軌腰凸起商標、端部斜度、對位等。檢查無誤后對焊機進行必要的焊渣清理，接下來下降焊機機頭夾持鋼軌，用機頭夾鉗夾兩端鋼軌，然后作業人員通過人工手摸兩鋼軌軌頂及工作邊，再利用焊機機頭的升降、張開、夾緊來調節接頭錯邊量，調整完成后開始自動焊接。焊接過程中應及時觀察焊接曲線，確認焊接過程是否正常，焊接完成后檢查焊接接頭上拱量、推凸余量以及接頭表面是否有裂紋、焊渣擠入、劃傷、灼傷等傷損，最后再對接頭標識進行編號，并填寫焊接記錄，以實現接頭的追溯。

對于出現的不合格接頭應鋸切重焊，鋸切接頭時也應充分考慮接頭的鋸切長度（距離焊縫中心不少于50 mm）、接頭的冷卻速率及接頭鋸切后的端部斜率。另外焊接前要特別關注現場的工作環境溫度，當溫度低于0 ℃時，應避免進行焊接，當溫度在0～10 ℃時，為保證工藝穩定，應使用加熱裝置對待焊母材的1 m 范圍內進行均勻加熱，待鋼軌預熱到30～50 ℃后方可焊接。為避免鋼軌因天氣較冷（10 ℃以下）冷縮后造成對熱接頭受拉的影響，焊接完成后應采取保壓措施。保壓完成后，當氣溫低于10 ℃時，應迅速用保溫罩對接頭進行保溫，尤其是接頭軌底角位置，以避免在寒冷空氣中熱接頭因降溫速率過快而產生馬氏體組織。

3.5 接頭粗磨

粗磨主要是去除焊筋，為后續作業工序提供條件。焊筋整形的對象為軌底、軌底上表面、軌角邊緣、軌腰、軌頭下顎及軌頭非工作邊，打磨過程中切勿橫向打磨，應沿鋼軌方向縱向打磨，打磨后表面應平整、無棱角或臺階，表面質量應滿足后續的探傷要求。與母材過渡圓順，軌腳邊緣上下棱角應倒成圓角。另外打磨時，不應損傷母材或磨虧接頭，在使用砂輪機打磨后，為保證接頭打磨質量，還可使用角磨機對打磨后的接頭進行拋光。

3.6 接頭熱處理

為了細化接頭晶粒，減少內部應力，增加接頭的韌性，應對粗磨后的接頭進行熱處理。目前接頭正火現場采用火焰或電感應的熱處理方式，其中采用火焰加熱的熱處理方式居多，不過隨著技術的發展和對質量要求的提高，將逐步趨于采用電感應的熱處理方式。

接頭熱處理前應保證接頭溫度低于500 ℃，確保加熱前接頭完全由奧氏體轉變為珠光體組織，否則熱處理后接頭晶粒不但無法細化，而且還會得到粗大的珠光體或產生過熱組織，從而降低接頭的機械性能。對于火焰加熱，應及時調整每一個接頭與加熱器之間的間距，使得接頭與加熱器對稱、均勻，之后啟動冷卻水泵，開始加熱[2]。火焰應以焊縫為中心左右均勻擺動，加熱寬度為（50±10）mm，頻率、氣體流量、加熱溫度、加熱時間應嚴格按工藝要求執行，切勿產生粗晶或未正透的現象。另外在遇到雨雪、大風等極端天氣時，應停止熱處理作業。對于較冷的天氣，還應做好熱處理后接頭的保溫工作，防止應冷卻速度過快在接頭表面形成馬氏體組織。

3.7 調直

在調直作業前應先對接頭的軌頂面、工作邊的平直度進行測量，然后采取多次微調的方法對平直度偏差進行矯正，為后續精磨作業提供準備條件。

3.8 精磨及外觀檢驗

為了保證接頭的廓形及平直度符合要求，應使用仿型打磨機對接頭的行車面及工作邊進行外形精整[3]。作業前，先對調直后的接頭進行降溫，確保接頭周圍1 m 范圍內的溫度控制在40 ℃以下。目前因受工作環境影響，無法像廠焊一樣使用大型精磨或精銑數控設備，主要還是采用鋼板尺或電子尺邊測量平直度邊利用仿形打磨機打磨的方式。在測量時，為消除平直尺加塞尺方法固有測量原理的缺陷，要盡量使用電子尺測量，因為電子尺可以直觀反映接頭平直度曲線的趨勢，作業人員通過平直度變化趨勢可以判斷打磨長度、打磨深度以及確定重點打磨區域。為保證接頭精磨質量，精磨過程中不應超范圍打磨（即焊縫兩側各400 mm 的范圍），不應使接頭或鋼軌產生任何壓痕、碰傷、打磨灼傷等傷損，不應使用外形精整的方法糾正超標的平直度偏差和錯邊量超標的接頭[4]，打磨后打磨區域應平整、無臺階或明顯凹坑。另外值得注意的是，打磨過程中一定要控制一次磨削量，切勿使磨削量過大，否則會對鋼軌造成打磨深度過大、加工痕跡過寬（無法保證鋼軌廓形）及打磨發藍的情況。打磨完成后，依據相關驗收標準使用電子尺或平直尺對接頭的平直度及不平度進行測量。

3.9 接頭探傷

超聲波探傷作為接頭內部質量的判定手段，應充分引起重視，經修磨或二次熱處理后探傷波高依然超標的接頭必須鋸切重焊。探傷前應對探傷儀的線路連接狀態及探頭磨損狀況進行檢查，然后對探傷儀的靈敏度進行校準。探傷過程中應首先保證接頭溫度低于40 ℃，且接頭表面無銹蝕和焊渣，打磨面應平順、光滑。然后在探傷區域均勻涂抹上耦合劑，用單探頭和雙探頭對接頭進行掃查檢測，尤其要對軌底角及軌底三角區位置進行著重檢查。在實際生產過程中，往往有接頭軌底、軌腰或軌頭下顎焊筋打磨不到位造成焊筋波的情況產生，此時應重新修磨，修磨后再進行復探，避免因焊筋波干擾而造成誤判、漏判。

4 結論和建議

1）為實現焊接對位系統化，應進行大量實踐，收集數據，并進行分析、比對，找出合理的焊機位置及鋼軌墊塊位置、厚度、傾斜度等數據，保證鋼軌對位精準，進而保證接頭初始平直度良好。

2）對相關工序接頭加工前后的溫度進行嚴格控制，以保證接頭的內外部質量。

3）應加強對設備狀態的診斷、維修及保養，以保證設備工作狀態的穩定。

4）引入大數據和質量工具進行分析，如收集接頭焊接、平直度及探傷原始數據，以大數據為基礎引入SPC（統計過程控制）等質量工具，通過過程能力分析發現作業中的異常，并立即針對異常采取措施，最終將問題妥善解決，從而進一步提高接頭質量穩定性。此外，也可試圖引入FMEA（失效模式和效果分析）工具，從設計、過程、設備及體系環節找到潛在失效模式，并對后果進行分析、評估，從而提前采取能夠減少或避免這些潛在失效的解決措施，最終提高接頭的質量和可靠性。

5）加強各工位的作業標準化水平，任何一個細節都有可能對最終接頭的質量產生影響，在日常生產過程中，應充分發揮檢驗員或第三方監理人員的監督機制，加強接頭的過程及成品檢查，以保證接頭質量的穩定可控。