鋼軌鋁熱焊縫傷損分析與防止措施

劉貴琚， 韋昌革

（南寧鐵路局柳州工務(wù)段，工程師，廣西 柳州 545007）

鋼軌鋁熱焊縫是鐵路無(wú)縫線路主要的聯(lián)合接頭之一，其質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到行車安全。南寧鐵路局柳州工務(wù)段管轄的焦柳、湘桂、黔桂線P60鋼軌無(wú)縫線路近700 km，全段線上在役鋁熱焊縫6 100多頭。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年因處理傷損鋼軌、傷損焊縫和無(wú)縫化道岔而進(jìn)行焊接的鋁熱焊有1 300多頭。2005～2007年，共發(fā)生鋁熱焊斷軌9起，直接影響或中斷行車?yán)塾?jì)13 h，嚴(yán)重威脅行車安全。因此，有必要對(duì)防止鋁熱焊縫傷損的措施進(jìn)行探討，以提高焊接質(zhì)量。

1 原因分析

通過(guò)分析，鋼軌接頭鋁熱焊內(nèi)部傷損或折斷，主要由氣孔、縮孔、未焊透、夾渣、裂紋造成。

1.1 氣孔 進(jìn)行鋼軌鋁熱焊時(shí)，由于焊劑受潮或過(guò)時(shí)、焊劑反應(yīng)強(qiáng)烈、焊劑燃燒平靜時(shí)間過(guò)短、封箱泥過(guò)濕、軌縫有水分、預(yù)熱器使用的燃?xì)夂?、操作工藝不?dāng)?shù)?，都?huì)在鋁熱焊處引起氣孔的產(chǎn)生。經(jīng)使用后，氣孔擴(kuò)展，形成貫穿傷損，其危害性大。氣孔的大小不一，有單個(gè)、多個(gè)或蜂窩狀氣孔群。單個(gè)的小氣孔直徑有的小于2 mm，大的氣孔直徑為8 mm，甚至更大。氣孔產(chǎn)生于焊縫的任何部位，存在于焊縫內(nèi)部或表面。見(jiàn)圖1。

1.2 縮孔 縮孔產(chǎn)生的原因：一是預(yù)熱時(shí)間短，預(yù)熱溫度不夠；二是澆注后散熱過(guò)快，導(dǎo)致鐵水凝固收縮。其特征：全焊縫斷面均可產(chǎn)生，斷口表面晶粒粗大，呈暗灰色空穴，表面凹凸不平。如圖2。

圖1 蜂窩狀氣孔

圖2 縮孔斷面圖

1.3 未焊透 未焊透產(chǎn)生的原因：一是預(yù)留軌縫過(guò)大，致使局部預(yù)熱不到位，特別是軌頭厚的部位和軌底腳邊緣；二是預(yù)熱溫度不夠。其特征：斷口呈未熔合狀態(tài)，斷面平整，晶粒與晶粒之間未熔融，一般產(chǎn)生于軌底及軌頭部位。如圖3。

1.4 夾渣 產(chǎn)生夾渣的原因是由于焊劑反應(yīng)不完全、易熔塞熔化快。在焊劑未完全反應(yīng)完畢，沒(méi)有一定的平靜時(shí)間時(shí)，鐵水就開(kāi)始澆注，致使結(jié)晶過(guò)程繼續(xù)反應(yīng)，未上浮的溶渣、氧化物及夾雜物進(jìn)入焊縫。其特征：在斷面處存在不規(guī)則體積夾雜，呈銹斑暗紅色或暗灰色，存在于焊縫各個(gè)部位。如圖4。

圖4 焊縫夾渣

1.5 裂紋 焊縫產(chǎn)生裂紋的原因：一是焊接時(shí)冷熱分布不均勻，或預(yù)熱時(shí)金屬體積改變，特別是軌頭局部預(yù)熱不夠，結(jié)晶溶合不良；二是熔融結(jié)晶過(guò)程受到外力影響，組織受到破壞，致使產(chǎn)生應(yīng)力裂紋，運(yùn)營(yíng)后，裂紋逐步擴(kuò)大形成疲勞裂紋。其特征：裂紋產(chǎn)生于鋼軌母材與焊縫間，即一般所說(shuō)的熔合線，先是呈錚白色，裂紋經(jīng)空氣氧化后呈黑褐色。如圖5。

2 防止措施

圖5 焊縫疲勞裂紋

2.1 消除氣孔 消除氣孔措施：一是加強(qiáng)焊劑的管理，不用過(guò)時(shí)、受潮的焊劑；二是將焊劑存放在通風(fēng)干燥庫(kù)房的木架上部，避免焊劑受潮、受損，并有防火措施；三是對(duì)封箱泥、密封膏的使用要嚴(yán)格把關(guān)，過(guò)干或過(guò)潮都不要使用；四是在夜間、雨后焊接時(shí)，由于鋼軌潮濕，預(yù)熱前，應(yīng)用預(yù)熱槍焰火烘烤軌縫兩側(cè)鋼軌，范圍各500 mm，以消除鋼軌水分，氣溫低于15℃時(shí)，在裝模前用預(yù)熱槍將鋼軌加熱到37℃，加熱長(zhǎng)度在鋼軌軌端兩側(cè)各1 m范圍；五是預(yù)熱使用的燃?xì)猓ū椋?、助燃?xì)猓ㄑ鯕猓┘兌纫?，防止在燃燒過(guò)程中產(chǎn)生水蒸氣，滯留在焊縫中，形成焊縫氣孔；六是嚴(yán)格各項(xiàng)操作工藝規(guī)程，在寒冷氣候條件下，焊接將會(huì)冷卻過(guò)快，如果氣溫低于15℃，遇大風(fēng)或雨天，則要在推瘤后立即用保溫箱或保溫罩將焊頭覆蓋，保溫時(shí)間不少于10 min，之后才能進(jìn)行打磨。

2.2 消除縮孔 消除縮孔措施：一是嚴(yán)格按工藝操作，每次預(yù)熱前，檢查壓力表，如壓力被調(diào)亂，必須進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，通過(guò)氧氣和丙烷的調(diào)壓閥將壓力調(diào)節(jié)至焊接操作工藝要求；二是嚴(yán)格按照操作工藝預(yù)熱程序，預(yù)熱時(shí)間達(dá)到焊接工藝要求；三是預(yù)熱時(shí)，軌溫低于15℃時(shí)要對(duì)鋼軌進(jìn)行加熱，預(yù)熱溫度要達(dá)到900～950℃，肉眼觀察鋼軌斷面呈現(xiàn)暗紅色；四是天氣寒冷時(shí)，要對(duì)焊頭保溫，減緩散熱速度，防止鐵水結(jié)晶凝固收縮。

2.3 消除未焊透 未焊透缺陷是焊縫與母材未完全結(jié)晶熔合，局部預(yù)熱不均勻所造成。消除未焊透措施：一是預(yù)留軌縫要符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)留軌縫不宜偏小或偏大；二是有條件時(shí)使用遠(yuǎn)紅外線測(cè)溫儀測(cè)量預(yù)熱溫度，確保預(yù)熱達(dá)到所需的溫度；三是嚴(yán)格預(yù)熱時(shí)間，如遇氣候寒冷、軌溫低、風(fēng)速大等因素可適當(dāng)延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間，確保預(yù)熱達(dá)到規(guī)定溫度。

2.4 消除夾渣 消除夾渣措施：一是每次在焊劑裝堝前，應(yīng)檢查包裝箱內(nèi)組件是否齊全，焊藥包是否有破裂或受潮現(xiàn)象，一次性坩堝是否有破損及碎片，坩堝中的自熔塞是否正確無(wú)損；二是焊劑裝堝前要充分搞拌均勻焊劑，再行裝堝，避免焊劑成分不均勻；三是裝模和封箱時(shí)，要小心謹(jǐn)慎，避免砂模的砂粒以及封箱泥、封箱膏掉進(jìn)預(yù)留軌縫，在鐵水注入時(shí)融入焊縫中。裝好模后，必須用一片干凈紙板蓋在砂模上，防止雜質(zhì)落入砂模。

2.5 消除裂紋 消除裂紋措施：一是要嚴(yán)格預(yù)熱時(shí)間、溫度和均勻度。對(duì)火焰不集中的預(yù)熱槍，使用前要及時(shí)疏通出氣孔。預(yù)熱槍變形要修整，必要時(shí)送廠維修，測(cè)試壓力。二是避免焊縫結(jié)晶過(guò)程提前受力。在焊接過(guò)程中，焊縫附近使用的對(duì)正架、起道器、拉伸器，必須在焊縫推瘤完畢10 min后才能去除對(duì)正架，25 min后才能去除起道器、拉伸器。要完全避免在焊縫結(jié)晶過(guò)程在焊縫前后200 m范圍內(nèi)進(jìn)行其他作業(yè)（撥道、起道、緊固螺栓、改道、敲擊鋼軌等），應(yīng)使焊縫具有穩(wěn)定、平靜結(jié)晶環(huán)境。三是焊縫結(jié)晶過(guò)程避免鋼軌突然受冷，發(fā)生鋼軌收縮。在軌溫較高的環(huán)境焊接時(shí)，如突然下大雨，軌溫驟降，鋼軌發(fā)生收縮，鋼軌溫度應(yīng)力會(huì)嚴(yán)重破壞焊縫結(jié)晶，產(chǎn)生結(jié)晶裂紋。發(fā)生這種情況時(shí)，必須重焊。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采取針對(duì)性措施，加強(qiáng)鋁熱焊焊接管理，2007年下半年至2008年4月，柳州工務(wù)段共焊接鋁熱焊縫1 267頭，經(jīng)全斷面探傷均未發(fā)現(xiàn)上述傷損存在，取得了很好的成效。但還應(yīng)加強(qiáng)以下工作：一是選用質(zhì)量合格、技術(shù)先進(jìn)的鋁熱焊劑。焊接的鋁熱焊強(qiáng)度、硬度要高，外觀好，質(zhì)量穩(wěn)定，型式試驗(yàn)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到部標(biāo)規(guī)定要求。二是加強(qiáng)鋼軌鋁熱焊焊接技術(shù)管理，定期對(duì)鋁熱焊縫進(jìn)行靜彎、落錘試驗(yàn)。三是焊接人員要相對(duì)穩(wěn)定，每年對(duì)焊接人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)和考核，考核不合格者不準(zhǔn)施焊。四是鋼軌焊接的各種機(jī)具材料、儀表，應(yīng)配備齊全，保持良好，嚴(yán)格執(zhí)行鋁熱焊工藝操作要求、方法。五是建立健全完善的焊軌臺(tái)帳。