鋼軌焊接方法與焊接接頭的質(zhì)量控制研究

劉寶海

（大秦鐵路股份有限公司秦皇島西工務(wù)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(biāo)志著我國鐵路交通的正式起步，隨著歷史的發(fā)展，我國鐵路交通行業(yè)在不斷進(jìn)步，至2016年底我國鐵路軌道的總長度就已經(jīng)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(fā)展[1]。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(huán)境。而無縫線路鋪設(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(shè)的要求，但在實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[2]。而在目前，國內(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(yè)，不同國家間行業(yè)上的學(xué)術(shù)交流也比較頻繁，因此國內(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(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，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)過時會產(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(jié)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(shè)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(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(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(jìn)行焊接，因此氣壓焊常常被應(yīng)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(diào)配成鋁熱焊劑至于反應(yīng)坩堝中，通過高溫火柴激活反應(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反應(yīng)過程中溫度最高可能會達(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。

三、不同方式鋼軌焊接中存在的缺陷及應(yīng)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(shù)上的缺陷也需要以針對性的策略方法來做出應(yīng)對。

（一）閃光焊

閃光焊是在現(xiàn)在無縫線路的鋪設(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)問題的幾率最低，但仍存在三個可能存在的技術(shù)缺陷：1.接頭處可能會由于進(jìn)刀量無法精確控制而產(chǎn)生馬氏體組織，此類缺陷通?？梢酝ㄟ^在焊接前對焊鉗接觸部位的打磨處理來進(jìn)行應(yīng)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(jìn)行拋光打磨，并對頂鍛參數(shù)進(jìn)行合適的調(diào)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(yán)格控制各項具體參數(shù)，并及時將焊接面上的氧化層進(jìn)行清理即可。

（二）氣壓焊

氣壓焊的焊縫質(zhì)量主要受人為因素的影響，同時工作環(huán)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(nèi)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(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，在焊接前對這些問題進(jìn)行精確的檢查即可避免；2.加熱時間過長導(dǎo)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(shù)的精確度來減少，但是很難完全規(guī)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(yù)調(diào)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(xiàn)場完成焊接工作，因此其主要缺陷也是在內(nèi)外兩方面體現(xiàn)出來的，主要形式有：1.由于鋼軌端面校正時預(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)，一般在焊前對軌頭、軌腰、軌底三個部位精確對正并在焊后及時復(fù)位即可避免這類問題；2.由于焊劑質(zhì)量或者工具受潮導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生，這類問題沒有特殊的辦法解決，只能通過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，夾砂指的是操作過程中型砂進(jìn)入焊縫后造成的缺陷，通常來說，以更嚴(yán)格的要求來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缺陷的產(chǎn)生[5]。

（四）保證焊接接頭質(zhì)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(jìn)行了分析與探討，雖然它們在焊接接頭的質(zhì)量上的問題各不相同，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)備正常運作；焊接時時刻注意焊縫情況，在不同情形發(fā)生時都要隨時能夠做出相應(yīng)的調(diào)整；焊后及時對焊接結(jié)果進(jìn)行檢查，嚴(yán)格控制好焊接接頭的質(zhì)量。

四、結(jié)語

總而言之，無論以什么樣的方式來進(jìn)行鋼軌焊接，都會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這些原因?qū)ΠY下藥，切實解決這些在鋼軌焊接中可能存在的問題，嚴(yán)格保證好焊接接頭的性能與質(zhì)量。