鋼軌鋁熱焊?jìng)麚p分析及預(yù)防措施研究

摘要：本文通過對(duì)鋁合金熱焊損傷的原因和損傷類型的分析，加強(qiáng)了鋁合金熱焊現(xiàn)場(chǎng)工作的管理，加強(qiáng)了對(duì)鋁合金熱焊現(xiàn)場(chǎng)工作的控制，脫落等損傷可參照軌頭焊接工藝。

關(guān)鍵詞：鋁熱焊;焊縫傷損;傷損分析;預(yù)防措施;軌頭焊補(bǔ)

一、鋼軌鋁熱焊?jìng)麚p總體情況

鋼軌鋁熱焊接頭是焊工的原因，其強(qiáng)度低于軌底，一般為軌底材料的70%，且后期磨損較大。此外，鋁熱焊接工作與工人的工作方法、工作水平和工作態(tài)度有很大關(guān)系，這些都是導(dǎo)致鋁熱焊頭損壞的原因。由于鋁的熱焊接過程是鑄造過程，不可避免地會(huì)產(chǎn)生氣泡和非金屬夾雜物等鑄造缺陷。

鋁合金熱焊焊頭表面的原始錯(cuò)位是造成返修后的不均勻沉降的重要因素，以導(dǎo)致及線路返修后工作量的增加。通過線路焊接方法得到改進(jìn)，使線路達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間延長(zhǎng)，提高焊接質(zhì)量已經(jīng)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

二、常見鋁熱焊?jìng)麚p類型及形成原因

（一）縮孔與疏松

鋁熱反應(yīng)過程中的縮孔，即溫度最高并最終凝固的溫度，是在體積收縮后，通過集中孔形成同心孔，使之收縮而形成的。疏松是一種細(xì)小而不連續(xù)的孔隙，在局部范圍內(nèi)分布均勻。

收縮的原因是鋁熱焊接時(shí)鋼水溶液與鋼軌接觸，對(duì)側(cè)與砂型接觸的熱傳導(dǎo)率不同，因此焊接前鋼軌與鋼水接觸的橫截面是必要的。如果預(yù)熱溫度過低或過低，且溫度不在中間，預(yù)熱槍和砂型偏重，位置不在中間，如果形成過熱現(xiàn)象，軌腰、軌腳等小截面的鋼液容易迅速凝固，縮孔變得困難，容易形成縮孔、疏松等鑄造缺陷，并產(chǎn)生于普通焊道的中心（預(yù)熱的最高溫度）和鋼軌的中心三角形，最終導(dǎo)致凝固中心松動(dòng)。

需要注意的是，如果預(yù)熱不均勻，預(yù)熱孔處軌面溫度局部偏高，則會(huì)延遲附近鋼水的凝固，焊接接頭的表面會(huì)收縮。當(dāng)焊接接頭出現(xiàn)疏松時(shí)，會(huì)產(chǎn)生疲勞芯效應(yīng)。在列車交變載荷作用下，較大的疲勞裂紋會(huì)從疲勞核心處逐漸擴(kuò)展，導(dǎo)致焊縫過早疲勞斷裂，預(yù)熱槍或砂型找正不當(dāng)，中心位置不當(dāng)，鋼軌接頭過大，可能導(dǎo)致疏松。

（二）夾碴

卡盤是熱焊接鑄造鋁結(jié)構(gòu)中常見缺陷的釘扎形式，由于焊縫進(jìn)入焊道，未熔化的金屬塊與鋼中的其他金屬混合。在鋁的熱反應(yīng)中，熔化沒有及時(shí)進(jìn)行，它向上漂浮，流入模具型腔，粘附在鋼軌表面，凝固形成凹坑，它的特點(diǎn)是混合不規(guī)則的體積在橫截面上，顯示黑色和黑灰色，并存在于焊縫的每個(gè)部分。

裂紋產(chǎn)生的原因是鋼軌過大，砂箱沒有緊密接觸或鐵軌運(yùn)行。由于鋼的含水量不足，不可能完全排出破碎的碎片，碎片進(jìn)入模具，很容易被夾在軌道頂部。如果太早打開熔化塞，焊渣就不能從鋼水中分離出來(lái)。有的鐵軌邊緣很臟，有金屬碎片和雜物，在封箱的過程中，不蓋住模具口后上升到砂型內(nèi)，讓雜質(zhì)進(jìn)入砂型內(nèi);砂型與導(dǎo)軌接觸面不匹配，沉積時(shí)間不足，反應(yīng)未完成，在模具的型腔中形成反應(yīng)碎片。

（三）熱裂

胎圈和熱影響區(qū)域可能發(fā)生熱裂紋，在焊頭的凝固過程中，溫度略低于凝固點(diǎn)的恒溫范圍，在該溫度范圍內(nèi)，當(dāng)發(fā)生收縮應(yīng)力或外力超過鋼材的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)裂紋和斷裂。在這種高溫區(qū)域形成的斷裂稱為熱裂紋，其特征是鋼軌母材與焊縫之間產(chǎn)生裂紋。也就是說(shuō)，一般的熔化線先是呈錚白色，裂紋經(jīng)空氣氧化后變成深褐色，熱裂紋對(duì)焊頭的質(zhì)量有很大的影響，會(huì)導(dǎo)致斷開。

熱裂紋產(chǎn)生的原因是焊縫的運(yùn)動(dòng)和拉應(yīng)力，特別是在低溫下，由于激冷效應(yīng)，加速壓縮使收縮應(yīng)力增大，在高溫區(qū)形成熱裂紋。當(dāng)焊頭在冷卻過程中沒有完全凝固時(shí)，會(huì)受到外力的沖擊。

（四）未焊合

鋁熱焊接后，兩段待焊鋼軌仍存在未焊區(qū)，稱為未焊區(qū)。焊接缺陷是鋁熱鋼在低預(yù)熱溫度下釋放的熱量不足以熔化鋼軌端部;預(yù)熱時(shí)間不足或氧氣、丙烷壓力不足不能使軌端熔化;軌端處理不良，軌端氧化層脆化，導(dǎo)致熔化不良，砂型孔與軌底找正不準(zhǔn)，預(yù)熱槍間隙不均或找不到中心。導(dǎo)致一側(cè)預(yù)熱不足;鋼軌焊縫過小，熱容較小，冷卻時(shí)鋼軌端部未完全熔化，造成無(wú)焊縫;用氧氣切割鋼軌的端部，而不是用鋼軌鋸，中砂箱則采用“流水鐵”焊接。

（五）粗晶

對(duì)于焊頭的晶體結(jié)構(gòu)而言，部分或全部橫截面上的粗大或不均勻晶粒稱為粗晶粒。焊縫的晶粒度應(yīng)比鋼軌的晶粒度小一度。如果PD3鋼軌的晶粒度為6級(jí)，則PD3鋼軌的晶粒度應(yīng)小于鋼軌的1度，焊縫的晶粒度不小于5級(jí)，1-3級(jí)為粗晶粒。粗晶影響了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度和韌性，增加了焊接接頭的脆性。粗大的晶粒會(huì)導(dǎo)致鋼軌斷裂，以脆性斷裂為主。粗晶形成的原因是冷卻速度過快，是粗晶形成的主要原因。

三、鋁熱焊?jìng)麚p預(yù)防措施研究

對(duì)于在線熱焊接接頭，為了防止鋼軌因損傷而斷裂，必須有一套行之有效的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，接頭外觀檢查采用電子水準(zhǔn)儀，超聲波探傷儀用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)。

焊接接頭的外觀檢查主要包括用電子水準(zhǔn)儀檢查和觀察工作面和導(dǎo)向面的直線度。無(wú)縫線路、道岔鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊縫除按鋼軌探傷周期使用鋼軌探傷儀外，每半年用專用儀器進(jìn)行一次全斷面檢驗(yàn)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接條件較差的焊縫，應(yīng)根據(jù)具體情況增加檢驗(yàn)次數(shù)。

現(xiàn)場(chǎng)新焊道必須嚴(yán)格執(zhí)行“當(dāng)日施焊”工作制度，鋼軌焊接方案批準(zhǔn)后，線路工作站應(yīng)及時(shí)通知監(jiān)控車間及相關(guān)檢查組，監(jiān)控工作場(chǎng)所接到焊接計(jì)劃通知后，應(yīng)立即發(fā)放涂片，并對(duì)新焊道進(jìn)行檢查，線路作業(yè)場(chǎng)所負(fù)責(zé)安全防護(hù)等配合工作。

焊道對(duì)接接頭應(yīng)具有高中以上文化程度，發(fā)自內(nèi)心地?zé)釔蹌潅ぷ?，?duì)不習(xí)慣檢查鋼軌的人適時(shí)調(diào)整。焊道必須通過一級(jí)超聲波檢測(cè)和鐵路技術(shù)鑒定，并通過專業(yè)的鐵路焊道檢測(cè)技術(shù)檢驗(yàn)。應(yīng)了解焊道檢測(cè)原理，熟悉焊道缺陷標(biāo)準(zhǔn)。在年度大修前，我們將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控，并對(duì)新焊道進(jìn)行培訓(xùn)和測(cè)試。

打磨新的熱焊道后必須進(jìn)行試驗(yàn)，焊道溫度必須冷卻到40℃以下℃， 試驗(yàn)表面不得有焊渣、焊管或嚴(yán)重腐蝕。鋼軌兩側(cè)、軌距兩側(cè)、鋼軌底部?jī)蓚?cè)和鋼軌頂部（30 mm）必須打磨至鋼軌的原始表面。在檢測(cè)焊道損壞之前，必須清除油和嚴(yán)重腐蝕。

焊縫檢測(cè)范圍為從焊縫中心到焊縫兩側(cè)。整個(gè)焊道掃描200mm，鋁熱劑焊道掃描延伸至焊道全寬（縱軌）;焊接缺陷應(yīng)包括鋼軌接頭，包括焊縫和熱影響區(qū)（200m）。

手工檢測(cè)焊道，需要有高度的責(zé)任心，專心檢測(cè)，觀察焊道，采用照亮焊道的方法，用檢查小鏡對(duì)鋁熱劑焊道的整個(gè)表面進(jìn)行檢測(cè)。特別是鋼軌邊緣位置和軌底難度，要做外觀檢查和超聲波探傷兩項(xiàng)檢查。

用檢查小鏡檢查焊縫軌頭的腰部，觀察有無(wú)銹跡、氣孔、胸膜腔、凹陷等缺陷裂紋。軌底部分：將檢查小鏡放入軌底，用自然光照鏡子看是否有裂紋。觀察焊道兩側(cè)的熱影響區(qū)域。是否有其他外力引起的缺陷（如軌底刷、軌底打磨機(jī)劃傷等）。隧道中的焊縫利用燈光的反射來(lái)檢查從軌頭到軌底的整個(gè)區(qū)段，方法是一樣的。

外觀檢查缺陷判定要求：軌頭位置不允許有裂紋，表面孔徑不大于1nm，數(shù)量不大于1;軌頭、下顎夾渣、夾砂不大于1nm，數(shù)量不大于1;氣孔大小不大于2m，數(shù)量不大于3個(gè)，鋼軌下部不應(yīng)有裂紋、致密氣孔、大于2mm的單孔、鼓包、凹陷等缺陷。

焊縫探傷前應(yīng)徹底除銹，清除焊縫邊緣的焊渣、油脂和鐵銹。探傷表面無(wú)污垢、銹蝕，符合探傷要求。如發(fā)現(xiàn)部分零件因脹形或磨削不當(dāng)而影響探傷時(shí)，應(yīng)做好記錄，并建立臺(tái)帳，通知生產(chǎn)線部門組織生產(chǎn)線車間打磨。探傷時(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程，注意探頭的耦合狀態(tài)，控制探傷速度。新建帶電線路每條焊縫的探傷時(shí)間（含外觀檢查）不少于15分鐘。

結(jié)束語(yǔ)

鋁熱焊的影響因素包括工藝技術(shù)、操作人員的態(tài)度等。本文通過現(xiàn)場(chǎng)管理，嚴(yán)格的管理制度和過程控制，可以有效規(guī)范現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的正確操作，合理的獎(jiǎng)懲制度可以激發(fā)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的積極性。從而提高鋁熱焊接質(zhì)量，在一定程度上避免焊接過程中的損傷，很難完全避免鋁熱焊接的損傷。但通過加強(qiáng)管理，鼓勵(lì)現(xiàn)場(chǎng)操作，提高工人的積極性，可以有效地提高焊接質(zhì)量，防止鋼軌斷裂，鋼軌焊縫打磨可按后期規(guī)定進(jìn)行。

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作者簡(jiǎn)介：張奇（1996.06—），男，河北邯鄲人，大學(xué)本科，現(xiàn)任中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司邯鄲工務(wù)段助理工程師，研究方向?yàn)殇撥変X熱焊接。