浅谈无缝线路钢轨现场焊接技术工艺

王 刚，王宇红

(呼和浩特铁路局 呼和浩特工务机械段，内蒙古 呼和浩特 010010)

无缝线路的铺设对钢焊接技术提出了更高的要求，目前我国铁路多以闪光焊和气压焊为主，铝热焊、冻结、胶粘为辅进行无缝钢轨铺设。呼和浩特工务机械段焊轨车间自2014年成立以来，大修更换钢轨现场线下焊接主要以闪光焊接为主，焊机采用昆明中铁和襄樊金鹰移动闪光焊轨车；线上焊接主要以气压焊接为主，焊机采用昆明中铁气压焊轨车。随着焊接机械化程度的不断提高，对焊接工艺的要求更加严格。

1 焊接工艺探讨

钢轨焊接方法主要有3种：接触闪光焊、气压焊、铝热焊。

1.1 接触闪光焊

接触闪光焊主要是利用电流通过电阻时产生的热量熔接焊件，经过前期预热，中期持续加热，后期快速爆破闪光，最后经顶锻和保压自然冷却完成焊接。 其特点是设备的自动化控制水平高，一旦焊接参数调试成功，焊接质量人为影响因素极小，焊接效率高质量稳定可靠。通过正火优化焊接质量，钢轨内部晶粒细化，更接近于钢轨母材。其中连续闪光焊、预热闪光焊和脉冲闪光焊统称为接触闪光焊。

接触闪光焊最核心的部分就在于焊接参数的调整，可调模板中，从第0阶段到第5阶段及最后的加速阶段，每个阶段又由不同的时间、位移、电压、三组电流、前进速度、后退速度等许多不同参数共同决定，累计共有58个参数小组可调，每一个参数都有特定的意义和恰当的范围，将每一种参数都调试到最佳值，才是优化闪光焊接质量最可靠的关键。而且不同轨型的参数都不一样，越是含碳量高的新型钢轨，焊接参数越难调试。

闪光焊接过程中，除了未焊合、焊渣等问题，最需要注意的就是焊接质量中的灰斑缺陷。

灰斑主要有焊接工艺参数、设备性能、发动机提供的电流电压、钢轨端面侧面干净程度、端面平整程度、预留两钢轨端面距离、天气环境、长钢轨可能存在的钢轨应力、作业人员操作水平等影响因素引起。灰斑是闪光焊焊接中比较顽固的缺陷，随着钢轨焊接技术的提高，只能做到控制到最小，尽可能将灰斑控制在合理区域，远离轨底三角区和轨角边缘等危险区域，避免钢轨应力集中发生扯断等情况。钢轨焊缝超声波探伤仪对有些小范围的灰斑，因回波偏弱有时可能出现探测不到或漏探等情况。 而像夹渣、未焊合、过烧、欠烧等属于钢轨较严重缺陷，比灰斑严重，大多需要锯断重焊。夹渣和未焊合一般可能由于断闪引起；过烧是因为参数提供热量过大，需要减少提供热量的相关参数时间、电流、电压和推送速度等；而欠烧恰好和过烧相反。

图1 钢轨焊缝断口处灰斑

由于闪光焊的大电流爆破，焊接后内部组织晶粒普遍粗大，达不到钢轨上线标准，需要对其进行正火(二次加热处理)，其目的在于使得钢轨焊接组织内部晶粒细化和碳化物分布更均匀，形成更为细小的奥氏体组织，可以明显提高接头延伸性和抗冲击性，同时对焊接残余应力有重新调整的作用，对缓解焊缝区域的应力集中有一定效果。现阶段主要采用火焰正火(氧气乙炔一定比例燃烧提供热量)和正火车电磁感应正火方法。电磁感应正火比火焰正火提供的热量更加均匀，细化晶粒水平更高，接头质量提高更稳定，而且不受大风、风沙等相对恶劣天气的影响。

1.2 移动气压焊

移动气压焊主要是气压焊轨车设备，其原理类似传统的小型气压焊。利用乙炔氧气提供适当热量，最后通过指定的压力将熔化的轨端挤压到一起达到焊接的目的。

影响气压焊焊接质量最关键的就是氧气乙炔的质量、压力、燃烧提供的热量和两钢轨端面的处理。其最不可控制的焊接缺陷就是光斑，和端面处理是否规范有很大关系；还有就是夹渣问题，是因为端面处理不干净，可能有油、沙、土、铁屑等杂质；假焊或未焊合是因为顶锻量过大，将熔化的有益铁水组织挤出过多，剩下凝结部分不足以提供大荷载作用。

气压焊焊轨的正火工艺和气压焊轨有一定的相同部分，用氧气乙炔燃烧进行二次加热，气压焊和其正火工艺最怕雨天遮挡不严实和风天挡风不彻底，焊接过程和焊头一旦被雨水浇灌或大风影响，容易造成焊接不良的不合格焊头。

由于气压焊焊接和正火一体化，而氧气乙炔的质量不定和压力受稳定影响，不同环境燃烧提供的热量不同，对火焰要求很是严格，钢轨焊接需要的热量全部由人员眼睛观察调控，这对于观火人员和控火参数要求很高。当然，焊接质量的稳定和外观平顺与焊轨车参数、性能及自然条件等也有关系。

1.3 铝热焊

铝热焊主要以轻便、简易、高效率、快速焊接而被运用广泛，铝热焊接是采用铝和重金属氧化物的混合物为焊剂，通过氧化还原反应实现铸造工艺。

图2 铝热焊原理

铝热焊的药剂很关键，焊剂的化学成分以碳、硅、锰元素为主要元素，用其他微量元素调解焊缝的金属的强度、硬度、韧性等综合性能，还有不同元素的粒目不同，其最后反应效果也是不一样的，选择质量可靠的药剂是保证焊接质量的核心。药剂的反应不充分，反应后有其他杂质成分未及时完全排出，夹杂在钢轨焊缝之中，就形成夹渣缺陷，还有夹沙、沙眼的缺陷大多是因为沙质模具上的掉落物夹杂焊缝中间。

提高铝热焊焊接要求，把控焊接质量。其焊接工艺要求有：预留合适轨缝和一定的预拱度，夹具要卡紧，坩埚要干净完好无损无潮，与钢轨接触密封完好，焊剂要合格，焊前预热温度要达标，焊接过程要注意安全距离，焊后拆解和打磨要严格把控等。

2 无缝线路钢轨焊接的现场条件

钢轨长度受制于制造、运输、铺设和养护技术，而现场施工采取天窗封锁及施工环境随机等特殊条件下，无缝线路现场焊接需要克服的问题也比较多。

天窗时间短，施工人员相对少，前打磨——拉轨——锯轨——焊轨——正火——后打磨——探伤等闪光焊轨工作流程中，作业人员流动性比较大，作业施工时间节点不能同步进行，需要前后相互配合。单量人员所需付出的工作强度大。

遇夜晚、隧道、降雨、刮风或扬沙等恶劣天气时，作业人员难免会受到这些恶劣环境的影响，再加上环境对焊接过程也有一定程度的影响，焊接难度系数会因天气环境恶劣而变大。

现场专业作业人员相对不足，劳务派遣工等作业人员的专业性不能完全保证，难免会出现一些漏洞和误差。这就需要作业人员的仔细检查和专业指导，还有增加安全防护等来保证施工安全顺利。

单元轨节100m，通过厂焊焊接成500m，再由专业运输车送至现场，轨条卸到砟肩区域时，存在几米的误差，需要通过拉轨装置将两根500m轨条拉至特定位置，保证轨头间距恰当，有时还需要锯轨等其他辅助，才能开始焊接成1km或1.5km。

遇高温胀轨，弯道曲线半径过小，超高大，砟肩钢轨倾斜、弯曲，不平顺、不顺直时都需要提前调整，这也是保证焊接质量的前提条件。

低温条件下对焊接工艺的影响也是很普遍的，规定零度以下不易焊轨。当出现特殊情况确实需要焊轨补修补焊时，闪光焊、气压焊、铝热焊都需要对钢轨两端两米部分焊前加热至50℃左右，对焊机液压部分还要提前预热，保证焊接和推溜压力；同时气压焊还要采取防风保温措施，对氧气乙炔瓶采取水浴加热、毛巾热敷、热水袋热敷加热保温；铝热焊可能还需要提供防火保温帐篷等措施。

3 结束语

通过对这3种钢轨焊接的研究发现，闪光焊有应用程度广泛、自动化程度高、焊接质量稳定、效率快等优点；气压焊有焊接质量高、起终点的高效焊接、焊轨正火降温一体化程度高等优点；铝热焊有工艺简单、携带方便、不同材质钢轨、新旧钢轨焊接不受限制、抢焊抢修使用率高等优点。综合3种主要焊接方式，合理分配每种焊接方法，使得每种焊接都能够根据自身特点发挥其良好的功能，为我国铁路无缝线路的铺设、更换和维修提供应有的便利和可靠保障。在很长的一段时间里，无缝线路钢轨的铺设和焊接依旧会是我国铁路发展重要的组成部分。