钢轨焊接技术及质量控制

66·焊接质量控制与管理·

文章编号：1002－025X(2010)01-0066-03

焊接技术第39卷第1期2010年1月

钢轨焊接技术及质量控制

卢庆华1，徐培全1，于治水1，陈立功2

（1．上海工程技术大学材料工程学院，上海201620；2．上海交通大学材料科学与工程学院，上海200240）

摘要：综述3种钢轨焊接方法闪光焊、气压焊和铝热焊的原理及存在问题，并提出提高我国钢轨焊接质量的建议。关键词：钢轨焊接；闪光焊；气压焊；铝热焊中图分类号：TG457

文献标志码：B

0前言

现代铁路运输正向高速、重载、大运量方向发

展，无缝线路的运用越来越多。无缝线路消除了普通线路的钢轨焊接接头，减少了列车的冲击与振动，延长了轮轨部件的使用寿命，给列车运行和行车安全带来诸多好处。无缝线路铺设迫切需要解决的问题是各种钢轨焊接问题，因此，钢轨焊接技术是实现无缝线路铺设的技术关键［1］，也是决定工程进度及质量的关键因素之一［2］。

1我国钢轨焊接技术及存在问题

国内外普遍采用的钢轨焊接方法有：闪光焊、气

压焊、铝热焊和电弧焊。我国主要采用前3种焊法。固定式闪光焊主要用于钢轨的厂内焊接；移动式闪光焊、移动式气压焊、铝热焊和电弧焊主要用于长钢轨现场焊接［3］。据1998—2000年统计结果，闪光焊接头约占我国无缝线路接头总数的87％，气压焊接头约占接头总数的10％，铝热焊接头约占接头总数的3％［4］。

1．1钢轨闪光焊

闪光焊是我国钢轨焊接的发展方向，其具有焊接

质量优良、力学性能接近钢轨母材、便于自动化控制等优点。

1．1．1焊接工艺原理

闪光焊就是利用对焊机使两端钢筋接触，通过低

收稿日期：2009-07-13

基金项目：上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金

（gjd08015）；上海市重点学科建设项目资助（J51402）；上海工程技术大学科研启动经费（校启08－27）

电压的强电流产生的电阻热使金属达到熔化温度，产

生强烈飞溅，形成闪光，迅速施加顶锻力形成完整焊缝的一种电阻焊工艺。闪光对焊操作简单、生产效率高，但焊接工艺参数复杂多变。主要工艺参数有：不同闪光阶段的焊接电压和焊接时间、不同闪光阶段的闪光速度、闪光流量、顶锻量、顶锻力、有电顶锻时间和无电顶锻时间、顶锻速度等。

1．1．2存在问题

无缝线路中闪光焊缝数量最多，一般来讲，接触

焊缝质量较稳定，出现的问题较少。但某些偶然因素也会引起焊接质量不良。闪光焊存在的主要问题包括以下几个方面［5］：

（1）一些新焊机使用不正常，性能不够稳定，对部分新焊机的性能没有完全掌握，使得焊接质量不易控制；对旧焊机维修和配件更换不及时，使焊机不能正常工作，致使焊接接头综合性能下降，焊接质量不稳定；精磨机等焊接配套设备未能正常使用，使外观及质量达不到要求。

（2）在焊钳接触部位的底部出现电弧击伤现象，在电弧击伤处形成马氏体组织，从而形成裂纹，引起钢轨断裂。

（3）焊接参数选择不当，闪光过程不稳定、烧化不够、顶锻力不足、顶锻速度过低，导致焊接缺陷。

1．2钢轨气压焊接1．2．1

焊接工艺原理

钢轨气压焊接工艺原理是通过气体火焰对钢轨两

紧密贴合的清洁端面加热至塑性状态，金属原子具有了足够的“活化能”，能够穿过贴合面互相急剧扩散时，即对贴面加压顶锻。在高温高压的条件下施以足

WeldingTechnologyVol．39No．1Jan.2010够的挤压力，使焊接表面之间的距离缩短到原子之间的相互作用半径，达到分子之间的金属键联接，完成重新再结晶，从而获得两钢轨牢固联结的焊接接头。焊接过程一般分为氧乙炔火焰预热、预顶施压、低压顶锻、高压顶锻、保压推凸等阶段。主要设备为压接机（包括推凸装置）、加热器、控制箱、水冷装置、高压电动泵站；辅助设备为直轨器、除瘤割炬、短磨机、顶磨机、氧气瓶、乙炔瓶及发电机组等。焊接工艺流程如图1所示［6］。

1．2．2存在问题

气压焊时对焊接接头端面的处理要求十分严格，

焊接工艺受诸多人为因素影响，接头质量波动较大，不易控制，一般只作为闪光焊的补充，用于长轨在现场铺设时联合接头的焊接，或跨区间无缝线路的接头焊接。

移动式气压焊接缺陷包括：（1）光斑

一般产生于轨头及轨底三角区，危

害性很大。产生原因：焊前钢轨端面加工不良，加热过程中雨水或污物污染端面；焊接加热时间短，加热器状态不良，摆动频率及宽度不当，气体流量匹配不合适等，导致焊接热输入不足；顶锻过早或顶锻量过小等。

（2）过烧

一般产生于焊缝轨底角处。断口呈暗

褐色，为松散的颗粒状组织。过烧组织极脆，无强度、塑性。产生原因：加热器火焰不均，加热火焰燃烧能量过大，使局部加热温度过高。操作人员技能欠佳也是其主要原因之一。

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（3）下塌产生原因：加热器安装不正，或摆动

量过宽，或气体匹配不当，或火焰温度低以及加热时

间过长等。

（4）凹陷

该缺陷多产生于轨底。产生原因：隧

道内施工时因照明条件不良，推凸失败后用手工气割除瘤时，由于操作人员技能、环境条件困难而形成的人为气割损伤缺陷。

（5）外形偏差

轨头焊缝处表面高低差和左右错

牙均超过铁道部颁发的标准。产生原因：对轨时工艺操作方法不当，钢轨顺直距离不够，方向偏差及垫轨不实；压接机油缸不同步、轨底紧固螺栓不平是其主要原因。

（6）裂纹

其常出现于轨底角部位。产生原因：

轨端处理不当，对轨或焊接过程中端面受污染侵蚀而不能熔合；加热器轨底角处火孔不良，加热能量不足，致使轨底角局部未熔合。

气压焊存在的主要问题包括以下几个方面：（1）目前生产气压焊机设备的生产厂家太多、太杂，气压焊设备存在的问题多。由于设备自身有问题，常出现压接机变形及加热器回火等现象，影响焊接质量。

（2）气压焊工艺比较复杂，由于是露天作业，受环境影响很大，因此焊接时容易出现加热不均、顶锻偏载、焊接接头变形等情况。在拉伸、放散和焊接综合施工中，有时出现顶锻力不足而导致“假焊”现象。

（3）焊接过程受人为因素影响很大，如轨端端面处理、钢轨对头、火焰观察、加热器摆动、顶锻加压、顶锻量等目前都由人工控制，易出现焊接接头错口和未焊透、光斑、过烧、轨底角凹陷、粗晶组织、裂纹、气孔等焊接接头缺陷。

（4）焊接作业人员质量意识不强，很多焊工没有经过严格的系统培训，操作不规范，没有严格执行焊接工艺标准，对气压焊的关键技术没有掌握，发生质

量问题不能很好地解决。更有甚者认为“气压焊质量好，粘上就比铝热焊强”，这是一种错误观念，轻视了气压焊的科学性、复杂性，放松了质量意识。

1．3钢轨铝热焊

钢轨铝热焊一般用于钢轨的现场焊接，

是道岔焊

68·焊接质量控制与管理·接、线路维修不可缺少的方法。1．3．1焊接工艺原理

钢轨铝热焊就是用铝和铁的氧化物进行氧化还原

反应，从而将2根钢轨焊接起来的铸造工艺。

1．3．2存在问题

铝热焊焊缝为铸态组织，其强度低，质量欠稳

定，断头率高，综合性能较差。因此，铝热焊接头是无缝线路的薄弱环节，特别是如果焊接工艺选择不当产生焊接缺陷时，将更易出现焊接接头的早期伤损和折断。

铝热焊缺陷包括［7］：

（1）焊接接头上拱，外观超标

其原因是对轨时

预留上拱度过大，焊后不按时复位；接头两侧钢轨受力不对称。新旧轨差异亦会出现高低接头的现象。

（2）未焊透钢轨预热温度低，或预热后温度降低过量，轨端处理不彻底，焊剂失效。

（3）过烧待焊钢轨预热温度不均匀，出现熔融

现象。

（4）裂纹

在高温时，焊接接头受到了外力作

用，拆除砂模打口柱以及推瘤时间过早，焊接接头降温速度过快引起裂纹。

（5）气孔

夹杂物，砂模、坩埚受潮以及焊剂质

量存在问题均会在焊接后产生气孔。

铝热焊存在的主要问题包括以下几个方面：（1）焊剂是钢轨铝热焊的主要消耗材料，其质量直接影响到焊接接头的质量。部分国产焊剂质量不过关，导致接头存在损伤，造成接头低凹，引起焊接接头断裂。且受潮、破损的铝热焊焊剂易产生气孔。

（2）目前全路还没有统一的钢轨铝热焊接接头技术标准和探伤工艺标准，无法有效地控制和检查铝热焊缝质量。

（3）线路封锁时间短，焊接时间不足，焊后没有足够的时间冷却，焊接接头未达到规定的温度就开通线路，影响接头质量和形成焊缝处轨头踏面早期不平顺。

（4）焊接人员操作不规范。

2提高钢轨焊接质量的建议

（1）保证焊接质量。严格检查、验收各种焊缝，

焊接技术第39卷第1期2010年1月

加强焊缝及热影响区探伤检查，加强焊接缺陷检查。对有疑问焊接接头做好标记进行复探分析，坚决杜绝不合格焊接接头进入下道工序。同时要建立焊轨质量定期检测制度，以使焊接质量处于受控状态。采取有效、有针对性的措施进行改进，从而不断提高焊接质量。

（2）研发和推广焊接新设备、新技术、新工艺。鼓励有研发能力的厂家，开发新产品、新工艺，并在研究成功后予以奖励。大力推广新产品，改进焊接工具，发展机械化自动化操作，用科技保安全，使焊轨质量再上一个台阶。

（3）科学管理，严格控制焊接施工过程。加强焊接过程的科学管理，建立相应的岗位责任制，确保质量有人管，责任分得清。从焊接、铺设、锁定以及轨枕位置、轨面平顺、损伤程度和维修情况等各个方面都要作好记录，建立技术卡片，及时总结经验，提高社会与经济效益。

（4）提高焊轨队伍的质量意识和技术业务素质。强化操作人员业务技术培训，提高操作人员的文化知识水平和标准化作业技能，培养一支有经验、懂技术、责任心强、高素质、且相对稳定的焊轨施工队伍。

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作者简介：卢庆华（1978—），女，讲师，博士，主要从事钢结构焊接及焊接应力与变形的教学和科研工作．