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焊接技术第39卷第1期2010年1月焊接质量控制与管理 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0827） 文章编号：1002025x(2010)01-0066-03 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19982000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34。 11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。 111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 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。 112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。 12钢轨气压焊接 121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 66 welding technology vol39 no1jan. 2010焊接质量控制与管理 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。 122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。 （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。 13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 67 焊接技术第39卷第1期2010年1月焊接质量控制与管理 接、 线路维修不可缺少的方法。 131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。 132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， 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。 参考文献： 1 张未铁路跨区间无缝线路m北京： 中国铁道出版社，2000： 23 2 王卫星城市轨道交通线路长钢轨现场焊接方案探讨j城市轨 道交通研究，2003，6（4）：7779 3 张金云， 蒋茂勤移动式钢轨气压焊接质量控制j中国铁路， 2005，44（12）：5758 4 高文会， 李力， 丁韦钢轨焊接质量的