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摘要：随着我国轨道交通的不断发展，为满足铁路的安全快速，越来越多的铁路采用区间无缝线路，控制接头质量作为无缝线路的控制要素之一，对行车安全至关重要。本文针对现场闪光焊焊接钢轨会出现一些焊接缺陷，如灰斑，未焊合等质量缺陷。研究焊接参数调试及现场相应的措施应用减少焊接缺陷的产生。
关键词：钢轨 脉动闪光焊 控制
1、背景及工程概况
随着轨道交通的快速发展，更安全、更快速、更稳定是现代高速铁路的发展方向。为满足铁路的安全快速，越来越多的铁路采用区间无缝线路。焊接接头质量好坏作为区间无缝线路控制性要素之一，对列车运行安全至关重要。
焊接接头质量是轨道施工中的质量控制重点。钢轨焊接施工过程中的质量缺陷会造成后期营运过程中的安全事故。例如：内部缺陷使得焊接接头的机械性能、力学性能降低，列车运行中承载后引发裂纹造成钢轨断裂。外部缺陷会使铁路轨道平顺性差，特别是在列车高速运行到接头位置时易发生晃动，严重影响列车运行的安全性、平稳性和舒适性。
2 钢轨脉动闪光焊质量控制
2.1、闪光焊原理
将待焊钢轨上下左右夹紧后施加电压，打磨后的待焊断面相互靠近直至接触，在接触时二者产生电流，电流通过待焊接钢轨端部产生热量并形成金属过梁，随着过梁爆破产生闪光、飞溅使焊接面加热至表面熔化状态，随后加压顶锻，在压力作用下熔化的金属相互结晶，最终将两条钢轨焊接在一起。
2.2、焊接内部缺陷
根据以往焊接接头焊接质量案例分析，钢轨焊接过程中常见内部缺陷主要有灰斑、未焊透、夹渣、过热和过烧等。缺陷的产生除与母材材质有关外、还与焊接方式、工艺参数、设备性能等有关，有些内部缺陷可通过调整焊接工艺参数来控制或消除。
2.2.1 灰斑
灰斑是钢轨闪光接触焊焊缝中出现最多的缺陷，是闪光接触焊工艺中一种特有缺陷。焊接过程中，熔化的液态金属过梁爆破形成大的火坑，在顶锻时未能闭合；或者某些杂质元素氧化后没被挤出，从而形成灰斑。灰斑的存在使得钢轨成为非连续均匀介质，导致钢轨各种力学指标下降。灰斑不能完全消除，根据以往参数调试经验，通过优化各阶段的参数使，调整好温度场，增加顶锻量等措施将过梁爆破的火坑挤出钢轨轮廓线外，会减少灰斑的产生的可能性。
2.2.2 未焊透
未焊透是指钢轨焊接由于热量不足造成两根钢轨接头没有完全结合，是一种很危险的缺陷，焊缝横断面呈现平面状。未焊透产生的原因主要有：焊接过程中由于焊机各阶段参数不适合等使得顶锻前钢轨端面温度场过窄或加热不充分、顶锻力不足，顶锻量过小等。可通过调整焊接的电流、电压、进退速度、顶锻压力等焊接等参数避免未焊透的产生。
2.2.3 夹渣
在焊接顶锻过程中未将前期形成的高熔点氧化物从焊缝中挤出则形成夹渣，或钢轨本身存在非金属夹杂物在焊接后依然存在焊缝中形成夹渣。通过合适的焊接参数使烧化过程尽量保持稳定，减少氧化物形成，再采用合适的顶锻速度和顶锻力能减少夹渣的产生。
2.2.4 过热和过烧
钢轨焊接时的加热温度过高、高温下加热时间过长形成焊接面局部奥氏体晶粒粗大的现象称为过热，过热会造成金属性能减低，过热是可以补救，在正火工序通过适当的工艺对焊头进行热处理，使粗大的晶粒重新细化，焊缝的强度得到增强；过烧是加热温度一般比过热更高，过烧造成晶粒急剧长大，晶粒边界熔化，破坏了晶粒间的结合，金属失去塑性，过烧基本出现在轨底角，产生过烧的焊缝无法补救，只能切掉重焊。
2.3 焊接接头外部缺陷
焊接接头外部缺陷的产生主要是未规范施工造成的，由于施工过程中操作员未按规范流程作业造成的质量缺陷，人为因素影响较大。
2.3.1 焊接接头错边
焊接时两根钢轨由于没有对正，使焊缝两侧钢轨表面之间出现的平行偏差。
2.3.2 局部亏损或表面划伤
钢轨除锈打磨工序中打磨量超标；推凸过程中将推凸刀将焊渣挤入热态接头中，在后面打磨工序中焊渣脱落都造成钢轨表面出现亏损或凹坑。推凸过程中推凸刀划伤钢轨，在划伤部位产生应力集中，在应力的作用下，划痕也会成为裂纹源。
2.3.3 电极灼伤
电极灼伤出现在钢轨轨腰焊机电极与钢轨接触的部位，由于二者接触不良，焊接过程中导致接触面局部淬火，产生脆而硬的马氏体组织。电极灼伤缺陷造成钢轨性能降低，疲劳性能恶化，各项检测参数不达标。
2.4 焊缝质量控制
2.4.1 焊前调试参数并通过型试检验
采用合理的焊接工艺参数，如电压、电流、烧化时间、顶锻压力等等可以有效保证焊接接头质量。焊接由可编程控制器自动控制焊接电压、电流、位移、顶锻力等参数，准备工作完成后整个焊接过程焊机自动完成并采集焊接数据，绘制出焊接参数曲线图并与设定参数进行对比，并判断钢轨接头焊接质量是否合格（见图1）。
图1 焊接参数曲线图
如图所示，脉动闪光焊主要分四个阶段：第一阶段为预闪阶段，主要为预热及将焊接面凸出部分提前加热烧化，第二阶段为闪光阶段，第三阶段为加速烧化，第四阶段为顶锻阶段。脉动闪光焊在焊接前期位移量较小，如果用位移量控制焊接各阶段的焊接时间，焊接效果会比较差。根据焊接试验数据经验确定，脉动闪光焊的第一、第二阶段按照时间来设定。当第一、第二阶段焊接时间达到设定值，系统自动进入下一阶段。第三阶段用时间控制，一般经验为15s，第四阶段按照设定的位移量设置，一般在10～18mm范围内。
焊机上线作业前需要完成参数的调试任务并通过型试检验试验。
2.4.2 钢轨自由度：
长轨现场焊接需保证钢轨自由度，近焊机端钢轨在焊机进行顶升悬空后拆除一定距离扣配件，另一根钢轨需要完全拆除扣配件并用滚筒进行垫高，每隔10米在钢轨下放置一个小滚筒，使其焊接过程中处于自由放散状态，大坡度焊接需对钢轨则适当增长间距到15米以避免由于自重影响焊接顶锻力与设定值不一致影响焊接接头质量。如果是插入短轨则需要测算钢轨焊接损耗量，钢轨在垫高的情况下对焊接接头近端150米左右的钢轨拨弯处理，并在焊接顶锻阶段配合焊接顶锻进行拨正作业。
2.4.3 焊接外观质量控制
钢轨焊头的平直度不允许超过允许的最大偏差值。通过在焊阶段的对轨工序、正火工序等预留上拱量等措施，精细打磨后保证焊头平直度不超最大偏差值（见表一）。
表一 平直度允许的最大偏差
注1：a1、a2分贝代表测量长度范围高出、低于钢轨母材轨顶基准面最大允许偏差。
2：b1、b2分别代表测量长度范围轨头内侧工作面凹进、凸出钢轨母材基准最大允许偏差
钢轨生产的尺寸公差原因造成待焊钢轨端面几何尺寸偏差大、端面不对称，扭曲变形，焊接时容易造成接头错边。钢轨铺设时技术员需要对钢轨端头几何尺寸进行测量，并根据端头几何尺寸情况进行配轨工作。焊接时按不同部位的优先等级进行对边工作，接头错边超标是不允许矫直或使用超范围打磨的方法纠正的。
2.4.4 焊前、焊后处理
为保证良好的导电性，焊接质量，焊接前需要将钢轨距离轨端轨腰焊机电机夹持位置及端面进行除锈打磨，经打磨的表面要有金属光泽，不得有锈斑、油污等，超过24小时未焊接再焊接时需要重新进行打磨。在此范围内有凸出的标识符号等必须打磨平顺。砂轮机只能进行纵向打磨，打磨量不超0.2mm。打磨时不得用力过猛，防止钢轨表面过热发黑发蓝。
焊接后需要对焊接接头进行热处理，通过正火细化焊头的晶相组织以改善接头机械性能，为保证焊头各部位的温度达到临界点，不发生过火、过烧现象，采用正火枪进行正火，正火枪需要在焊缝前后来回移动，控制正火时间及温度。正火前焊头温度需低于400℃，焊接接头加热到温度850～950摄氏度。
图3 焊前除锈打磨 图4 正火示意图
3 影响焊接接头质量的其他注意事项
a 气候因素：气温低于零摄氏度，不宜进行工地焊接，刮风、下雨天气焊接时，应采用防风、防雨措施，中雨、大雨和风力大于4级时不应进行现场焊接作业。
b 受力条件下焊接：工地现场长钢轨焊接时，如处于斜坡地段焊接接头焊接过程需设置保压时间，待轨温低于于400℃时才可松开。
c 焊接推凸：焊渣不能划伤或推入母材。推凸余量：焊接轨头、轨底、轨底顶面斜坡应不大于1mm，其他位置不大于2mm。
d 焊机电极：焊机的电极必须在每个焊接过程前都需要对电极进行清洁，焊接一定数量接头后需要对焊机电极进行打磨以保证光洁、平整，发生电极灼伤时需要及时处理。
4 结语
总之，焊接本身就是一个复杂的课题，通过多年焊接的不断探索，国内形成了规范的钢轨焊接技术规范，从钢轨的生产到现场钢轨焊接，只要按照规范进行施工，尽可能排除一切能产生焊接缺陷的因素，钢轨的焊接质量完全可控。我们要坚决杜绝有焊接缺陷的钢轨上道，满足铁路高速、安全的发展。
参考文献：
【1】 TBT 16321-2005. 钢轨焊接 第1部分通用技术条件
【2】 TBT 1632.2-2005 钢轨焊接 第2部分：闪光焊接
【3】 《金属工艺学》 （常万顺、李继高、柯鑫、张瑞霞）2015年 清华大学出版社
【4】 《钢轨焊接工（闪光焊）》 广州铁路集团公司工务处 中国铁道出版社 2012年
论文作者:王强
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第21期
论文发表时间:2019/5/13
标签：钢轨论文; 缺陷论文; 闪光论文; 参数论文; 正火论文; 电极论文; 质量论文; 《建筑细部》2018年第21期论文;