淺談鋼軌焊接方法

王利

【摘 要】主要介紹了氣壓焊、鋁熱焊、閃光焊三種焊接方法的工作原理，并對(duì)三種不同的焊接方式進(jìn)行了比較，提出了一些個(gè)人觀點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】氣壓焊；鋁熱焊；閃光焊；原理；區(qū)別

0 前言

當(dāng)前鐵路處在一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)代，鐵路的速度、運(yùn)力也在不斷提升，隨之而來(lái)的就是對(duì)運(yùn)行線路越來(lái)越高的要求，其關(guān)鍵還是在于無(wú)縫線路的普及，而鋼軌無(wú)縫化目前主要采取焊接的方式，常見的鋼軌焊接方法主要可以分為三種：氣壓焊、鋁熱焊、閃光焊。氣壓焊由于其外觀質(zhì)量比較差，所以已經(jīng)被淘汰，而目前使用最多的方式主要是鋁熱焊和閃光焊。對(duì)于三種焊接方式，接下來(lái)從原理、焊接方式以及各自的特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行比較。

1 焊接原理

從原理上來(lái)說(shuō)，三種焊接方法各不相同。鋁熱焊接（也稱熱劑焊）就是利用金屬氧化物和金屬鋁之間的放熱反應(yīng)所產(chǎn)生的過(guò)熱熔融金屬來(lái)加熱金屬而實(shí)現(xiàn)結(jié)合的方法。它是一種把兩個(gè)或是多個(gè)導(dǎo)體或是多個(gè)導(dǎo)體焊接起來(lái)的焊接工藝，鋁粉與金屬氧化物可由外部熱源使之開始放熱反應(yīng)，且一旦反應(yīng)便可自行持續(xù)，這一反應(yīng)的通式為：

金屬氧化物+鋁（粉）→氧化鋁+金屬+熱能

氣壓焊則是通過(guò)加熱焊接接頭使其溫度達(dá)到塑性狀態(tài)時(shí)施加壓力，使鋼軌接頭壓接在一起的一種焊接工藝。

而閃光焊是當(dāng)鉗口夾持的鋼軌緩慢接近的過(guò)程中，兩工件端面一點(diǎn)或幾點(diǎn)開始接觸。當(dāng)電流通過(guò)這些接觸點(diǎn)就產(chǎn)生電阻熱，由于電流大，這些接觸點(diǎn)的金屬很快被加熱熔化，形成“過(guò)梁”，“過(guò)梁”在大電流密度作用下，迅速被加熱而爆炸、噴濺，并形成許多小電弧。隨著鋼軌的不斷送進(jìn)，新過(guò)梁不斷產(chǎn)生，閃光持續(xù)發(fā)生，直到兩接口表面完全被一薄層熔化的金屬覆蓋，而且兩個(gè)工件從電級(jí)伸出的部分都有一小段達(dá)到塑性很好的溫度，此時(shí)施加頂鍛壓力，將接合面的熔化金屬全部擠出，將鋼軌牢固地鍛壓在一起的一種焊接方法。閃光對(duì)焊時(shí)在加熱過(guò)程中雖有熔化金屬，但實(shí)質(zhì)上是塑性狀態(tài)焊接。

以上三種焊接方法設(shè)備圖如圖1、圖2、圖3所示。

2 焊接方法比較

2.1 三種焊接方法的特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)

不同的焊接方法有著不同的特點(diǎn)。鋁熱焊的焊接點(diǎn)的電流截流量和導(dǎo)線相等；焊接點(diǎn)能經(jīng)受反復(fù)多次的大浪涌電流而不退化；焊接操作方法簡(jiǎn)單，容易上手；設(shè)備輕便，攜帶方便；焊接時(shí)，不需要外接電源或熱源；從外觀便能核查焊接的質(zhì)量。除此之外鋁熱焊還具有成本地，勞動(dòng)強(qiáng)度比較低。但這種焊接方法也存在一些缺陷，就是其焊焊接接頭的強(qiáng)度略低，但塑性韌性良好，對(duì)焊接操作人員的技術(shù)水平的要求比較高，要求熟練掌握每一道工序的時(shí)間和焊縫處鋼軌的狀態(tài)，焊接時(shí)必須加熱至足夠的溫度才能保證焊接質(zhì)量，過(guò)高的溫度容易燒傷母材，過(guò)低的溫度則會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不充分而產(chǎn)生焊接缺陷，產(chǎn)生傷損焊頭，只有加熱到合適的溫度才能保證其有效的熔合在一起。

而鋼軌氣壓焊的內(nèi)在質(zhì)量合格率較高，但外觀質(zhì)量很難控制，對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高，操作中焊接質(zhì)量受工人技術(shù)水平影響較大。其焊接設(shè)備比較笨重，勞動(dòng)強(qiáng)度高，對(duì)相接觸的兩個(gè)鋼軌端面的清潔平整要求很高，另外在焊接過(guò)程中通常采取打楔鐵的方式來(lái)阻止焊機(jī)的滑動(dòng)，因此人為影響較大，所以在外觀質(zhì)量上很難達(dá)到要求。此種焊接方法的焊接缺陷主要以平面狀缺陷為主，主要有光斑和過(guò)燒以及由推凸引起的裂紋缺陷。氣壓焊的推廣和使用受到影響，一方面就是由于外觀質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，無(wú)法達(dá)到目前車輛對(duì)運(yùn)行線路平直度的要求，還有就是其配套的探傷技術(shù)達(dá)不到要求，針對(duì)光斑缺陷沒有好的探傷辦法。因光斑引起的斷軌事故較多。光斑缺陷其實(shí)就是一種介于焊合和未焊合之間的一種情形。在熔合面上形成光滑平整的大面積區(qū)域。極大的影響了強(qiáng)度造成斷軌。這種缺陷因?yàn)闆]有夾雜物質(zhì)因此無(wú)聲波反射故很難探測(cè)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)露頭，打磨過(guò)程中會(huì)看到這主要是加熱和擠壓不到位，斷面溫度不均勻，端面不平等原因造成。

目前鋼軌焊接主要是使用昆明中鐵生產(chǎn)的YHG-1200型自行式焊軌車及YHG 500Q集裝箱式焊軌車進(jìn)行焊接，它具有使用方便，全程自動(dòng)化作業(yè)，受人為因素和天氣的影響較小，接頭強(qiáng)度較高，鋼軌平直度好，無(wú)論從從內(nèi)在質(zhì)量，還是外觀質(zhì)量來(lái)說(shuō)都是目前最理想的一種焊接方法。但是焊軌車進(jìn)行鋼軌焊接，成本很高，對(duì)機(jī)械的維護(hù)保養(yǎng)要求也高，如果出現(xiàn)問(wèn)題，排除起來(lái)比較麻煩。由于鐵路線上都存在電流，閃光過(guò)程中的電流會(huì)對(duì)線路內(nèi)的電流有一定影響，所以在線上焊作業(yè)中我們采用短時(shí)間內(nèi)斷開回流線的方法進(jìn)行焊接。另外在閃光過(guò)程中必須穩(wěn)定而且強(qiáng)烈，不能發(fā)生斷路和短路現(xiàn)象，斷路會(huì)減弱焊接處的自保護(hù)作用，接頭易被氧化。短路會(huì)使鋼軌過(guò)燒，導(dǎo)致鋼軌端面存在缺陷。所以在焊接過(guò)程中必須持續(xù)閃光不能中斷。閃光越強(qiáng)烈，焊接處的自保護(hù)作用越好，這在閃光后期尤為重要?？梢员苊庖恍┯捎谘趸鸬娜毕?。

2.2 焊接方式的比較

三種不同的焊接方法在焊前準(zhǔn)備，焊縫預(yù)留，以及操作方式上都是不同的。鋁熱焊焊接前要把鋼軌對(duì)平順，預(yù)留27～30mm的焊縫，安裝上砂模，砂箱，采用丙烷、氧氣對(duì)鋼軌焊縫進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱到足夠的溫度后，快速放上鋁熱焊焊劑，待反應(yīng)完全，流到焊縫中的金屬凝固之后，除去砂型，并快速用推瘤刀進(jìn)行推瘤，加熱前砂箱一定要密封好，不能有泄漏，同時(shí)焊縫預(yù)留量也不要超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍，否則會(huì)使焊縫強(qiáng)度低或者出現(xiàn)焊劑不足的情況。而氣壓焊焊接前要對(duì)鋼軌端面進(jìn)行清潔，不能有任何雜質(zhì)、水滴等，通過(guò)用氧氣，乙炔的燃燒產(chǎn)生的熱量對(duì)其加熱，當(dāng)加熱到足夠溫度后，快速加壓頂鍛，保壓推瘤。

閃光焊則是需要對(duì)鋼軌軌腰距離端面80cm范圍內(nèi)進(jìn)行除銹，以保障焊機(jī)電極導(dǎo)電良好。將焊機(jī)落到鋼軌上，焊縫預(yù)留3～5mm，夾緊焊機(jī)，啟動(dòng)焊接程序，焊接過(guò)程自動(dòng)運(yùn)行，計(jì)算機(jī)采集整個(gè)焊接過(guò)程各項(xiàng)參數(shù)并全過(guò)程監(jiān)控。另外焊接程序還有預(yù)判焊接結(jié)果的功能，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程是否良好。

2.3 適用范圍

目前鐵路線路在大修施工中的鋼軌焊接主要以焊軌車閃光焊為主，焊軌車使用困難的線路，采用鋁熱焊。而工務(wù)段對(duì)線路的維護(hù)保養(yǎng)則以鋁熱焊為主。從外觀質(zhì)量上來(lái)說(shuō)閃光焊最優(yōu)，鋁熱焊其次，氣壓焊最差；從強(qiáng)度上來(lái)說(shuō)則是閃光焊、氣壓焊較好；塑性韌性上，鋁熱焊和閃光焊較好。

鋼軌焊接方法在不斷革新中，為了滿足高速鐵路發(fā)展的需求，昆明中鐵大型機(jī)械集團(tuán)有限公司與西南交大合作，聯(lián)合完成了首臺(tái)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的YHGQ-120型數(shù)控式氣壓焊軌車。該車采用多種技術(shù)，將傳統(tǒng)氣壓焊軌施工多機(jī)流水作業(yè)設(shè)備集為一體。不僅可以實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)鋼軌焊接時(shí)的拉伸、頂鍛、保壓推凸、保壓冷卻、保壓正火等變形工藝焊軌過(guò)程的控制。而且，還能實(shí)現(xiàn)焊接/正火輸入量、焊接頂鍛變形最優(yōu)化控制，以及焊接參數(shù)的在線自動(dòng)檢測(cè)。其主要技術(shù)水平達(dá)到或優(yōu)于國(guó)外閃光焊接技術(shù)水平。該車除具備高速自走行功能外，同時(shí)裝備了發(fā)電機(jī)組、冷卻系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、吊裝系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等，達(dá)到施工現(xiàn)場(chǎng)的高速自動(dòng)化。不但可以滿足新線建設(shè)的需要，而且可以快速進(jìn)行既有線的無(wú)縫線路改造和斷軌的修復(fù)，并成為昆明中鐵集團(tuán)公司焊軌車系列又一產(chǎn)品。這一產(chǎn)品克服了傳統(tǒng)氣壓焊的缺點(diǎn)，也克服了焊軌車在施工中存在的不便，可以說(shuō)是一款集合以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)于一體的鋼軌焊接設(shè)備。

3 總結(jié)

鋼軌焊接方法多種多樣，每一種焊接方法都是在不斷的完善中，我相信以后的鋼軌焊接必然會(huì)步入一個(gè)新的時(shí)代！

[責(zé)任編輯：劉展]