鋼軌的焊接方法鐵道科學研究院金屬及化學研究所2004年10月15日目錄1.前言2.閃光焊(接觸焊)3.氣壓焊4.鋁熱焊5.窄間隙電弧焊6.結論1.前言(1)隨著我國鐵路建設的不斷發展，無縫線路的比例正在逐步提高。截至到2001年末，全路共有無縫線路32696公里，占正線延長的39.2%。目前，無縫線路已接近4萬公里，占正線延長的45%。鋼軌焊接作為無縫線路的一部分，對保證列車行車快速、安全行駛起著極其重要的作用。目前，國際上鐵路鋼軌焊接主要采用閃光焊（接觸焊）、氣壓焊、鋁熱焊和電弧焊四種方法，比較有代表性的有法國的TGV和日本的新干線。法國的TGV采用廠內閃光焊和線路上鋁熱焊兩種方法，焊接接頭平順度在1m范圍內不大于0~+0.2mm；日本的新干線分三次完成，閃光焊用于廠內或基地內的一次焊接，氣壓焊主要用于施工現場的二次焊接，窄間隙（強迫成型）電弧焊主要用于線上的三次焊接。。

四種方法相比較：閃光焊的自動化程度高：1人，按啟動電鈕即可完成；效率高：每個接頭只需要2~3分鐘；質量穩定：焊接接頭平直度好，斷頭率低大大低于其他方法。據部運輸局統計[1]：我國1998年至2000年全路的鋼軌焊接情況為：閃光焊87%（焊機均為進口），氣壓焊10%，鋁熱焊3%；同期斷軌：閃光焊57個，氣壓焊216個，鋁熱焊149個，分別占同期焊軌的0.0074%、0.24%和0.54%。就不同的材質而言，多年來的研究和實踐表明，U74和U71Mn鋼軌的焊接性已經有了較為完整的認識以及成熟的經驗。相比之下，對于75V（PD3）和U76NbRE（BNbRE）鋼軌在焊接性方面還需要進行更加深入的研究。從使用角度看，U75V和U76NbRE的耐磨性較好，相比之下，U71Mn和U74的耐磨性較低一些。因此，U75V和U76NbRE比較適合使用在繁忙干線或小半徑線路上，也較適用于提速線路。但從焊接性角度看，無論是閃光焊、氣壓焊還是鋁熱焊，U75V不如U71Mn工藝范圍寬，而U76NbRE的焊接性不如U71Mn穩定1.前言(2)對焊接施工企業的要求

因為焊接質量很大程度與操作工人的熟練程度有關.為了確保焊接質量,鐵道部運輸局發文(99運基線路(62)號)要求焊接施工人員必須經過培訓,取得上崗操作許可證.

鐵道行業標準對焊接施工單位也提出了明確的要求:新施工單位上道焊接前,以及新軌種焊接前必須通過焊接接頭的型式檢驗。每間斷焊接半年或焊接完500個接頭，必須進行一次周期性檢驗。以上要求在工程部門執行得比較好，但在工務部門并沒有很好執行。1.閃光焊鋼軌閃光焊是將待焊的鋼軌分別上下夾緊，平順對直，然后接通電源，并使鋼軌兩端相互接近直至接觸，電流通過待焊鋼軌端部產生的熱量，不斷形成金屬過梁，隨著過梁爆破產生閃光、飛濺使被焊端面得以清潔，并使之加熱至表面熔化狀態，當鋼軌端溫度均勻并沿縱向呈一定分布時，立即加壓頂鍛，在壓力下相互結晶，使兩節鋼軌焊接在一起。頂鍛力夾緊力電極鉗口+-頂鍛力夾緊力夾緊力夾緊力(a)示意圖(b)焊接現場鋼軌閃光焊1.閃光焊目前國內所使用的鋼軌閃光焊機主要有兩大系列：瑞士的GAAS80系列和烏克蘭的K系列。兩種系列焊接的焊接工藝不同：GAAS80系列焊機為預熱閃光焊工藝，加熱主要采用短路方式，效率高，焊接時間短；K系列焊機為連續閃光焊工藝，加熱采用連續閃光方式，加熱速度要慢一些，因此，焊接時間較長。過去一些研究認為，連續閃光焊工藝比預熱閃光焊工藝好，其原因是連續閃光是整個鋼軌端面加熱較為均勻，并且由于連續閃光電流相對較小，因此閃光的鋼軌的端面不易出現較大的“電弧坑”（火口），較為平整，因此灰斑出現的概率較小。但從多年的使用結果看，目前的情況是GAAS80系列焊機比K系列焊機的焊接質量明顯更為穩定，這是由于GAAS80焊機的末段燒化速度快，電流密度高。

2.閃光焊(2)在閃光焊接生產過程中，焊接工藝參數不合理容易產生的缺陷為灰斑；鋼軌電極部位打磨不干凈容易產生的缺陷為電極灼傷；焊后熱處理不當容易產生的缺陷有局部淬火產生馬氏體；鋼軌軌腰部位成分偏析造成推凸近區產生縱向裂紋等。2.閃光焊(2)1）灰斑灰斑是鋼軌閃光焊一直被關注的重點。從實際的閃光焊斷口看，多數閃光焊接頭斷口都存在或多或少的灰斑?；野呷毕莸奶攸c是很難用超聲波探傷的方法準確判別。這種缺陷一般只能通過落錘試驗的斷口得到。灰斑的宏觀形貌如圖1和圖2所示，主要分布在軌底腳兩邊距離，并且多數情況下是構成接頭落錘試驗的裂紋源。曾有研究將灰斑分為5類，并認為絕大多數的灰斑并不屬于未焊合缺陷，而是由鐵素體和一些偏析元素形成的低熔點共晶組織構成的薄弱區。也有研究認為灰斑是一種未焊合的缺陷，是由于閃光時形成的弧坑存有硅酸鹽夾雜物在頂鍛時沒有被排出而形成，或是焊接過程中形成的氧化物沒有在頂鍛時排擠干凈而形成。2.閃光焊(3)灰斑形成的原因十分復雜，但最為主要的是鋼軌材質和焊接工藝參數。對于這兩方面的工作應適當加強專業化的研究，在此基礎上，制定有效的生產管理體系。圖1.U71Mn閃光焊斷口灰斑形貌圖2.U75V閃光焊斷口灰斑形貌2.閃光焊(4)2）電極灼傷閃光焊在焊接過程中電流很大，因此要求焊機的電極與接觸的鋼軌表面必須保持良好導電狀態。過去電極打磨采用砂輪，手工打磨，最近各焊軌廠引進了全自動打磨設備。從使用的情況看，采用全自動打磨設備對新鋼軌（表面無嚴重腐蝕）的打磨是有效的，但對于放置一段時間后或再用軌則存在一定困難。電極打磨不良可能產生以下幾種后果：a.焊接接頭的加熱區域變窄。由于電極導電不良，焊接時接頭處的加熱量降低，鋼軌加熱寬度下降，頂鍛量也明顯下降，焊接質量下降。該種情況導致的直接的后果是有時焊接頂鍛不完全（頂鍛量不足），軌底腳處出現推凸不完全，落錘試驗無法通過。b.鋼軌與焊機電極發生打火或電極處鋼軌局部加熱現象，焊后出現電極灼傷（見圖3）。電極灼傷的后果是鋼軌局部出現淬火現象，并且產生馬氏體組織，使這一區域變脆。對于上下夾持電極的焊機，由于電極接觸部位在軌頭和軌底，當軌底出現電極灼傷，鋼軌在外力的作用下極易發生斷裂。圖4為由于軌底出現電極灼傷，形成馬氏體組織落錘試驗時發生斷裂。2.閃光焊(5)b.鋼軌與焊機電極發生打火或電極處鋼軌局部加熱現象，焊后出現電極灼傷（見圖3）。電極灼傷的后果是鋼軌局部出現淬火現象，并且產生馬氏體組織，使這一區域變脆。對于上下夾持電極的焊機，由于電極接觸部位在軌頭和軌底，當軌底出現電極灼傷，鋼軌在外力的作用下極易發生斷裂。圖4為由于軌底出現電極灼傷，形成馬氏體組織落錘試驗時發生斷裂。c.導電不良有時只發生在4個電極接觸面的一處或兩處，因此，常常會造成焊接端面加熱不均勻，有時軌頭溫度低，而有時軌底溫度低，相同的焊接參數產生不同的焊接效果，使焊接質量有波動。2.閃光焊(6)因此建議，新軌焊前的電極打磨可采用全自動鋼絲打磨設備，而再用軌或放置時間較長的鋼軌一定要采用手動砂輪的方法。采用全自動鋼絲打磨的結果一致性較好，但鋼絲刷的強度比不上砂輪，對于表面銹蝕較重的鋼軌無法有效清除銹層。圖3.軌底電極灼傷圖4.軌底電極灼傷導致斷軌2.閃光焊(7)3）熱處理缺陷閃光焊的焊后熱處理方法主要分為兩種：接頭正火和接頭淬火。我國的鋼軌閃光焊，要求焊后對接頭進行正火熱處理。通過正火可以明顯細化焊縫以及接頭過熱區的晶粒，降低碳的固溶度，提高焊接接頭的延伸率和沖擊韌性[4]，提高焊接接頭抗沖擊的能力。正火后的冷卻應特別注意，不能冷卻太快，不然軌頭容易產生馬氏體，造成該部位脆化。圖5是位于焊接接頭熱影響區距軌頂6mm~8mm的金屬顯微組織，為細珠光體+馬氏體，黑色為珠光體，白色為馬氏體。產生這一現象的原因是由于軌頂的冷卻速度過快。2.閃光焊(8)對熱處理鋼軌，由于焊后接頭正火的軌頭強度大大低于母材，因此，必須進行重新淬火。接頭淬火的冷卻速度需要嚴格控制，過去曾經發生過由于淬火不當，引發大量的接頭掉塊現象。圖5.軌頂6mm~8mm熱影響區400×2.閃光焊(9)4）軌腰裂紋焊接接頭軌腰部位產生裂紋，常常是由于鋼軌母材的成分偏析造成，例如硫和錳的局部偏高，有時偏析區域的夾雜物含量超標。如果是偶然發生，可以通過焊接工藝的調整來解決。如果發生頻率較高，應對鋼軌母材進行材質分析，以確定鋼軌母材的化學性能和力學性能是否合格。3.氣壓焊(1)氣壓焊在國際上應用的并不是十分廣泛。但氣壓焊在日本應用較為廣泛，即使在新干線也得到了廣泛的應用，接頭的平直度完全可以達到新干線使用要求。氣壓焊的理論接頭強度并不低于閃光焊水平，原因在于氣壓焊的焊縫中心沒有由于碳的燒損（與閃光焊相比）而產生強度下降。當前，我國大量推廣的移動式氣壓焊基本為手工操作，而且，操作較為復雜，人為因素影響較大。斜鐵斜鐵圖6.我國移動式氣壓焊卡軌方式鋼軌壓接機.我國氣壓焊主要存在的問題是：1.焊接接頭質量穩定性不高，沒有達到理論強度；2.接頭平直度差。接頭質量不穩定的主要原因有兩個方面，一是焊接設備生產廠家過多，有一些氣壓焊生產廠家根本不具備生產條件，因此，生產的設備質量低；二是焊接操作者操作水平低，沒有經過正規和系統的培訓。3.氣壓焊(2)接頭平直度差的主要原因是目前我國采用的氣壓焊設備是以斜鐵方式卡軌（見圖6）。這種卡軌方法的優點構造簡單，利用縱向油缸的移動就可以自鎖卡緊鋼軌，但該方法的缺點是鋼軌的橫向剛度較差，一般只能靠大范圍的對正鋼軌，頂鍛后才能保證接頭的尺寸要求，不然，只要有少量的橫向分力作用就會出現錯口或接頭平直度超差的現象。從國外情況看，日本的氣壓焊采用橫向液壓油缸推頂的方式將鋼軌卡緊，這種卡緊方法在焊接頂鍛時不會產生“錯口”現象。但采用該方法帶來的最大問題是，由于焊機增加了兩個橫向油缸，使焊機（壓接機）的重量會大幅度提高，線上作業的難度增大。3.氣壓焊(3)斜鐵斜鐵圖6.我國移動式氣壓焊卡軌方式鋼軌壓接機日本氣壓焊機國產氣壓焊機3.氣壓焊氣壓焊常見缺陷外觀缺陷1.高低接頭及高低錯位產生原因(1)采用焊機夾持方式不當(2)軌頭端部溫度不均勻(3)順軌距離不夠2.旁彎及錯位(1)對軌誤差(2)油缸不同步3.軌角塌陷(1)使用燃料氣不當,火焰溫度低(2)擺動量過大(3)加熱時間長4.局部凹陷使用氣割除瘤產生的3.氣壓焊內部缺陷1.光斑相當于橫向裂紋,除了減小鋼軌有效面積之外,更重要的是在缺陷邊緣造成比正常受力大幾十倍的應力集中，運行中以橫向裂紋形式迅速擴展，造成斷軌事故。（1）斷面不潔a打磨太薄b污染端面（2）火焰不正常a火孔堵塞b加熱器故障，燃料氣配比不當c偏燒，高溫處過燒，低溫處光斑（3）擺動量不對，溫度低（4）軌端間隙大（5）頂鍛量過?。?）加熱時間短3.氣壓焊2.過燒溫度過高，形成結晶缺陷，斷口呈暗色，為松散晶粒組織4.鋁熱焊

95年前鋁熱焊劑主要由國內生產,應用于工務現場搶修,年用量為2000-3000份,95年后,引進了法國鋁熱焊劑,2000年引進了德國鋁熱焊劑,進口產品由于生產規模巨大(年產量都在150萬份以上)生產自動化程度高,產品質量穩定,鋁熱焊開始應用于換軌大修，在部分路局取代了氣壓焊。鋁熱焊取代氣壓焊的另一個原因是，氣壓焊技術自84年錦州科研所研制的小型移動式氣壓焊機自投產以來，焊機的生產有些失控，錦州出現了十余家工廠生產這種設備，產品質量參差不齊，加上培訓不力，因此氣壓焊質量出現滑坡。全路現階段鋁熱焊劑年用量為2萬份左右，主要用于工務搶修及部分路局的大修換軌。鋁熱焊(2)

目前用于現場焊軌的兩種方法中，氣壓焊屬于壓力焊，焊縫組織近似鍛造組織，而鋁熱焊屬于熔化焊，焊縫組織類似鑄造組織。因此理論上氣壓焊焊接質量明顯優于鋁熱焊。鐵道行業標準TB/T1632-91《鋼軌焊接接頭技術條件》中氣壓焊接頭各項性能指標都類同于接觸焊。如氣壓焊、接觸焊都要求進行落錘試驗，而鋁熱焊不要求做?？估瓘姸冉佑|焊、氣壓焊都要求焊接接頭達到母材的90％，鋁熱焊只要求達到80%。接觸焊、氣壓焊伸長率與沖擊功都要求達到母材的60%，鋁熱焊達不到這一要求。但是鋁熱焊也具有其獨特的優點，焊接過程中鋼軌沒有縮短，接頭平直度高。施工方便，工人容易掌握，因此實際施工中焊接質量還是能夠滿足使用要求的。這種方法在一些特殊條件的焊接如道岔的拼裝，線路的鎖定焊，鋁熱焊幾乎是唯一可行的焊接方法。鋁熱焊與氣壓焊的特點焊縫組織焊接成本接頭平直度焊后軌節長度設備重量鋁熱焊類似鑄造組織高好不變輕氣壓焊類似鍛造組織低差縮短重

現場焊接的兩種方法優缺點比較鋁熱焊施工的要求1）一個焊接作業組不應少于2人；2）焊接作業前，應仔細核對所有焊接材料、設備是否與被焊軌型、鋼種相符,除特別要求,一般不同鋼軌要求用不同的焊劑；3）焊接用預熱器應采用供貨商指定預熱器，推瘤機應采用雙向推瘤方式，軌頭打磨應用仿形打磨機；4）焊接結束后，接頭溫度高于3000C，嚴禁放行列車。根據氣溫差異，放行首列列車的時間一般應在焊后20-40分鐘后；5）大雨條件下不得進行鋁熱焊，小雨必須采取防雨措施，防止砂型及坩堝、焊劑及鋼軌焊接部位被淋濕；6）光照充足，否則會造成對軌及卡模偏差，室外光線不足時應輔以另外光源；7）焊接場地濕度大于50%時，焊劑、砂型、坩堝不允許打開包裝，長時間暴露。僅允許作業需要時打開包裝。此要求是為了防止焊接材料受潮，焊縫中產生氣孔。8）氣溫若低于5?C，應對氧氣減壓表采取防風，同時應熱敷防凍；液化氣應采取保溫或加熱措施（用熱水淋熱液化氣鋼瓶，不得用明火）；9）軌溫若低于5?C，應烘烤待焊軌縫兩側鋼軌至15?C左右，烘烤鋼軌長度約為1米。10）液化氣與氧氣鋼瓶相距不小于6米，鋼瓶與明火距離不小于8米。焊接過程中影響焊接質量的因素1.預熱時間在預熱實驗中，通過目測和照片看不出預熱時間縮短后端面的變化。時間由原先的5分鐘縮短為4分鐘后，靜彎結果和斷面情況顯示正常，但是當時間縮短為3分鐘半時，靜彎結果不穩定而且出現缺陷，G34#斷面軌頭處出現很大的一塊粗晶區。2.預熱器火焰的焰心長度預熱器火焰焰心長度的變化，對接頭靜彎性能的影響比較明顯。預熱火焰焰心的縮短減弱了預熱時熱量的輸入。3.氧氣流量當氧氣流量從4200l/h降低至3500l/h后，焊接接頭的靜彎結果只有700-800KN，而且接頭有氣孔未焊合等焊接缺陷。預熱對鋁熱焊質量的影響

鋁熱焊劑及其它焊接材料一般都通過了嚴格的型式檢驗，應該能保證較低的焊接失效率?，F場焊接失敗的原因大多數都是預熱的問題。預熱不僅要保證足夠的軌端溫度,還要保證適宜的溫度梯度,預熱溫度不夠可能會導致未焊合,而溫度梯度不合適會導致晶粒的異常長大或夾雜物在焊縫中央的偏析。要保證良好的預熱，要做到：1）采用指定的器具；2）嚴格按工藝參數操作；3）焊軌時軌溫必須高于5?C，低時要采取措施。4）要保證液化氣的質量。鋁熱焊常見缺陷1.縮孔和疏松

由于預熱不正常，某部位溫度過高(一般容易在預熱孔對面的軌腰或軌腳處)，在得不到外來鋼水補縮的情況下，也會有縮孔出現。在焊縫內的疏松，則容易在軌底中央部分產生，形成一個疏松三角形。這是由于在軌底焊縫凝固時，結晶方向是垂直于型壁進行的，中央是最后凝固的部分，因此，在補縮不良的情況下，軌底中央部分容易形成集中疏松。鋁熱焊常見缺陷2.氣孔a.焊劑配比不對b.焊劑受潮鋁熱焊劑在使用前如果放置時間過長，吸收了空氣中的水分，或者在操作時使焊劑內帶入水分，則在進行鋁熱反應時，在高溫下由于焊劑中的水分分解產生氣體，被帶入焊縫產生氣孔。c.焊劑中有油鋁熱焊劑在生產過程中或在使用中帶入油質，在鋁熱反應的高溫下，這些油質燃燒變成氣體，進入焊縫內形成氣孔。d.自動脫塞或鎮靜時間不夠在坩堝內進行的鋁熱反應，在沒有完成前就自動脫塞，使鋁對氧化鐵的還原作用不充分，在進入鑄型后，鋁熱鋼中的氧會繼續與鋼中的碳作用，生成的氣體來不及排出，形成焊縫內的氣孔。3.夾砂4.粘砂5.夾渣6.熱裂這種在凝固后高溫區域內形成的斷裂稱為熱裂。熱裂由于在高溫區域內發生，因此表面常帶有氧化蘭色。所示是鋁熱焊接鋼軌在軌腰焊縫處形成縮孔后，由于斷面強度降低，在熱應力作用下形成的軌腰焊縫熱裂。熱裂也與鋼的化學成分有關，特別是鋼中含硫量過高時也易于促使形成熱裂。此外，在澆注后拆箱過早，特別是氣溫低的情況下，焊縫由于受激冷，加大了收縮應力，也易使軌腰產生熱裂。為了防止產生熱裂，在澆注系統設計上應注意防止軌腰處產生縮孔，減少軌腰處產生的應力。為此，在澆注系統設計上要力求做到順序冷卻；在操作中注意勿開箱過早，當焊縫尚未完全凝固時避免錘擊。對于焊劑制造廠，應注意選用含硫量低的氧化鐵作原料(含硫量應低于0.05%)，以使熔煉出的鋁熱鋼含硫量在規定限度以下。

7.未焊合所謂未焊合，是指經鋁熱焊工藝后，原來待焊的兩個鋼軌端部斷面上仍有沒有熔化的區域，這種情況一般稱為未焊合。未焊合的情況，一般多發生在軌頭，也有出現在軌底的。產生未焊合的原因主要有：1.鋼軌預熱溫度過低：這種情況容易出現在軌頭和軌底，如果預熱溫度過低而鋁熱鋼所放出的熱量尚不足以使軌端熔化，就會造成未焊合的情況。2.預留軌縫太?。河捎陬A留軌縫過小，焊縫內的熱容量也較小，在沒有將鋼軌端部完全熔化就巳冷卻，因此形成未焊合情況。3.澆注系統設計不良：則進入鑄型的鋼水不能使鋼軌端面全部熔化達到良好焊合的目的，同時易產生其它缺陷，造成未焊合情況。4.其它：例如砂箱“跑鐵”使鑄型未澆滿或夾渣；扣箱時砂箱對偏等均可以引起未焊合等情況。典型焊接缺陷咬邊疏松典型焊接缺陷-氣孔典型焊接缺陷-未焊合鋁熱焊技術的發展在生產領域:

加大生產控制的自動化水平。計算機自動控制的鋁熱焊劑配料系統已在國內投入使用，替代手工作業，系統誤差可控制在2‰，產品質量穩定性大大提高。同時，通過計算機控制與管理，實現了焊劑質量的可追朔性，生產出的每包焊劑的實際組成與去向一目了然。施工領域:1.采用SKV(高溫短時預熱工藝),淘汰了SMW(低溫長時間預熱)工藝定時預熱工藝與SKV工藝基本原理相同。鋼軌鋁熱焊接過程中，軌端預熱溫度對焊接質量起決定性作用，預熱不當將會引起焊合不良與焊接熱影響區性能變壞的現象，導致焊接失敗。鋼軌鋁熱焊定時預熱工藝，采用我國研制的強力預熱器，在恒定的工藝參數規范下，用時間控制鋼軌端面預熱溫度，保證鋼水澆注時鋼軌端面溫度分布均勻；其次在焊接砂模澆注系統的設計上，利用部分鋁熱鋼水進一步加熱待焊鋼軌端面將其調整到合適的焊接溫度范圍。由于強力預熱器工藝參數是恒定的，鋼軌端面預熱溫度穩定，用于部分加熱的鋁熱鋼水溫度也是恒定的，這樣待焊鋼軌端面的溫度也是恒定的，大大降低了人為因素的影響，使焊接質量可靠。2.采用耐用鎂砂坩鍋及自熔塞自動澆注技術耐用鎂砂坩鍋的使用降低了鋁熱焊縫中硅夾雜，提高了焊縫金屬的純凈度并可按需要調整焊縫中硅含量提高焊縫強度。采用自熔塞自動澆注簡化操作工藝，降低人為因素影響并使焊接過程安全。3.一次性坩堝技術一次性坩堝的使用，減少了焊接工具，簡化作業程序，特別適用于現場搶修，因而深受現場歡迎。德國一次性坩堝焊接試驗國產一次性坩堝焊接試驗5.窄間隙電弧焊(1)1）國內外發展狀況鋼軌窄間隙電弧焊方法（見圖7）是從上世紀六十年代發展起來的，目前在日本及歐洲應用較為廣泛（見圖8），主要用于鋼軌的線上焊接。我國于1993年開始鋼軌電弧焊研究。在研究過程中，吸收了日本及歐洲方法中的優點，研發出了一套具有自己特點的鋼軌焊接材料、焊接模具和焊接工藝，進一步簡化了焊接工