移动式钢轨气压焊接头缺陷分析与应对措施

近年来，铁路高速、重载运输迅猛发展，对钢轨焊接接头质量提出更高要求。移动式钢轨气压焊接头质量高，设备轻便，操作简单，在国内外新建线路和维修中得到广泛应用。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

移动式钢轨气压焊是将钢轨的两个端面紧密贴合，采用气体火焰加热，将贴合面及其附近区域加热至塑性状态。在金属原子具有足够的“活化能”，并穿过界面互相急剧扩散时，对贴合面加以顶锻，以建立原子间的金属键联结，完成再结晶而获得焊接接头的方法。这种塑性压力焊接的接头与母材材质接近，抗拉强度达到母材标准90%以上，断后伸长率达到母材80%以上，正火后焊缝冲击韧性与钢轨母材材质相同。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

移动式钢轨气压焊接头受人为因素影响较大，施工中受环境和气候条件影响，焊接过程中不可避免地产生各种焊接缺陷。通过对焊缝的检查，以及对落锤、静弯试验接头断裂的端面检查和小件试验的金相组织分析，移动式钢轨气压焊接头存在外观和内在缺陷。外观缺陷是焊接接头的几何形状偏差和局部凹陷；内在缺陷是光斑、未焊透、过烧及粗晶组织。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

1 焊接接头外观缺陷

1.1 高（低）接头及高低错位产生的原因和应对措施

采用1 m平尺测量钢轨顶面，焊缝与原钢轨向上（向下）的凸出（凹陷）量超过规定的允许值称为高（低）接头，低接头不允许出现。高低错位是焊接的两根钢轨端面上下偏差超过规定的允许值。

（1）产生原因

移动式钢轨气压焊焊接是靠压接机的轨顶和轨底螺栓将待焊钢轨上下定位（见图1），若压接机的4根轨底螺栓高低不平，导致出现高（低）接头或高低错位。加热器摆放不正，其底部火焰温度高于顶部或顶部火焰温度高于底部，出现高低错位或高（低）接头。目前，钢轨运输采用长轨车将200～500 m的长钢轨运到现场并摆放到线路砟肩上，砟肩本身高低不平，在其上需进行顺轨、垫轨、对轨等一系列作业。若顺轨距离不够、垫轨不平与不实、对轨不正，采用压接机矫正，钢轨接头内部会产生附加应力。钢轨焊接结束后，解除压接机支座的约束力，钢轨接头内部应力释放，将出现高（低）接头或高低错位。钢轨端面采用磨削和锉削处理，如果接头端面垂直度未达到工艺要求，也可出现高低外观缺陷。

（2）应对措施

针对焊接设备（压接机、加热器）造成的焊接缺陷，应按《移动式钢轨气压焊设备》标准进行出厂检查；保证设备工况良好，压接机轨底螺栓高低应采用专用检验棒检查。4根轨底螺栓的平面度偏差应小于规定的0.1 mm，超差采用圆锉或半圆锉配合检验棒和塞尺进行修正，若施工条件限制不能及时修正，可采用在钢轨底面与轨底螺栓间加垫片的临时矫正措施。因加热器火焰分布不合理产生的高（低）接头，应按对应轨型的火孔分布图加工（见图2）。通过调整火孔大小改变火焰功率，温度低的部位采取扩孔增加火焰功率，温度高的部位采取缩孔降低火焰功率。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

如果加热器的火孔分布平面度不良，调整超差的火孔部位，保证火孔平面度偏差小于规定的1 mm。针对工艺操作不当造成的高低错位外观缺陷，应保证顺轨时两侧待焊钢轨的顺直距离达到25 m以上，采用检测平尺检查焊缝处1 m范围，要求基本无高低偏差。对轨完成后，检查垫轨枕木墩是否垫平、垫实，枕木墩下的道砟应夯实，保证列车通过时的振动不会改变待焊钢轨位置。对轨时保留适当轨缝，以满足精锉处理为准；夏季应考虑涨轨量， 冬季应考虑缩轨量，避免对轨后采用压接机 长距离拉轨；焊接顶锻过程中枕木墩出现倾 斜，应及时调整回位。钢轨端头按工艺要求 处理。

针对操作不当出现的高（低）接头， 采用正火后垫轨矫正，出现高接头可在焊缝 两侧垫墩，架空焊缝，在高温状态下利用压 接机和钢轨自重压迫焊缝，缓慢消除高接 头，也可采用钢轨竖直调直机调直。出现不 严重的低接头可重新垫轨，待钢轨温度冷却 至500 ℃以下，进行二次加热顶锻。如果钢轨 接头高低错位和无法消除高（低）接头，必须割开重焊。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

1.2 旁弯及左右错位产生的原因和应对措施

采用1 m平尺测量钢轨轨头侧面，焊缝与原钢轨向内（向外）的凸出（凹陷）量超过规定的允许值称为旁弯接头。左右错位是指焊接的2根钢轨端面左右偏差超过规定的允许值。

（1）产生原因

压接机导柱弯曲变形、压接机2个油缸走行不同步等原因造成钢轨接头旁弯或左右错位。加热器两侧火焰功率差别较大造成接头旁弯，钢轨接头向火焰功率低的一侧凸出。对轨时顺直距离不够、垫轨不实，以及钢轨端头本身的硬弯、扭曲均造成旁弯和左右错位。压接机对4块斜铁施加的锁紧力不均匀造成旁弯和左右错位。钢轨端面垂直度超差造成旁弯或左右错位。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）应对措施

针对焊接设备造成的纵向缺陷，应按照“铁标”进行出厂验收，定期保养；发现导柱弯曲，轻微的拆机后调直，严重的更换；压接机活塞走行不同步检查活塞杆锁紧螺母是否松动，检查及更换密封圈，如果油缸内壁拉伤应及时修整或更换。加热器火焰功率不均匀通过调整火孔修正。针对操作工艺引起的纵向缺陷，精细对轨，保证钢轨端面垂直度，对轨端的硬弯和扭曲进行矫正（见图3）。对已产生的旁弯，在焊接结束或正火后，采用直轨机调直。接头左右错位和无法矫正的旁弯必须割开重焊。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

1.3 轨角塌陷产生的原因和应对措施

焊接顶锻结束后，焊缝处轨底角向下凹陷称为轨角塌陷或塌角。

（1）产生原因

加热器整体火焰功率或轨角位置火焰功率偏低，导致焊接加热时间过长，钢轨受热宽度过大，轨底非焊接区域受热变软，顶锻时出现下塌。由于加工误差或受挤压变形，导致加热器火孔平面偏差大。燃气或氧气纯度过低，导致加热时间延长。加热器摆放不正，火孔平面与焊缝不平行，摆动幅度过宽、摆动量不均匀，引起钢轨受热宽度加大，造成塌角。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）应对措施

选择符合要求的气体，提高加热器功率，按规定时间加热。严格按标准验收并调整好加热器，使火孔平面的平面度符合要求。安装加热器时调整好火孔平面，应与焊缝平行。加热器按规定的摆动量摆动，在工艺规定的时间内完成加热、焊接。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

1.4 局部凹陷产生的原因和应对措施

在气割除瘤和矫正塌角时引起的局部金属缺失或凹陷称为局部凹陷。

（1）产生原因

切除焊瘤时，有熔渣阻挡“风线”，不易判定母材轨面位置，瞬时在轨面上烧蚀母材金属，形成凹陷。矫正塌角时，矫正不足或矫正过度造成凹陷。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）应对措施

采用推刀除瘤，气割除瘤一次切完，如需二次切割需先清渣。不在轨顶和轨头两侧的较浅凹陷，在允许范围内纵向打磨消除；在轨顶面和轨头侧面的凹陷，待钢轨冷却后二次加热顶锻消除。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

1.5 表面烧伤产生的原因和应对措施

钢轨接头表面烧伤后发蓝，深度一般为轨面以下0.5～0.7 mm。

（1）产生原因

气割除瘤时，切割火焰烧灼钢轨表面造成的金属烧伤；焊后未等轨温降低即进行打磨或砂轮机进刀量过大造成表面烧伤。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）应对措施

气割除瘤时，留有适当余量，避免切割火焰长时间直接接触母材轨面；打磨时采用适当颗粒度的砂轮（一般为46# 白刚玉树脂砂轮），控制合适的进刀量（单次进刀量≤0.08 mm）。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2 焊接接头内在缺陷

2.1 光斑产生的原因和应对措施

光斑是指2个接头端面没有焊合，称为光板、白板、白斑，断口呈灰色、平滑，手触摸无毛刺。光斑是埋在焊缝内部的裂纹，减少了钢轨的有效面积，产生应力集中，使用中光斑以裂纹的形式急剧扩散，极易造成断轨。

（1）产生原因

焊接端面的垂直度和表面粗糙度超出技术标准要求，焊接端面不洁净，如粘有油污、水汽、灰尘，或加热器点火时有积碳烟尘。对轨时两个待焊轨端面不密贴。焊接时钢轨端面在高温作用下形成氧化膜，阻碍了金属原子的相互扩散。钢轨焊缝未达到焊接要求的塑性状态进行顶锻。加热时温升过快，焊接热量未能充分传导，钢轨焊缝外表呈熔化状态而内部未达到焊接温度，焊接端面不能全部再结晶为一体。加热器局部火焰不稳定，出现脱火或跳火，使钢轨受热不足，温度偏低产生光斑。燃气或氧气纯度不够，挥发不充分导致加热器火焰功率降低且不稳定，造成光斑。顶锻量不够导致在钢轨塑性变形过程中空穴浓度不足，降低了扩散速度，钢轨两个端面间的金属原子无法充分互相扩散，重新结晶成为一体形成牢固的联结。顶锻速度不够使钢轨钢中的铝、铬、硅、钼等元素生成高熔点氧化物，影响金属原子扩散和再结晶。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）应对措施

选用合格的燃气(≥98%）和氧气(≥99.5%），适当调整加热器火孔。严格按工艺要求处理钢轨端面，避免二次污染。精细对轨，保证预顶后无错位和间隙。加热器点火时远离焊缝，采用较高速度顶锻，较大的压强和顶锻量。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.2 未焊透产生的原因和应对措施

未焊透是指2个接头端面局部或部分焊合，称为半焊、假焊，断口呈暗灰色、平整，手触摸有毛刺，毛刺间有平滑的微小白斑，其危害如光斑，超声波很难检测到，危害性更大。

（1）产生原因

打磨太薄，有污物；焊接操作不当，污染端面；打磨后待焊时间过长，端面重新污染。加热器火孔堵塞，出现故障发生回火、放炮或气体质量不合格与匹配不当，摆放不正、偏烧、升温不均，摆动量不符合要求。2个接头端面间隙过大，顶锻量过小或顶锻过早，加热时间短，焊接温度达不到要求。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）应对措施

严格执行打磨及保护工艺、对轨和压接机操作，以及加热器焊前试火及装夹工艺要求。加热器按规定摆动量摆动，按规定精度打磨端面。局部低温处用焊把或割把补火，掌握好顶锻时间及温度，顶锻量达到要求。轻微的表面过烧可通过打磨或二次加热顶锻消除，过烧严重的必须割开重焊。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.3 过烧产生的原因和应对措施

焊接时加热温度过高，导致部分金属接近熔化状态或熔化，引起晶界氧化，失去强度，无塑性，极脆，断口呈暗褐色，为松散的颗粒状组织。

（1）产生原因

加热器火孔分布不合理或施工现场风力过大，将火焰吹偏导致钢轨加热部位温度过高，造成局部熔化或接近熔化状态。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）应对措施

控制好加热温度特别是两轨底角处的温度，控制好氧、乙炔配比，保证其为微还原焰加热，采用挡火措施降低高温区温度。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.4 粗晶组织产生的原因和应对措施

轨头晶粒粗大，导致塑韧性及强度降低，且硬而脆，不能使用。

（1）产生原因

加热范围过宽，导致热影响区产生粗晶。焊接后未等轨温降至500 ℃以下进行正火处理，导致焊缝金属晶粒继续长大，形成粗晶。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）应对措施

控制加热器摆动距离（以焊缝为中心8～12 mm），轨温降至500 ℃以下进行正火处理，可借助光电测温仪或红外测温仪判定轨温。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

3 结束语

移动式钢轨气压焊技术已在全路广泛推广使用。现场应用表明，钢轨气压焊接头具有较高的静弯、抗疲劳强度和良好的冲击韧性，达到与闪光焊一样的质量。随着科学技术的发展，保压推凸气压焊设备和自动控制气压焊设备等新型气压焊设备出现，焊接辅助设备也在不断研发，焊接工艺不断改进和完善。目前，移动式钢轨气压焊技术已应用于我国250 km/h线路上的钢轨焊接，满足现场使用要求。

文章来源：

原文名称：移动式钢轨气压焊接头缺陷分析与应对措施󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

作者信息：王子儒（沈阳铁路局科学技术研究所，常务副所长，高级工程师，辽宁 沈阳，110013）󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

期刊信息：中国铁路 . 2011 (05)󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮