鋼軌鋁熱焊縫傷損分析與防止措施

劉貴琚， 韋昌革

（南寧鐵路局柳州工務段，工程師，廣西 柳州 545007）

鋼軌鋁熱焊縫是鐵路無縫線路主要的聯合接頭之一，其質量的好壞直接關系到行車安全。南寧鐵路局柳州工務段管轄的焦柳、湘桂、黔桂線P60鋼軌無縫線路近700 km，全段線上在役鋁熱焊縫6 100多頭。據統計，每年因處理傷損鋼軌、傷損焊縫和無縫化道岔而進行焊接的鋁熱焊有1 300多頭。2005～2007年，共發生鋁熱焊斷軌9起，直接影響或中斷行車累計13 h，嚴重威脅行車安全。因此，有必要對防止鋁熱焊縫傷損的措施進行探討，以提高焊接質量。

1 原因分析

通過分析，鋼軌接頭鋁熱焊內部傷損或折斷，主要由氣孔、縮孔、未焊透、夾渣、裂紋造成。

1.1 氣孔 進行鋼軌鋁熱焊時，由于焊劑受潮或過時、焊劑反應強烈、焊劑燃燒平靜時間過短、封箱泥過濕、軌縫有水分、預熱器使用的燃氣含水高、操作工藝不當等，都會在鋁熱焊處引起氣孔的產生。經使用后，氣孔擴展，形成貫穿傷損，其危害性大。氣孔的大小不一，有單個、多個或蜂窩狀氣孔群。單個的小氣孔直徑有的小于2 mm，大的氣孔直徑為8 mm，甚至更大。氣孔產生于焊縫的任何部位，存在于焊縫內部或表面。見圖1。

1.2 縮孔 縮孔產生的原因：一是預熱時間短，預熱溫度不夠；二是澆注后散熱過快，導致鐵水凝固收縮。其特征：全焊縫斷面均可產生，斷口表面晶粒粗大，呈暗灰色空穴，表面凹凸不平。如圖2。

圖1 蜂窩狀氣孔

圖2 縮孔斷面圖

1.3 未焊透 未焊透產生的原因：一是預留軌縫過大，致使局部預熱不到位，特別是軌頭厚的部位和軌底腳邊緣；二是預熱溫度不夠。其特征：斷口呈未熔合狀態，斷面平整，晶粒與晶粒之間未熔融，一般產生于軌底及軌頭部位。如圖3。

1.4 夾渣 產生夾渣的原因是由于焊劑反應不完全、易熔塞熔化快。在焊劑未完全反應完畢，沒有一定的平靜時間時，鐵水就開始澆注，致使結晶過程繼續反應，未上浮的溶渣、氧化物及夾雜物進入焊縫。其特征：在斷面處存在不規則體積夾雜，呈銹斑暗紅色或暗灰色，存在于焊縫各個部位。如圖4。

圖4 焊縫夾渣

1.5 裂紋 焊縫產生裂紋的原因：一是焊接時冷熱分布不均勻，或預熱時金屬體積改變，特別是軌頭局部預熱不夠，結晶溶合不良；二是熔融結晶過程受到外力影響，組織受到破壞，致使產生應力裂紋，運營后，裂紋逐步擴大形成疲勞裂紋。其特征：裂紋產生于鋼軌母材與焊縫間，即一般所說的熔合線，先是呈錚白色，裂紋經空氣氧化后呈黑褐色。如圖5。

2 防止措施

圖5 焊縫疲勞裂紋

2.1 消除氣孔 消除氣孔措施：一是加強焊劑的管理，不用過時、受潮的焊劑；二是將焊劑存放在通風干燥庫房的木架上部，避免焊劑受潮、受損，并有防火措施；三是對封箱泥、密封膏的使用要嚴格把關，過干或過潮都不要使用；四是在夜間、雨后焊接時，由于鋼軌潮濕，預熱前，應用預熱槍焰火烘烤軌縫兩側鋼軌，范圍各500 mm，以消除鋼軌水分，氣溫低于15℃時，在裝模前用預熱槍將鋼軌加熱到37℃，加熱長度在鋼軌軌端兩側各1 m范圍；五是預熱使用的燃氣（丙烷）、助燃氣（氧氣）純度要高，防止在燃燒過程中產生水蒸氣，滯留在焊縫中，形成焊縫氣孔；六是嚴格各項操作工藝規程，在寒冷氣候條件下，焊接將會冷卻過快，如果氣溫低于15℃，遇大風或雨天，則要在推瘤后立即用保溫箱或保溫罩將焊頭覆蓋，保溫時間不少于10 min，之后才能進行打磨。

2.2 消除縮孔 消除縮孔措施：一是嚴格按工藝操作，每次預熱前，檢查壓力表，如壓力被調亂，必須進行壓力調節，通過氧氣和丙烷的調壓閥將壓力調節至焊接操作工藝要求；二是嚴格按照操作工藝預熱程序，預熱時間達到焊接工藝要求；三是預熱時，軌溫低于15℃時要對鋼軌進行加熱，預熱溫度要達到900～950℃，肉眼觀察鋼軌斷面呈現暗紅色；四是天氣寒冷時，要對焊頭保溫，減緩散熱速度，防止鐵水結晶凝固收縮。

2.3 消除未焊透 未焊透缺陷是焊縫與母材未完全結晶熔合，局部預熱不均勻所造成。消除未焊透措施：一是預留軌縫要符合規定標準，預留軌縫不宜偏小或偏大；二是有條件時使用遠紅外線測溫儀測量預熱溫度，確保預熱達到所需的溫度；三是嚴格預熱時間，如遇氣候寒冷、軌溫低、風速大等因素可適當延長預熱時間，確保預熱達到規定溫度。

2.4 消除夾渣 消除夾渣措施：一是每次在焊劑裝堝前，應檢查包裝箱內組件是否齊全，焊藥包是否有破裂或受潮現象，一次性坩堝是否有破損及碎片，坩堝中的自熔塞是否正確無損；二是焊劑裝堝前要充分搞拌均勻焊劑，再行裝堝，避免焊劑成分不均勻；三是裝模和封箱時，要小心謹慎，避免砂模的砂粒以及封箱泥、封箱膏掉進預留軌縫，在鐵水注入時融入焊縫中。裝好模后，必須用一片干凈紙板蓋在砂模上，防止雜質落入砂模。

2.5 消除裂紋 消除裂紋措施：一是要嚴格預熱時間、溫度和均勻度。對火焰不集中的預熱槍，使用前要及時疏通出氣孔。預熱槍變形要修整，必要時送廠維修，測試壓力。二是避免焊縫結晶過程提前受力。在焊接過程中，焊縫附近使用的對正架、起道器、拉伸器，必須在焊縫推瘤完畢10 min后才能去除對正架，25 min后才能去除起道器、拉伸器。要完全避免在焊縫結晶過程在焊縫前后200 m范圍內進行其他作業（撥道、起道、緊固螺栓、改道、敲擊鋼軌等），應使焊縫具有穩定、平靜結晶環境。三是焊縫結晶過程避免鋼軌突然受冷，發生鋼軌收縮。在軌溫較高的環境焊接時，如突然下大雨，軌溫驟降，鋼軌發生收縮，鋼軌溫度應力會嚴重破壞焊縫結晶，產生結晶裂紋。發生這種情況時，必須重焊。

3 結束語

通過采取針對性措施，加強鋁熱焊焊接管理，2007年下半年至2008年4月，柳州工務段共焊接鋁熱焊縫1 267頭，經全斷面探傷均未發現上述傷損存在，取得了很好的成效。但還應加強以下工作：一是選用質量合格、技術先進的鋁熱焊劑。焊接的鋁熱焊強度、硬度要高，外觀好，質量穩定，型式試驗各項指標達到部標規定要求。二是加強鋼軌鋁熱焊焊接技術管理，定期對鋁熱焊縫進行靜彎、落錘試驗。三是焊接人員要相對穩定，每年對焊接人員進行技術培訓和考核，考核不合格者不準施焊。四是鋼軌焊接的各種機具材料、儀表，應配備齊全，保持良好，嚴格執行鋁熱焊工藝操作要求、方法。五是建立健全完善的焊軌臺帳。