鋼軌焊接缺陷的產生及預防

王 利

（濟南鐵路局工務機械段，山東 濟南 250000）

0 前言

焊接缺陷對焊接質量的影響非常大，只有明確焊接缺陷的產生原因我們才能更好的控制焊接質量，從而獲得理想的焊接接頭。只有鋼軌焊接質量得到保障，才能更好的保障旅客乘車的安全。

1 焊接缺陷主要形式

焊接缺陷可以分為外觀缺陷和內部缺陷。外觀缺陷是指不用借助于儀器,從工件表面可以發現的缺陷,主要包括外觀質量粗糙，魚鱗波高低、寬窄發生突變，焊縫與母材非圓滑過渡，推瘤過程中推傷母材。當前焊接方法中存在外觀缺陷的主要是氣壓焊，常見的外觀缺陷是錯邊，有時還會出現推傷母材的情況，但這種焊接方法目前已不再使用。而內部缺陷主要以氣孔、夾渣、未焊合、過燒、灰斑、裂紋為主。不同的焊接方法產生的缺陷也不相同。當前鋼軌焊接方式主要分為氣壓焊、鋁熱焊、閃光焊三種。當前鋼軌焊接使用最多的方法是閃光焊，其主要缺陷是內在缺陷，主要以光斑為主。但從外觀質量和內在質量綜合比較，閃光焊是目前比較理想的一種焊接方法。

2 焊接缺陷產生原因

焊接缺陷產生的原因多種多樣，接下來從不同方面對其進行分析。外觀缺陷產生原因可以分為人為、自然和冶金因素。目前鋼軌焊接，尤其是現場焊接，自然條件比較惡劣，人員操作水平有差異，所以在外觀上很難控制。冶金因素主要是鋼軌出廠時每一根鋼軌在幾何尺寸上都會有或多或少的偏差，這種因素是人力無法改變的。而焊接內在缺陷則可分為氣孔，夾渣、未熔合、過燒、灰斑等。氣孔是焊接時,熔池中的氣泡在凝固時未能逸出而殘留下來所形成的空穴。其氣體可能是熔池從外界吸收的,也可能是焊接冶金過程中反應生成的。氣孔可分為條蟲狀氣孔、針孔、柱孔,按分布可分為密集氣孔,鏈孔等。氣孔的生成有工藝因素,也有冶金因素。工藝因素主要是焊接操作是否規范，母材或填充金屬表面是否有銹、油污等。由于水分在高溫下分解為氣體,高溫金屬中氣體含量增加，熔池冷卻速度大,氣體來不及逸出，形成氣孔殘留在焊縫中。氣孔主要出現在鋁熱焊中。而冶金因素則是由于在鋼軌凝固界面上排出的氮、氫、氧、一氧化碳和水蒸汽等所造成的。此外鋼軌焊接完成后還會出現焊后熔渣殘存在焊縫中的現象。焊后殘留在焊縫中的熔渣,有點狀和條狀之分.它是由于熔池中熔化金屬的凝固速度大于熔渣的流動速度,當熔化金屬凝固時,熔渣未能及時浮出熔池而形成的。它主要存于焊縫之間和焊縫與母材之間.其主要是由于鋼軌端面有油污或者灰塵造成的。

未熔合也是一種常見的焊接缺陷。它是由于焊縫金屬與母材金屬或焊縫金屬之間未能完全熔化結合在一起的一種焊接缺陷。鋁熱焊出現這種情況主要是由于焊劑的選擇不當或者焊縫預留量過大以及封箱不嚴等原因造成的。對于目前的鋼軌焊接方法來說，鋁熱焊主要是由于加熱溫度不夠，不能為鋁熱反應提供足夠的熱量，未能達到理想的溫度值。而閃光焊和氣壓焊則屬于塑性焊接，其缺陷主要是由于鋼軌預留頂鍛量不足，頂鍛量未達到要求造成的。在當前焊接過程中，氣壓焊與閃光焊出現未焊合的概率較小。

此外，焊縫中還會出現裂紋，它是指焊接接頭中局部地區的金屬原子結合力遭到破壞而形成的新界面而產生縫隙,它具有尖銳的缺口和大的長寬比特征.按其方向可分為縱向裂紋、橫向裂紋,輻射狀裂紋.其主要是冶金因素和力學因素產生的.冶金因素是由于焊縫產生不同程度的物理與化學狀態的不均勻,力學因素則是由于火車運行過程中對鋼軌的不斷沖擊，在焊接缺陷處產生應力集中，在不斷的沖擊下，裂紋不斷長大，最終導致鋼軌斷裂。裂紋在鋼軌焊接中出現的概率較小，主要出現在長期運行的鐵路運行線上。

此外如果在焊接過程中焊接操作規范使用不當,熱影響區長時間在高溫下停留,晶粒會變得粗大,形成過熱組織。若溫度進一步升高,停留時間加長,可能使晶界發生氧化或局部熔化,就會出現過燒組織。過熱可通過熱處理來消除,而過燒是不可逆轉的缺陷，出現過燒的部位，焊縫的強度非常低，很容易發生斷裂。

當然在鋼軌焊接中出現最多的還是灰斑，它是在焊縫金屬的斷裂面上出現的灰色條狀或者塊狀的焊接缺陷。其組織脆硬，對焊接質量影響很大。灰斑主要出現在氣壓焊和閃光焊中，氣壓焊主要以灰色的斑點為主，閃光焊則主要是白亮的條斑或者點斑，這兩種焊接方法屬于塑性焊接，其缺陷主要是焊接參數選擇不當,操作工藝不正確,焊接技能差，焊接過程中電流電壓異常或者焊接過程中高溫金屬區被氧氣氧化所造成的。其主要的一些斷口缺陷形貌如下圖所示：

圖1

圖2

圖3

圖4

圖1和圖4所示的缺陷在閃光焊中比較常見，主要表現為成片白色條斑和斷口平齊，是由于參數配置不合理造成的，平齊斷口一般是由于熱輸入不足造成的。圖2所示的為比較大的灰斑，這種缺陷有的時候雖然很大，但一般不會成為裂源，圖3所示的缺陷雖然不大，對焊縫強度影響卻很大，尤其是當其缺陷延伸到邊緣時，則很容易成為裂源。祛除灰斑缺陷一直是閃光焊參數調試過程中不可忽視的一個重要環節。

3 焊接缺陷的危害及預防方法

焊接缺陷對鋼軌焊接接頭的強度影響很大，不同的缺陷會帶來不同的影響，但對于火車運行來說都是非常危險的。所以我們要明確每一種焊接缺陷所帶來的危害，并制定相應的預防措施來保證安全。

氣孔減少了焊縫的有效截面積,使焊縫疏松,從而降低了接頭的強度,降低塑性，同時還會引起應力集中,而點狀夾渣的危害與氣孔相似,帶有尖角的夾渣也會產生尖端應力集中,其尖端還可能會發展為裂紋源,要防止其產生，我們需要徹底清理鋼軌焊接端面的油污、鐵銹、水分和雜物，并使用端面打磨機將鋼軌端面徹底打磨，使鋼軌焊接端面平整、清潔。

同時未熔合也是一個不可忽視的缺陷，它是一種面積型缺陷、它減少了焊縫的有效截面積,使接頭強度下降。為了防止出現這種缺陷，鋁熱焊焊接時則需要經驗豐富的人員操作，并配備紅外線測溫儀輔助測量。氣壓焊和閃光焊則要控制好鋼軌的預留量，降低鋼軌滑動阻力，保證焊接過程能達到設定頂鍛值。

而裂紋缺陷對接頭強度的影響也非常大，如果鋼軌內部存在裂紋，在火車長期運行中，不斷的沖擊鋼軌焊縫，裂紋會不斷擴大，焊縫的疲勞程度逐漸增強，當積累到一定程度就會引起鋼軌的斷裂，危及行車安全。裂紋缺陷一般都是在鋼軌使用中出現，鋼軌焊接過程中出現的概率很小，所以使用中的鋼軌需要按照大修周期定期進行更換。

過燒和灰斑同樣也是引起鋼軌斷裂的很重要的因素，出現過燒的部位，接頭強度明顯低于正常值，必然成為斷裂源，所以在焊瘤的清除過程中務必要做到干凈徹底。對于灰斑這種常見的缺陷只能通過細化每一道工序，優化焊接參數來改善。

4 總結

鋼軌焊接缺陷產生的原因很多，從焊前準備到焊接過程，再到焊后處理，每一道工序都需要嚴格的質量控制才能獲得優質焊頭，其中任何一道工序出現異常，都會對接頭質量產生重大影響，所以我們在每一次焊接的時候都要嚴格按要求操作，決不能應付了事，優質的鋼軌焊接質量是鐵路運行安全的重要保障。