鋼軌鋁熱焊傷損分析及預防措施研究

摘要：本文通過對鋁合金熱焊損傷的原因和損傷類型的分析，加強了鋁合金熱焊現場工作的管理，加強了對鋁合金熱焊現場工作的控制，脫落等損傷可參照軌頭焊接工藝。

關鍵詞：鋁熱焊;焊縫傷損;傷損分析;預防措施;軌頭焊補

一、鋼軌鋁熱焊傷損總體情況

鋼軌鋁熱焊接頭是焊工的原因，其強度低于軌底，一般為軌底材料的70%，且后期磨損較大。此外，鋁熱焊接工作與工人的工作方法、工作水平和工作態度有很大關系，這些都是導致鋁熱焊頭損壞的原因。由于鋁的熱焊接過程是鑄造過程，不可避免地會產生氣泡和非金屬夾雜物等鑄造缺陷。

鋁合金熱焊焊頭表面的原始錯位是造成返修后的不均勻沉降的重要因素，以導致及線路返修后工作量的增加。通過線路焊接方法得到改進，使線路達到穩定時間延長，提高焊接質量已經是一項艱巨的任務。

二、常見鋁熱焊傷損類型及形成原因

（一）縮孔與疏松

鋁熱反應過程中的縮孔，即溫度最高并最終凝固的溫度，是在體積收縮后，通過集中孔形成同心孔，使之收縮而形成的。疏松是一種細小而不連續的孔隙，在局部范圍內分布均勻。

收縮的原因是鋁熱焊接時鋼水溶液與鋼軌接觸，對側與砂型接觸的熱傳導率不同，因此焊接前鋼軌與鋼水接觸的橫截面是必要的。如果預熱溫度過低或過低，且溫度不在中間，預熱槍和砂型偏重，位置不在中間，如果形成過熱現象，軌腰、軌腳等小截面的鋼液容易迅速凝固，縮孔變得困難，容易形成縮孔、疏松等鑄造缺陷，并產生于普通焊道的中心（預熱的最高溫度）和鋼軌的中心三角形，最終導致凝固中心松動。

需要注意的是，如果預熱不均勻，預熱孔處軌面溫度局部偏高，則會延遲附近鋼水的凝固，焊接接頭的表面會收縮。當焊接接頭出現疏松時，會產生疲勞芯效應。在列車交變載荷作用下，較大的疲勞裂紋會從疲勞核心處逐漸擴展，導致焊縫過早疲勞斷裂，預熱槍或砂型找正不當，中心位置不當，鋼軌接頭過大，可能導致疏松。

（二）夾碴

卡盤是熱焊接鑄造鋁結構中常見缺陷的釘扎形式，由于焊縫進入焊道，未熔化的金屬塊與鋼中的其他金屬混合。在鋁的熱反應中，熔化沒有及時進行，它向上漂浮，流入模具型腔，粘附在鋼軌表面，凝固形成凹坑，它的特點是混合不規則的體積在橫截面上，顯示黑色和黑灰色，并存在于焊縫的每個部分。

裂紋產生的原因是鋼軌過大，砂箱沒有緊密接觸或鐵軌運行。由于鋼的含水量不足，不可能完全排出破碎的碎片，碎片進入模具，很容易被夾在軌道頂部。如果太早打開熔化塞，焊渣就不能從鋼水中分離出來。有的鐵軌邊緣很臟，有金屬碎片和雜物，在封箱的過程中，不蓋住模具口后上升到砂型內，讓雜質進入砂型內;砂型與導軌接觸面不匹配，沉積時間不足，反應未完成，在模具的型腔中形成反應碎片。

（三）熱裂

胎圈和熱影響區域可能發生熱裂紋，在焊頭的凝固過程中，溫度略低于凝固點的恒溫范圍，在該溫度范圍內，當發生收縮應力或外力超過鋼材的強度極限時，就會出現裂紋和斷裂。在這種高溫區域形成的斷裂稱為熱裂紋，其特征是鋼軌母材與焊縫之間產生裂紋。也就是說，一般的熔化線先是呈錚白色，裂紋經空氣氧化后變成深褐色，熱裂紋對焊頭的質量有很大的影響，會導致斷開。

熱裂紋產生的原因是焊縫的運動和拉應力，特別是在低溫下，由于激冷效應，加速壓縮使收縮應力增大，在高溫區形成熱裂紋。當焊頭在冷卻過程中沒有完全凝固時，會受到外力的沖擊。

（四）未焊合

鋁熱焊接后，兩段待焊鋼軌仍存在未焊區，稱為未焊區。焊接缺陷是鋁熱鋼在低預熱溫度下釋放的熱量不足以熔化鋼軌端部;預熱時間不足或氧氣、丙烷壓力不足不能使軌端熔化;軌端處理不良，軌端氧化層脆化，導致熔化不良，砂型孔與軌底找正不準，預熱槍間隙不均或找不到中心。導致一側預熱不足;鋼軌焊縫過小，熱容較小，冷卻時鋼軌端部未完全熔化，造成無焊縫;用氧氣切割鋼軌的端部，而不是用鋼軌鋸，中砂箱則采用“流水鐵”焊接。

（五）粗晶

對于焊頭的晶體結構而言，部分或全部橫截面上的粗大或不均勻晶粒稱為粗晶粒。焊縫的晶粒度應比鋼軌的晶粒度小一度。如果PD3鋼軌的晶粒度為6級，則PD3鋼軌的晶粒度應小于鋼軌的1度，焊縫的晶粒度不小于5級，1-3級為粗晶粒。粗晶影響了焊接接頭的疲勞強度和韌性，增加了焊接接頭的脆性。粗大的晶粒會導致鋼軌斷裂，以脆性斷裂為主。粗晶形成的原因是冷卻速度過快，是粗晶形成的主要原因。

三、鋁熱焊傷損預防措施研究

對于在線熱焊接接頭，為了防止鋼軌因損傷而斷裂，必須有一套行之有效的無損檢測技術，接頭外觀檢查采用電子水準儀，超聲波探傷儀用于內部結構檢測。

焊接接頭的外觀檢查主要包括用電子水準儀檢查和觀察工作面和導向面的直線度。無縫線路、道岔鋼軌現場焊縫除按鋼軌探傷周期使用鋼軌探傷儀外，每半年用專用儀器進行一次全斷面檢驗。對現場焊接條件較差的焊縫，應根據具體情況增加檢驗次數。

現場新焊道必須嚴格執行“當日施焊”工作制度，鋼軌焊接方案批準后，線路工作站應及時通知監控車間及相關檢查組，監控工作場所接到焊接計劃通知后，應立即發放涂片，并對新焊道進行檢查，線路作業場所負責安全防護等配合工作。

焊道對接接頭應具有高中以上文化程度，發自內心地熱愛劃傷工作，對不習慣檢查鋼軌的人適時調整。焊道必須通過一級超聲波檢測和鐵路技術鑒定，并通過專業的鐵路焊道檢測技術檢驗。應了解焊道檢測原理，熟悉焊道缺陷標準。在年度大修前，我們將對現場進行監控，并對新焊道進行培訓和測試。

打磨新的熱焊道后必須進行試驗，焊道溫度必須冷卻到40℃以下℃， 試驗表面不得有焊渣、焊管或嚴重腐蝕。鋼軌兩側、軌距兩側、鋼軌底部兩側和鋼軌頂部（30 mm）必須打磨至鋼軌的原始表面。在檢測焊道損壞之前，必須清除油和嚴重腐蝕。

焊縫檢測范圍為從焊縫中心到焊縫兩側。整個焊道掃描200mm，鋁熱劑焊道掃描延伸至焊道全寬（縱軌）;焊接缺陷應包括鋼軌接頭，包括焊縫和熱影響區（200m）。

手工檢測焊道，需要有高度的責任心，專心檢測，觀察焊道，采用照亮焊道的方法，用檢查小鏡對鋁熱劑焊道的整個表面進行檢測。特別是鋼軌邊緣位置和軌底難度，要做外觀檢查和超聲波探傷兩項檢查。

用檢查小鏡檢查焊縫軌頭的腰部，觀察有無銹跡、氣孔、胸膜腔、凹陷等缺陷裂紋。軌底部分：將檢查小鏡放入軌底，用自然光照鏡子看是否有裂紋。觀察焊道兩側的熱影響區域。是否有其他外力引起的缺陷（如軌底刷、軌底打磨機劃傷等）。隧道中的焊縫利用燈光的反射來檢查從軌頭到軌底的整個區段，方法是一樣的。

外觀檢查缺陷判定要求：軌頭位置不允許有裂紋，表面孔徑不大于1nm，數量不大于1;軌頭、下顎夾渣、夾砂不大于1nm，數量不大于1;氣孔大小不大于2m，數量不大于3個，鋼軌下部不應有裂紋、致密氣孔、大于2mm的單孔、鼓包、凹陷等缺陷。

焊縫探傷前應徹底除銹，清除焊縫邊緣的焊渣、油脂和鐵銹。探傷表面無污垢、銹蝕，符合探傷要求。如發現部分零件因脹形或磨削不當而影響探傷時，應做好記錄，并建立臺帳，通知生產線部門組織生產線車間打磨。探傷時，嚴格執行操作規程，注意探頭的耦合狀態，控制探傷速度。新建帶電線路每條焊縫的探傷時間（含外觀檢查）不少于15分鐘。

結束語

鋁熱焊的影響因素包括工藝技術、操作人員的態度等。本文通過現場管理，嚴格的管理制度和過程控制，可以有效規范現場作業人員的正確操作，合理的獎懲制度可以激發現場作業人員的積極性。從而提高鋁熱焊接質量，在一定程度上避免焊接過程中的損傷，很難完全避免鋁熱焊接的損傷。但通過加強管理，鼓勵現場操作，提高工人的積極性，可以有效地提高焊接質量，防止鋼軌斷裂，鋼軌焊縫打磨可按后期規定進行。

參考文獻

[1]張瑞. 鋼軌鋁熱焊接焊頭傷損分析與防治措施[J]. 百科論壇電子雜志， 2019（6）.

[2]彭勛榮. 淺談地鐵鋼軌鋁熱焊缺陷檢測及控制措施[J]. 數字化用戶， 2019， 25（005）：247，108.

[3]石彤， 趙志剛， 鄒定強，等. 鋼軌鋁熱焊接頭斷裂失效分析研究[J]. 中國鐵路， 2019， No.679（01）：73-79.

作者簡介：張奇（1996.06—），男，河北邯鄲人，大學本科，現任中國鐵路北京局集團有限公司邯鄲工務段助理工程師，研究方向為鋼軌鋁熱焊接。