钢轨铝热焊伤损分析及预防措施研究

摘要：本文通过对铝合金热焊损伤的原因和损伤类型的分析，加强了铝合金热焊现场工作的管理，加强了对铝合金热焊现场工作的控制，脱落等损伤可参照轨头焊接工艺。

关键词：铝热焊;焊缝伤损;伤损分析;预防措施;轨头焊补

一、钢轨铝热焊伤损总体情况

钢轨铝热焊接头是焊工的原因，其强度低于轨底，一般为轨底材料的70%，且后期磨损较大。此外，铝热焊接工作与工人的工作方法、工作水平和工作态度有很大关系，这些都是导致铝热焊头损坏的原因。由于铝的热焊接过程是铸造过程，不可避免地会产生气泡和非金属夹杂物等铸造缺陷。

铝合金热焊焊头表面的原始错位是造成返修后的不均匀沉降的重要因素，以导致及线路返修后工作量的增加。通过线路焊接方法得到改进，使线路达到稳定时间延长，提高焊接质量已经是一项艰巨的任务。

二、常见铝热焊伤损类型及形成原因

（一）缩孔与疏松

铝热反应过程中的缩孔，即温度最高并最终凝固的温度，是在体积收缩后，通过集中孔形成同心孔，使之收缩而形成的。疏松是一种细小而不连续的孔隙，在局部范围内分布均匀。

收缩的原因是铝热焊接时钢水溶液与钢轨接触，对侧与砂型接触的热传导率不同，因此焊接前钢轨与钢水接触的横截面是必要的。如果预热温度过低或过低，且温度不在中间，预热枪和砂型偏重，位置不在中间，如果形成过热现象，轨腰、轨脚等小截面的钢液容易迅速凝固，缩孔变得困难，容易形成缩孔、疏松等铸造缺陷，并产生于普通焊道的中心（预热的最高温度）和钢轨的中心三角形，最终导致凝固中心松动。

需要注意的是，如果预热不均匀，预热孔处轨面温度局部偏高，则会延迟附近钢水的凝固，焊接接头的表面会收缩。当焊接接头出现疏松时，会产生疲劳芯效应。在列车交变载荷作用下，较大的疲劳裂纹会从疲劳核心处逐渐扩展，导致焊缝过早疲劳断裂，预热枪或砂型找正不当，中心位置不当，钢轨接头过大，可能导致疏松。

（二）夹碴

卡盘是热焊接铸造铝结构中常见缺陷的钉扎形式，由于焊缝进入焊道，未熔化的金属块与钢中的其他金属混合。在铝的热反应中，熔化没有及时进行，它向上漂浮，流入模具型腔，粘附在钢轨表面，凝固形成凹坑，它的特点是混合不规则的体积在横截面上，显示黑色和黑灰色，并存在于焊缝的每个部分。

裂纹产生的原因是钢轨过大，砂箱没有紧密接触或铁轨运行。由于钢的含水量不足，不可能完全排出破碎的碎片，碎片进入模具，很容易被夾在轨道顶部。如果太早打开熔化塞，焊渣就不能从钢水中分离出来。有的铁轨边缘很脏，有金属碎片和杂物，在封箱的过程中，不盖住模具口后上升到砂型内，让杂质进入砂型内;砂型与导轨接触面不匹配，沉积时间不足，反应未完成，在模具的型腔中形成反应碎片。

（三）热裂

胎圈和热影响区域可能发生热裂纹，在焊头的凝固过程中，温度略低于凝固点的恒温范围，在该温度范围内，当发生收缩应力或外力超过钢材的强度极限时，就会出现裂纹和断裂。在这种高温区域形成的断裂称为热裂纹，其特征是钢轨母材与焊缝之间产生裂纹。也就是说，一般的熔化线先是呈铮白色，裂纹经空气氧化后变成深褐色，热裂纹对焊头的质量有很大的影响，会导致断开。

热裂纹产生的原因是焊缝的运动和拉应力，特别是在低温下，由于激冷效应，加速压缩使收缩应力增大，在高温区形成热裂纹。当焊头在冷却过程中没有完全凝固时，会受到外力的冲击。

（四）未焊合

铝热焊接后，两段待焊钢轨仍存在未焊区，称为未焊区。焊接缺陷是铝热钢在低预热温度下释放的热量不足以熔化钢轨端部;预热时间不足或氧气、丙烷压力不足不能使轨端熔化;轨端处理不良，轨端氧化层脆化，导致熔化不良，砂型孔与轨底找正不准，预热枪间隙不均或找不到中心。导致一侧预热不足;钢轨焊缝过小，热容较小，冷却时钢轨端部未完全熔化，造成无焊缝;用氧气切割钢轨的端部，而不是用钢轨锯，中砂箱则采用“流水铁”焊接。

（五）粗晶

对于焊头的晶体结构而言，部分或全部横截面上的粗大或不均匀晶粒称为粗晶粒。焊缝的晶粒度应比钢轨的晶粒度小一度。如果PD3钢轨的晶粒度为6级，则PD3钢轨的晶粒度应小于钢轨的1度，焊缝的晶粒度不小于5级，1-3级为粗晶粒。粗晶影响了焊接接头的疲劳强度和韧性，增加了焊接接头的脆性。粗大的晶粒会导致钢轨断裂，以脆性断裂为主。粗晶形成的原因是冷却速度过快，是粗晶形成的主要原因。

三、铝热焊伤损预防措施研究

对于在线热焊接接头，为了防止钢轨因损伤而断裂，必须有一套行之有效的无损检测技术，接头外观检查采用电子水准仪，超声波探伤仪用于内部结构检测。

焊接接头的外观检查主要包括用电子水准仪检查和观察工作面和导向面的直线度。无缝线路、道岔钢轨现场焊缝除按钢轨探伤周期使用钢轨探伤仪外，每半年用专用仪器进行一次全断面检验。对现场焊接条件较差的焊缝，应根据具体情况增加检验次数。

现场新焊道必须严格执行“当日施焊”工作制度，钢轨焊接方案批准后，线路工作站应及时通知监控车间及相关检查组，监控工作场所接到焊接计划通知后，应立即发放涂片，并对新焊道进行检查，线路作业场所负责安全防护等配合工作。

焊道对接接头应具有高中以上文化程度，发自内心地热爱划伤工作，对不习惯检查钢轨的人适时调整。焊道必须通过一级超声波检测和铁路技术鉴定，并通过专业的铁路焊道检测技术检验。应了解焊道检测原理，熟悉焊道缺陷标准。在年度大修前，我们将对现场进行监控，并对新焊道进行培训和测试。

打磨新的热焊道后必须进行试验，焊道温度必须冷却到40℃以下℃， 试验表面不得有焊渣、焊管或严重腐蚀。钢轨两侧、轨距两侧、钢轨底部两侧和钢轨顶部（30 mm）必须打磨至钢轨的原始表面。在检测焊道损坏之前，必须清除油和严重腐蚀。

焊缝检测范围为从焊缝中心到焊缝两侧。整个焊道扫描200mm，铝热剂焊道扫描延伸至焊道全宽（纵轨）;焊接缺陷应包括钢轨接头，包括焊缝和热影响区（200m）。

手工检测焊道，需要有高度的责任心，专心检测，观察焊道，采用照亮焊道的方法，用检查小镜对铝热剂焊道的整个表面进行检测。特别是钢轨边缘位置和轨底难度，要做外观检查和超声波探伤两项检查。

用检查小镜检查焊缝轨头的腰部，观察有无锈迹、气孔、胸膜腔、凹陷等缺陷裂纹。轨底部分：将检查小镜放入轨底，用自然光照镜子看是否有裂纹。观察焊道两侧的热影响区域。是否有其他外力引起的缺陷（如轨底刷、轨底打磨机划伤等）。隧道中的焊縫利用灯光的反射来检查从轨头到轨底的整个区段，方法是一样的。

外观检查缺陷判定要求：轨头位置不允许有裂纹，表面孔径不大于1nm，数量不大于1;轨头、下颚夹渣、夹砂不大于1nm，数量不大于1;气孔大小不大于2m，数量不大于3个，钢轨下部不应有裂纹、致密气孔、大于2mm的单孔、鼓包、凹陷等缺陷。

焊缝探伤前应彻底除锈，清除焊缝边缘的焊渣、油脂和铁锈。探伤表面无污垢、锈蚀，符合探伤要求。如发现部分零件因胀形或磨削不当而影响探伤时，应做好记录，并建立台帐，通知生产线部门组织生产线车间打磨。探伤时，严格执行操作规程，注意探头的耦合状态，控制探伤速度。新建带电线路每条焊缝的探伤时间（含外观检查）不少于15分钟。

结束语

铝热焊的影响因素包括工艺技术、操作人员的态度等。本文通过现场管理，严格的管理制度和过程控制，可以有效规范现场作业人员的正确操作，合理的奖惩制度可以激发现场作业人员的积极性。从而提高铝热焊接质量，在一定程度上避免焊接过程中的损伤，很难完全避免铝热焊接的损伤。但通过加强管理，鼓励现场操作，提高工人的积极性，可以有效地提高焊接质量，防止钢轨断裂，钢轨焊缝打磨可按后期规定进行。

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作者简介：张奇（1996.06—），男，河北邯郸人，大学本科，现任中国铁路北京局集团有限公司邯郸工务段助理工程师，研究方向为钢轨铝热焊接。