钢轨铝热焊缺陷的研究与防止

钢轨铝热焊缺陷的研究与防止

陈宁

西安中铁轨道交通有限公司  陕西省西安市  710000

摘要：随着时代的发展和社会的进步，我国铁路事业发展飞速，在新时代背景下面临着更高要求。为减少火车运行阻力，无缝线路钢轨是当下铁路发展的新方向，而作为无缝线路轨道常见的现场焊接方式之一，铝热焊具有操作简单、低成本、焊接速度快等多种优势，但在实际焊接过程中比较容易受到各种外界因素影响，造成部分焊接缺陷，影响焊接质量。基于此，本文对钢轨铝热焊接存在的缺陷展开研究，通过对这些缺陷诱发因素的深入分析，有针对性地提出一系列预防措施，以供相关人员参考。

关键词：钢轨；铝热焊；焊接缺陷

铝热焊属于常见的铁路轨道现场焊接方式的一种，与其他方法相比，具有施工便捷、设备操作简单、接头平直度高等多种优势，在现阶段铁路焊接领域得到广泛应用。然而在铝热焊方法在实际应用过程中，较容易受到焊接人员专业能力等人为因素或其他外界因素影响，出现各种缺陷，尤其是钢轨铝热焊接头处常出现裂纹，甚至频发接头断裂问题，严重影响钢轨焊接质量。由此可见，为进一步满足铁路发展需要，保障无缝轨道焊接质量，本文便对其中几种常见的铝焊热缺陷展开详细探讨，并提出具体防止策略。

一、缩孔、疏松缺陷

（一）形成原因

缩孔与疏松是钢轨铝热焊常见的缺陷类型，铝热钢水温度极高，浇注过程中冷却凝固后，对于最后凝固的最高温部位会因体积收缩导致外来钢水补缩不及时，在此过程中形成的集中空穴被称为缩孔，缩孔缺陷常见于焊缝正中轨腰处或轨道底部的三角区域[1]。若发现有相对不连贯的细小缩孔在焊缝周围均匀分布，这种缩孔布局则被称为疏松。通常情况下，铝热焊前需事先预热钢轨断面，确保钢轨局部受热均匀。而缩孔与疏松缺陷通常因铝热焊预热时间过长、预热温度过低、轨道局部温度过高引起，尤其是轨腰部分如果局部温度过高极易引起缩孔、疏松缺陷。同时，预热枪位置没有居中也会导致熔化钢液一侧过热，截面较小的部位钢液会迅速凝固，进而形成缩孔、疏松缺陷。此外需特别注意的是，焊前钢轨断面如果没有均匀预热，那么缩孔极有可能会出现在接头表面处，焊缝核心疲劳，在长时间承载列车交变负荷后会渐渐发生断裂现象，影响列车行进安全。

（二）防止措施

首先可以对铝热焊砂型结构进行改进，增宽两到三毫米型腔，以此改善钢液补缩不足的问题[2]。其次，应该加大对预热环节的质量控制力度，在铝热焊过程中适当增加预热时长，保证预热温度满足焊接要求。此外，由于钢轨铝热焊过程极易受到各种因素影响，即使严格按照规定完成各项操作，依据会出现预热欠火问题，对此还需结合现场条件灵活调整焊接工艺。

二、气孔缺陷

（一）形成原因

钢轨铝热焊时钢液凝固过程中释放气体会形成气孔缺陷，气孔形状通常为光滑圆形，此缺陷一般情况下形成于焊缝断面处或表皮下，常见于轨底及或两侧斜面处。形成气孔的原因较多，首先若浇注前钢轨及砂型预热时间过长会加大预热后温差，预热温度不足导致钢水极易凝固，进而影响气体排放形成气孔，气孔常出现在轨道底部边角区域。其次，焊接材料质量不佳，焊接材料受潮或用量不当也会影响气体排出形成气孔，气孔最常见于焊头中[3]。最后，铝热焊技术应用过程中如果反应不充分、镇静时间不足，注入砂型后仍会继续反应出现气孔。

（二）防止措施

首先，控制好焊接材料质量和材料用量，包括封箱泥、焊剂、坩埚等材料，从生产环节到现场施工整个过程均采取防潮措施，全程防止水分浸入材料形成气孔影响焊接质量。其次，完善预热工艺，按照相关标准控制好预热温度，校准丙烷减压阀。最后，将焊剂提前放入坩埚中，钢轨预热后立刻放置坩埚，使用高温火柴点火完成浇注。

三、夹渣缺陷

（一）形成原因

作为常见的钢轨铝热焊缺陷，夹渣通常呈暗灰色，指的是钢轨熔渣进入焊缝，影响焊接质量。夹渣缺陷的形成原因众多，首先，轨道端残存金属碎渣、碎屑，没有及时清理，封箱时上砂模型腔口没有及时覆盖都会导致杂质进入。其次，提前打开自熔塞，此时钢水和焊渣并未完全分离，也会形成夹渣缺陷。最后，镇静时间不足，未等反应充分就开始浇注，型腔内继续发生反应会形成熔渣[4]。且因为凝固速度太快，熔渣并没有浮出就进入焊缝导致夹渣现象发生。

（二）防止措施

首先，做好轨底、轨端的清洁工作，使用角磨机彻底打磨处理锈污，并做好轨底的干燥工作。其次，封箱过程中要及时封盖，避免砂型中进入沙粒出现夹渣现象。再次，提前打磨砂模和钢轨接触面，确保二者结合紧密。最后，按照相关标准控制好焊剂反应时间和镇静时间。

四、热裂缺陷

（一）形成原因

热裂指的是焊缝钢液还未凝固完全时由于强度较低，此时若承受超出承载极限的外力，将会产生裂纹甚至发生断裂现象。热烈缺陷的形成原因主要是外力过大，包括焊接过程中焊缝受到的拉力、拆箱过早提前对焊头施加的压力、焊接后冷却过程中焊头未凝固完全时所受外力等等[5]。这些外力都会对钢轨铝热焊质量造成影响，出现裂纹、断裂现象。

（二）防止措施

首先，焊接过程中要确保待焊钢轨不发生任何移动，尤其切忌焊接过程中存在任何敲击、踩踏现象。其次，焊接人员要严格遵照相关要求按时有序拆箱、推瘤。最后，如果焊头温度过高，超过三百摄氏度，绝对不可以拆除对轨设备。

五、未焊合缺陷

（一）形成原因

未焊合指的是钢轨铝热焊接施工后待焊钢轨断面部分区域没有熔化，这种现象被称为未焊合，此种缺陷多发于轨头处。导致钢轨未焊合的原因较多，首先，氧气切割轨道后没有进一步使用锯轨机完善切割，轨道断面处理不平整会形成较脆弱的氧化层，影响熔合效果。其次，没有控制好预热时间、轨道受热不均、丙烷及氧气压力不够、砂模孔对位不准、预热枪不居中等问题都会导致轨端无法充分熔化[6]。最后，如果轨缝太小、焊缝热容量较小会导致钢轨端还未充分熔化便冷却，进而形成未焊合缺陷。

（二）防止措施

首先，要控制好预热温度，预热温度控制在800摄氏度至900摄氏度范围内。其次，要优化焊接工艺，焊接前砂箱和预热枪等所需设备要保证安装正确。最后，确保轨缝宽度符合相关标准，并做好轨缝及轨底的清理工作。

结束语：

综上所述，通过本文对钢轨铝热焊缺陷及造成缺陷原因的深入分析，现作如下总结。造成铝热焊缺陷原因主要有焊接材料质量不佳、焊接工艺不合理、轨缝轨底不整洁等，针对钢轨铝热焊缺陷，相关技术人员应充分了解缺陷成因，了解钢轨铝热焊过程中涉及的各项工艺参数，在此基础上制定相应解决措施，并以此为鉴，为后续铝热焊缺陷预防工作提供参考依据。此外，要加强对焊接工艺的研究改良，从源头上避免钢轨铝热焊缺陷的出现，起到良好的预防作用，为铝热焊接质量提供保障。

参考文献：

[1] 石孟雷, 崔成林, 冯子凌,等. 预留打磨量和打磨温度对钢轨铝热焊接头平直度的影响[J]. 铁道建筑, 2020, 60(5):4.

[2] 金能龙, 左世鑫. 钢轨铝热焊焊头粗磨技术工艺流程与方法研究[J]. 科技创新与生产力, 2021(9):89-90.

[3] 段成凯, 霍世慧, 刘永寿. 典型接头的焊接热过程数值仿真与试验研究[J]. 四川兵工学报, 2021(42):6.

[4] 高松福, 任金雷, 石孟雷,等. 钢轨铝热焊接过程数值模拟研究与试验验证[J]. 高速铁路新材料, 2022(1):3.

[5] 邹田春, 祝贺, 陈敏英,等. 激光选区熔化成形铝合金的缺陷及控制方法研究进展[J]. 热加工工艺, 2022(51):1.

[6] 胡剑峰, 周家乐, 王慧锋,等. 一种电熔焊接缺陷自动识别方法的研究与应用[J]. 华东理工大学学报:自然科学版, 2022, 48(4):8.