高速铁路钢轨焊接技术

线路上钢轨接头，不仅对线路设备、机车和车辆的使用寿命、旅客的舒适度、能源的消耗等有一定的不良影响，而且还直接威胁着铁路行车的安全。因此，就钢轨接头的功能而言，对钢轨接头应有两个基本要求：一是温度变化时钢轨能伸缩；二是接头构造要坚固稳定。这两个要求是互相矛盾的，保了伸缩就保不了稳定，否则构造将复杂化。实践证明，只有将钢轨焊接起来，才是彻底解决钢轨接头的稳固与平顺的出路。

直接把钢轨和钢轨用焊接的方法进行连接，称为钢轨焊接。钢轨焊接是无缝线路的基本特征。无缝线路与普通线路相比具有行车平稳、降低维修费用、延长线路设备和机车车辆使用寿命等优点。目前，世界各国用于钢轨焊接的主要方法有4种，即闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊。

（1）闪光焊

闪光焊也称接触焊，是在电阻对焊的基础上发展起来的。焊接开始时，两个钢轨端面接触，通过端面的接触点导电，接触电阻产生的电阻热加热工件端部（并产生闪光），当温度达到一定程度时，钢轨接触面的金属熔化形成液态金属层，通过外加纵向力挤出液态金属，并使高温金属产生塑性变形，在结合面产生共同晶粒，获得致密的热锻组织形成对接接头，如图1-25所示。主要分为连续闪光焊、预热闪光焊和脉动闪光焊三种方式。

图1-25　闪光焊原理示意图

连续闪光焊是在焊接过程中始终保持焊接端面上形成连续不断的金属液体过梁，又连续不断地爆破，熔化金属过梁再不断形成和爆破，从而析出大量的热能，使焊件对口及附近区域金属强烈加热，实现此种焊接，焊接方法需要控制焊机动架移动速度与烧化速度相匹配，才能使闪光连续。

预热闪光焊主要通过焊件两端面的多次短路接触，强大的短路电流产生的热能使焊接对口及附近区域金属被强烈加热。现有的预热闪光焊预热时主要采用焊件端面紧密接触，断续通电或者采用通电后两焊件交替接触与分开并施以一定的压力，预热也可以采用焊件端面交替接触闪光和分开方式。预热闪光焊与连续闪光焊相比可以在焊接同等大小截面时用更短的时间、更少的金属损耗量完成焊接，获得合格的接头。

脉动闪光焊与连续闪光焊相比主要通过实施自适应的焊接工艺，凭借灵敏的控制及实时监控系统，跟踪焊接过程不断调整钢轨两端面间距离以及端面间压力从而使焊接电流稳定在一个设定的范围内，保持焊接稳定在功率输出的最大允许值，从而通过脉动闪光烧化、加速闪光烧化和顶锻三阶段在几十秒的焊接时间内完成焊接。

闪光焊自动化程度高，工艺稳定，焊接质量优良，焊接接头为致密锻造组织，接头韧性好，力学性能接近钢轨母材，生产效率高，主要用于厂焊或基地焊，部分用于单元轨节焊接。闪光焊的焊接速度快，焊接质量稳定，主要缺点是焊机价格昂贵，一次性投资大，设备复杂且需配备大功率电源、柴油发电机组（线上移动式钢轨闪光焊用），焊接工艺参数较多，调节管繁琐。并且要严格注意焊前对轨和焊后打磨工艺，防止裂纹产生。闪光焊焊接过程中钢轨烧损严重，每个接头消耗钢轨25.5～51mm。

（2）气压焊

钢轨气压焊原理是通过氧乙炔混合气体燃烧所提供的热量对待焊面加热，待焊面被加热到塑性变形温度以上，使贴合面的金属原子具有足够的能量可以跃迁贴合面，发生急互扩散，立即对钢轨两端进行施加压力，使焊口金属在高温高压条件下充分挤压变形，焊接表面之间的距离缩短到原子之间的相互作用半径，从而达到分子之间的金属键连接，完成重新再结晶，从而使待焊钢轨形成牢固的冶金连接的焊接接头。如图1-26所示。

图1-26　气压焊原理示意图

气压焊的一次性投资小，无须大功率电源，焊接时间短，焊接质量好，焊接接头也为致密锻造组织，主要用于现场联合接头焊接。钢轨烧损较少，焊接后钢轨缩短约30 mm。缺点是焊接时对接头断面的处理要求十分严格，并且在焊接时需要钢轨有一定的纵向移动，焊接工艺受诸多人为因素影响，接头质量波动较大，不易控制。因此对超长轨的焊接有一定难度，特别是无法进行跨区间无缝线路的线上焊接。

闪光焊和气压焊在焊接过程中都需要移动钢轨和施加顶锻力，因此需要根据设计锁定轨温、实际轨温预留钢轨烧损量和顶锻量。闪光焊和气压焊也可用于一定线路长度内的现场锁定焊，但操作比较复杂。

（3）铝热焊

铝热焊是利用铝和重金属氧化铁（含添加剂）的混合物为焊剂，在一定的温度下进行氧化还原反应，形成高温液态金属注入特制的铸模内，将两个被焊钢轨端部熔化而实现连接的一种焊接方法，如图1-27所示。(https://www.xing528.com)

图1-27　铝热焊原理示意图

铝热焊设备简单，操作方便，生产成本较低，且没有顶锻过程，接头外观平顺性好，占用封锁时间短，尤其适用于断轨修复、跨区间无缝线路道岔联焊和运输任务繁忙的线上联焊。然而，铝热焊焊缝为铸态组织，强度较低，且质量欠稳定，断头率高，综合性能较差。铝热焊接头是无缝线路的最薄弱环节。

（4）电弧焊

电弧焊是采用焊条或焊丝与钢轨端面产生的电弧热熔化钢轨和填充接头间隙，并利用铜挡块强迫成型，冷却后形成焊接接头，属于熔化焊的一种方法，如图1-28所示。

图1-28　强迫成型电弧焊接示意图

（a）底部焊接　（b）腰部、头部焊接

采用合适的焊条和焊丝成分，电弧焊接头可以得到性能优异的贝氏体组织，综合性能可达到母材水平，抗拉强度和耐磨性能等有时甚至超过钢轨母材。

电弧焊设备简单灵活，焊接过程中也没有顶锻过程，主要用于钢轨锁定和现场维修等原位焊接。目前，电弧焊主要采用手工或者半自动焊方法，自动化程度有限，对焊接工艺、焊接技术水平要求严格，焊接质量受外界因素影响较大（表1-2）。

表1-2　钢轨焊接接接头质量（以钢轨母材为100%）

从接头强度方面比较，闪光焊接头与气压焊接头都是锻造组织，强度没有明显差异，焊缝极限强度、屈服强度和疲劳强度都能达到钢轨母材的90%以上，从理论上讲，气压焊接头因为没有闪光烧化产生的脱碳层，在强度上甚至更有优势。铝热焊接头因为是铸造组织，其强度低于闪光焊、气压焊接头，极限强度只有钢轨母材的70%左右，疲劳强度只有母材的45%～60%，只有屈服强度与闪光焊相近。法国TGV铁路2001年统计，其铁路开通于1983年，期间发生80次断轨事故，而30%是由焊缝断裂引起的，其中90%是铝热焊头。因此，无缝钢轨的厂焊应采用闪光焊。