焊接技术在铁路机车车辆工业中的应用

摘要：焊接技术在铁路工程中的应用是非常广泛的。本文重点对铁路工程焊接技术进行分析，以供参考。

关键词：焊接；铁路；应用

一、前言

在铁路机车的正常运行过程中，会由于焊接处的隐患造成危险。因此，要加强焊接技术，保证铁路运行安全。

二、铁路焊接技术发展现状

自20世纪90年代以来，中国铁路货车进入了快速发展期。尤其是近10年来，立足高起点、高标准，以低动力提速转向架和整体轻量化等核心技术为依托，建立了中国铁路货车提速、重载技术平台和标准体系；全面应用铁路货车性能仿真分析、试验台试验和线路综合性试验等方法，深入开展可靠性研究，形成了中国铁路货车可靠性评价体系；全面推广B+级钢枕架整体芯铸造、不锈钢焊接、制动系统模块化组装、在线自动检测、无损检测、环保涂装体系和精益制造等工艺新技术、新理念，形成了实现铁路货车产品性能和可靠性的先进制造工艺体系。我国铁路货车设计、制造、试验检测技术水平和产品综合技术性能已经达到了世界先进水平，为延长检修周期、改革检修制度创造了必要的条件。

三、特种焊修工艺的应用

1、特种焊修工艺可修复的损伤类型

（1）裂纹。由于碳元素含量高，在焊接过程中固―液相阶段容易产生晶间裂纹；同时，在焊接后如果快速冷却，钢轨的受热金属产生淬火层，出现马氏体，而这种马氏体组织十分脆弱，在焊接内应力作用下极易产生裂纹。

（2）气孔。由于高碳钢的含碳量高，焊接过程中易产生CO气孔，气孔出现，则破坏了焊缝的完整性。小气孔在焊件工作过程中会引起应力集中而造成断裂。

（3）脆性组织。焊接过程中，焊缝及热影响区加热温度极高，在高于723℃区域，冷却过程中由于冷速过快而造成淬火组织（高碳钢的淬火马氏体组织十分脆弱），硬脆组织在焊接区域的存在，很容易引起部件在工作过程中损坏而造成事故。一般电焊和喷焊钢轨，要求焊前将被焊件预热至400℃左右进行施焊，焊接后采取保温措施，使钢轨内部形成珠光体，同时消除其部分焊接应力。

2、特种焊修工艺流程

（1）焊前处理。用角磨机将尖轨、钢轨表面的硬化物（疲劳层）、氧化物（铁锈）、污垢、碎裂和微细裂纹等彻底清除。预处理长度视伤损部位及伤损程度而定，一般50mm为一区段。

（2）边焊边熔。用氧化焰和中性焰将尖轨、钢轨焊修区加热至1000℃左右。用中性焰融化焊丝，保持焊丝与火焰始终不离开熔池。在施焊部位加入少许微量元素，起到去除杂质、防止氧化的作用。

（3）焊后热处理。待被焊部位自然冷却至650℃左右，用水进行喷雾冷却（平均冷却速度5～10℃/s），使钢件获得所需的马氏体组织。钢轨热处理后的抗磨耗、抗压溃、抗擦伤、耐疲劳等性能都有明显提高。

（4）焊后整理。焊后整理的目的是为了使尖轨、钢轨恢复到标准的几何断面。①采用角磨机的平行砂轮一侧对焊层进行平顺打磨。②打磨时砂轮给进量不可过大，以免出现蓝紫色斑。③打磨时应先平面后两侧。④打磨平顺度用1m直尺测量，允许误差+0.3mm，不得出现负值，轨面与车轮踏面的接触面积不小于90%。

四、无缝焊接

1、小型气压焊

小型气压焊是先将焊接钢轨头打磨，清除杂质，将钢轨垫平，轨头接触对位，保证焊头两端平直度，用特种夹具固定，采用氧炔混合气体燃烧集中加热轨头部分，待钢轨达到熔点时，启动小型液压千斤顶挤压轨头，使轨头融为一体，并挤压清除表面多余浮渣。冷却后，对焊接部位进行细致打磨，保证各部尺寸满足规范要求。移动式小型气压焊适用于铁路沿线现场钢轨焊接作业，也适用于预铺无缝线路的焊接工作。

2、铝热焊

铝热焊可用于道岔预铺焊接。无缝道岔上道后，可使用铝热焊进行前后及岔区接头焊接。道岔前后的接头及配轨接头，可只钻第二，第三螺栓孔，以便施工时用接头夹板联结，在道岔上道后第二次要点与前后钢轨焊接时，可不再换轨。

目前，铝热焊焊剂及机具分国产和进口两种。国产焊剂在武汉生产，坩埚可以重复使用。从法国引进的铝热焊工艺，坩埚为一次性使用，成本稍高。另外，从德国引进的铝热焊工艺在广州铁路局也已使用。法国铝热焊的工艺特点是采用一次性坩埚，使用一次性坩埚，减少了焊头夹杂物和产生空隙的危险，减少了安装及辅助机具，不但减轻了工人劳动强度，而且可使操作更为简便。采用定时预热和自熔技术，减少了人为因素的影响，使焊头性能和质量更为可靠。一次性坩埚是用合成树脂将一种耐热混合物压结而成，其热力指数优于传统坩埚。采用法国铝热焊焊接时，必须使用与一次性坩埚新的热平衡相匹配的熔化物料，即只能用焊剂包中的焊药，不能随便将来自不同包中的两种部件混合搭配。

3、锰钢辙叉粘接

锰钢辙叉与两端钢轨的焊接，国外多采用在钢轨与锰钢辙叉间增设“介质材料”的方法。我国是采用粘接的方法，在工厂将锰钢辙叉直股前后与短轨粘接起来，到现场再与前后钢轨焊联，形成无缝道岔。锰钢辙叉粘接时，首先要处理好锰钢接头断面，使其与夹板吻合，吻合面要求达80%以上，以增加接头阻力；同时接头粘接部位的除锈打磨和清洁更为重要，接头断面打磨除锈必须在工厂进行，以保证质量。锰钢辙叉粘接工艺与胶接接头工艺基本相同，但没有绝缘的要求。

4、冻结接头

冻结接头一般在不粘接的锰钢辙叉前后接头使用，也有在已铺设的有缝道岔要焊联成无缝道岔，但有的接头不好焊接时使用。冻结接头轨端设有6～8mm垫片，靠摩擦阻力将接头冻结，因而所用夹板比普通接头夹板断面大。所用螺栓直径为27mm时，螺栓上紧后的拉力为350kN；若用直径为24mm的螺栓，则拉力为250kN。

铁路总公司专业设计院与清华大学联合研制的高强度贝氏体钢辙叉，其强度达到1180MPa以上，能与普通钢轨焊接，适用于提速区段的60kg/m钢轨12号固定型辙叉的铺设与更换，且能实现岔区内钢轨焊接，形成跨区间无缝线路。

五、焊接接头出现低塌的工艺方法

钢轨通常在闪光焊过程中，因闪光电阻焊的特点使钢轨的焊接加热一般用时较短，钢轨延整个截面加热比较均匀，焊接加热阶段不存在热应力不均匀的现象。

钢轨焊接加热结束后，钢轨整体截面被加热1500℃以上，在随后的自然冷却过程中，由于钢轨轨头和轨底的厚度不同，两者的冷却速度不同，造成两个位置所受的热应力不同，进而轨头和轨底的残余应力不同；在钢轨投入运营后，在车轮载荷的不断作用下，轨头部分残余拉应力不断释放，造成接头低塌。通过对钢轨焊接接头进行焊后热处理，即：把整个钢轨焊接接头重新加热到正火温度，对轨头强制冷却，以实现钢轨焊接接头正火。通过实践分析，钢轨焊接接头残余应力发生了变化：原本轨头部分存在的残余拉应力变成了残余压应力；而轨底部分存在残余拉应力不变。因此可以采用如下措施预防：

1、对钢轨轨头处焊接接头强制冷却

在钢轨焊接过程中的冷却阶段，对轨头加以强制冷却，使轨头部分的冷却速度同轨底部分基本相同，可实现预防焊接接头低塌目的。

2、对钢轨轨底处焊接接头进行保温缓冷

轨头强制冷却可实现轨头同轨底冷却速度基本相同；同理，对轨底采取保温的方法，减缓其冷却速度，同样可达到轨头同轨底冷却速度基本相同。这里值得强调的是：在现实生产中，不是所有的未经过热处理的无缝线路钢轨焊接接头都出现了低塌，这说明造成焊接接头低塌的残余应力有一标准范围，具体残余应力值超过多少才会出现低塌现象，这还需要后续深入的研究。

六、结束语

总之，加强对铁路焊接技术，能够有效保证行车安全，促进铁路行业的快速发展和进步。

参考文献：

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[2]陈辉，曾维德，车小莉，等.铁路在线钢轨焊补修复技术[J].铁道建筑，2013（8）：106-108.

[3]陈雷.铁路货车技术与管理[M].北京：中国铁道出版社，2011