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钢轨铝热焊接头质量的影响因素分析
摘要：无缝道岔焊接中,铝热焊具有设备简单、快速方便及成本较低,焊接过程中钢轨没有缩短,接头平直度高,施工方便,工人容易掌握等优点,从而得到广泛应用。本文即结合具体工程案例探讨了常见钢轨铝热焊焊接接头质量缺陷，并阐述了钢轨铝热焊接头质量的影响因素，最后提出了应对的措施。
关键词：钢轨；铝热焊；接头；焊剂；坩埚
钢轨铝热焊接属于铸造焊接，其是把金属铝和氧化铁以及铁合金等按比例配成铝热焊剂，然后放在特制的坩埚中，用高温火柴点燃，发生强烈的化学反应，在反应过程中铁（Fe）被还原出来同时产生巨大的热量，高温的铝热钢水随即浇入砂型中，将两端钢轨熔化，浇铸金属本身又做为填充金属，将钢轨焊接起来。本文结合具体工程案例探讨钢轨铝热焊接头质量的影响因素。
一、工程概况
张唐铁路位于河北省东北部，西起张家口市途径承德市终点抵达唐山市，全线长528.5公里，横穿三个市，张唐铁路是“三西”煤运北通路中又一外运新通道。现在热值相对较高并适于长途外运的新兴煤田相继涌现，张唐铁路建成后，将与在建的锡承铁路在承德地区衔接，又将形成一条蒙东地区煤炭下海大能力煤炭运输通道。
张唐铁路工程1标段全部线上铺轨工程，工程设计起点IDK15+300（沙岭子西站起点），终点DK74+550（燕山隧道出口），线路全长72.706km。全标段均为双线轨道，全标段正线铺轨长度145.412km（单线），全部为无缝线路标准，其中有碴轨道102.098km、无碴轨道43.212km（燕山隧道进口至出口）、过渡段0.102km、站线铺轨7.553km。铺设道岔42组。
二、常见钢轨铝热焊焊接接头质量缺陷
（一）缩孔与疏松
1、缩孔
在浇注过程中，在温度最高、最后凝固的部位，由于体积收缩后得不到外来钢水的补缩，而形成集中孔穴称为缩孔。
2、疏松
细小而不连贯的缩孔，比较均匀地分布在焊缝的局部范围内称为疏松。
（二）夹渣
夹渣是由于熔渣进入焊缝而造成。如未能全部熔化的金属块或混入钢中的其他金属；在进行铝热反应中，熔渣未及时上浮冲走而进入型腔，粘附在钢轨表面被凝固，形成夹渣。
（三）夹砂
夹砂的形成是由于型砂进入焊缝而形成。如砂型及其耐火材料的碎屑；一次性坩埚的夹砂物；氧化铝与硫化锰的混合物等进入钢中。
（四）气孔
气孔是铝热焊铸造组织中最常见的缺陷之一，是焊缝在凝固过程中产生和放出气体所形成，气孔表面是光滑的，一般呈圆形。气孔按部位分为内部气孔和皮下气孔2种。内部气孔在焊缝整个断面内均可出现，气孔尺寸有时可以很大，皮下气孔紧靠表皮下产生，一般在轨底及轨底两侧斜面上容易产生。
（五）未焊合未焊合是在铝热焊接后，原来待焊的两个钢轨断面上仍有没熔化的区域，其断口呈未熔合状态，主要产生在轨脚两侧居多，对焊缝质量影响大，会造成断轨。
（六）灰斑
灰斑是焊缝内形成的一层暗灰色且平滑，有放射性条纹的片状夹杂物，将大大降低钢轨焊缝的强度和韧性，极易造成钢轨断裂。
三、钢轨铝热焊接头质量的影响因素
（一）焊剂的影响
1、铝热钢液的温度
铝热反应是一种放热反应，通过反应可使熔渣和钢液温度提高到2500℃~3500℃。从焊接实际需要出发，一般需要加入适量的添加剂，一方面使液温度降至2000℃~2100℃左右，另一方面也使钢水的生成率增加。但是钢液温度过低，钢液浇入到砂型型腔后会快速冷却、凝固，型腔中的气体来不及排出，易出现气孔和未焊合等缺陷。因而，钢液温度对稳定接头焊接成分，减少凝固缺陷，保证焊接品质是至关重要的。
2、合金成分
铝热焊剂中添加合金元素除可以降低铝热钢液的温度，提高钢水量之外，还可以细化珠光体晶粒和减小片层间距，从而提高焊缝金属的硬度。在焊缝中添加的常用合金元素有Si、Mn、Cr、V等。锰是形成珠光体的元素，增加锰含量可以提高焊缝硬度，从而有利于提高耐磨性；硅是固溶于铁素体的元素，增加含硅量，可以强化铁素体，从而可以提高铁素体或珠光体钢的强度和硬度，但增加硅含量会使合金的冲击值降低。
（二）焊接配套产品的影响
1、砂型结构
砂型与待焊钢轨一起组成了铝热金属凝固的型腔。砂型结构对铝热钢液的凝固顺序及预热情况受到各国铝热焊研究工作者的认同。浇注系统的设计是砂型结构设计过程中的重要组成部分。成功的浇注系统取决于金属本身的性质、砂型的性质和浇注系统的结构。
但是采用这种浇注系统轨底钢液的温度最低，如果轨底预热不足，很容易在轨底部位产生气孔、未焊合等缺陷。而轨头部位的温度最高，如果轨缝大小设置不合理，很容易产生“咬边”、轨头顶面夹渣等缺陷。因而这种浇注系统最大的缺点是对焊接工艺要求苛刻，容易产生焊接缺陷。
2、坩埚
坩埚是发生钢轨铝热反应和盛放铝热钢水的容器。在坩埚中的铝热焊剂经点燃立即进行化学反应，反应在若干秒内完成，但反应完成后铝热钢液必须有一定的停留时间（镇静时间），也就是在反应平静后经过一定时间才可以浇铸，以保证反应完全和铝热钢液中气泡和熔渣有充分的上浮时间。但若镇静时间过长，则钢液温度降低过多，在浇铸后同样会在焊缝内产生不同程度的缺陷。铁科院金化所在设计坩埚时，在坩埚底部埋置了自熔塞，用于控制铝热钢水的浇铸时间。自熔塞的打开时间直接影响了焊剂冶金反应进行的程度和钢水的浇铸温度，从而密切关系到焊接接头的品质。
（三）焊后热处理
铝热焊是一种铸造焊，焊缝金属呈晶粒粗大的铸态组织，可以选用热处理的方式提高其综合性能。有学者研究了正火热处理对接头韧性的影响，指出采用 900℃保温20min空冷热处理，可以明显细化接头组织，提高接头的冲击值。同时通过正火处理还可以消除接头的残余应力，提高接头性能。还有试验研究了铝热焊推瘤后立即进行喷风的方法来提高焊缝踏面的硬度。试验表明焊缝金属推瘤后进行喷风，可以明显细化轨头金属组织，当喷风压力为0.5MPa，喷风时间为3.5min时，焊缝踏面的硬度可高达330HB左右。
（四）焊后打磨的影响
钢轨焊接后的温度应力及残余应力使接头产生塑性变形，冷却后呈下塌趋势。列车经过该处时会受到很大的冲击力，直接影响车辆寿命及乘客的舒适度。为此必须提前留有一定的起拱量。在钢轨焊接要求中，焊接接头平直度是唯一和列车时速相关的检查因素。有学者用排列图法研究高速铁路钢轨铝热焊接品质时发现，轨顶面平直度、轨头内侧工作面平直度和焊缝平顺性是高速道岔铝热焊接中的重点问题。在我国高速铁路日益发展的今天，铝热焊接头的平直度成为了影响铝热焊接头品质的一个关键因素。
四、提高钢轨铝热焊接头质量的措施
根据上述分析得出提高铝热焊接品质的措施有：
1、提高铝热焊钢液纯净度和合金收得率。
2、加强对焊剂发热量、砂型结构以及坩埚结构对焊接接头品质的影响，尽量减小焊接产品对环境的可容性，减小焊接品质对操作人员以及环境的依赖性。
3、加强焊接之前对待焊钢轨的检测。
4、加强对铝热焊接辅助设备的研究，缩短焊后热处理的工艺时间，提高焊后热处理的可行性。
5、加强培训，提高操作工人的技术水平。参考文献：
[1]王艳红.钢轨铝热焊焊接缺陷分析及预防[J].今日科苑.2010(02)[2]张春.无缝线路断轨施工及恢复处理[J].哈尔滨铁道科技.2009(01)[3]杨云堂.钢轨铝热焊接应注意的要点[J].城市轨道交通研究.2007(05)
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