浮车槽型轨60R2铝热剂焊工艺设计和性能研究

　　钢轨作为轨道系统的重要组成部分，承担着引导车轮、传递载荷作用【1】。无缝铁路发展方面，由于一开始焊接技术不发达，在上个世纪初没有被广泛使用，直到二十年代出现了电阻焊和气压焊，瑞士在1955年的时候对电阻焊的性能进行优化，使得焊接技术得到了很大的提升，从此以后，便出现了无缝铁路。1960年作用，全世界的无缝铁路线路在4万公里左右，72年达到了20万公里【2】。德国发明电阻焊和气压焊后，也最早开始应用无缝铁路，随后到上世纪48年，法国开始铺设无缝铁路，日本在52年也开始尝试，56年俄罗斯也随后进行铺设。我国无缝铁路发展较晚，上世纪60年代开始使用电弧焊焊接长钢轨，1961年达到了150公里，截止到2014年，总的里程数超过了11万公里，其中高铁占比达13.3%，每个国家使用的焊接技术特点都不一样，其中接触焊在所有调查国家中占比都是最高的，德法英三国另外还广泛应用铝热焊，气压焊已经基本淘汰，只有中国还少量使用。电弧焊则只有日本使用【3】。

　　张琪等人认为，目前随着铁路技术要求的不断提升，焊接技术有几个发展动向，如研究逆变直流闪光焊接工艺及设备；研发闪光焊与热处理一体机；发展贝氏体钢轨焊接等【4】。高速铁路方面，从1998年开始，我国专门从事铁道研究的部门针对沈客运专线专门拟定了条文，并且不断的进行修正。本世纪初，还专门到欧洲去进行考察和学习，在此基础上提升了我国钢轨制造技术。

　　在钢轨选型上，日本采用强度为800MPa的钢轨，欧洲采用UIC900A钢轨，即880MPa强度钢轨。在日本，两种新型高强度钢轨钢的性能得到提高。一种类型是头部淬火低合金钢轨钢，它具有完全珠光体微观结构，狭窄的层状间隔和通过细奥氏体晶粒尺寸形成的小珠光体团块尺寸。轨道在测试轨道上表现出色。另一种钢轨是中碳贝氏体钢。预计该轨道在实际的轨道服务中也将表现出色。日本铁路公司也开发了一种新工艺，通过适当的松弛淬火，可使低合金钢轨头硬化【5】。中国有三家生产铁轨的公司：鞍山，攀枝花和包头钢铁公司。近年来，三家公司大幅度延续了铁路生产设施，现在中国铁路生产设备已经赶上了世界铁路生产的高水平。过去在中国已经应用了大量的U71Mn导轨。在二十世纪末，U75V和U76Nb RE导轨的开发目前U75V导轨主要生产，而U71Mn和U76Nb RE导轨产量少得多【6】。

　　世界的第一条有轨列车是1888年在X建成的，我过的第一条有轨列车则是在二十年以后于上海建成。1950年，发达国家对汽车的需求呈蓬勃式发展，旧式的有轨电车运行速度慢，效率低，占用了其他车辆通道，为了给车辆提供多多的道路，各个国家都大范围的拆除有轨电车的路线，我国也受到其影响，几乎全部的有轨电车线路都被拆掉了，只剩下东北的长春和大连两个地方的线路没有被拆除掉，上个世纪七八十年代，世界各国迎来地下铁路的建设高峰，大部分发达国家都在这段时间基本完成了地铁网络建设，发展中国家的建设道路却迟迟未起步，尤其是我国。但地铁网络造价昂贵，这时人们重新关注起地面轨道的可能性，重新设计改造有轨电车系统后，直到上世纪末，地铁和轻轨又重新被重视起来。

　　我国少部分的有轨电车建于南方，其他绝大部分都是建于北方，上个世纪末，大连通过埋入式的形式对有轨列车进行改造，钢轨选用U71Mn槽，型钢轨【7】，随后的沈阳、新津等地方都开始进行有轨电车的铺设。

　　钢轨主要起支承、导向并提供牵引力和制动力的作用。肖虎、贺飞等人根据有轨电车特点，分析了有轨列车使用哪种类型的钢轨，一年以内通过的总质量少于25Mt，现在可以选择的钢轨主要是两大类：第一类是槽型轨；第二类是国铁50kg/m钢轨。为了是绿化的范围更广，同时也为了道路的面积能够得到最有效的利用，因此通常选定槽型轨作为主要选型钢轨，以便得到良好的环境改善效果，这得益于槽型轨轮缘槽的设置；同时在另一方面，铺设槽型轨的轨道可以用于公用轨道系统，让轨道和公路能够在一个面积内使用，既提升了机动车行驶的环境，又使轨道系统变得更加的简单，降低了施工的难度，有利于日常运营。在呈曲线的那一个地方，甚至还能够起到保护的作用，防止车辆在运行的过程中发生脱轨的现象，除此之外，车辆在运行过程中发生的损耗也比较小。槽型钢轨包括51-53R1等。有轨电车路线有很多的小半径曲线，同时还要求与社会车辆混行的条件，个别地段需设计成绿色轨道，同时通过有轨电车荷载及轮轨匹配分析，推荐正线采用59R2、60R2等类似型号槽型钢轨。李京增等人认为槽型轨拥有比较高的高度，同时轨腰较小，左边和右边不对称，不适合使用在闪光焊接上。图1-1为钢轨规格图。

　　1.3.1钢轨焊接方法及国内外现状

　　目前来说，世界上绝大多数发达国家运用的焊接方法主要有四种：第一种焊接技术是气压焊；第二种焊接技术是电弧焊；第三种技术是铝热焊；第四种技术是闪光焊。我国则基本上没有使用电弧焊技术，主要是使用其他三种。

　　最常使用的焊接技术之一就是闪光焊，它属于对焊技术之一，电阻焊连接对焊，电阻是通过电导的作用来加热，在受热以后，工件就会变形，再加压，于是便焊接在一起。

　　闪光焊最早在1903年德国开始使用，前苏联将其发展，随后从50年代到70年代，各个发达国家完善了闪光焊的理论，研制闪光焊机，进一步发展了闪光焊技术【10】。同时随着计算机的发展，进一步完善了闪光焊技术，促进了闪光焊机的发展，焊接的设备对闪光焊显得尤为重要，如果焊接设备具有较强的控制能力，闪光焊就能其很大的作用。【11】。如今在一定程度上，闪光焊应用范围体现了国家的焊接水平。我国发展闪光焊是从上世纪80年代左右开始，考察学习发达国家焊机技术，通过二十多年努力，成功自主研制了闪光焊机，铁路新线建设，以及部分铁路换轨大修，都逐步换用移动式闪光焊机。

　　对于气压焊，早在1936年，匈牙利开始进行相关实验，第二年，X和加拿大就开始广泛应用气压焊焊接技术，到上世纪60年代，世界各国相继在铁路焊接上使用气压焊技术，我国到80年代开始广泛使用，但进入新世纪之后，气压焊相较于其他的焊接技术来说，仍处于较弱的水平，基本不能够满足铁路发展的需要，其中气压焊技术的关键点就是切技术，它基本上直接决定了气焊技术的水平，但是，到目前为止，它的水平依然没有得到提高，还是维持在上世纪80年代水平，在德法的铝热焊工艺广泛引进后，就逐步淘汰了气压焊【12】。

　　电弧焊在日本有广泛应用，但我国在上世纪60年代经试验后，发现焊接接头质量低，断折率高，因此并未在实际生产中使用。电弧焊主要在厂焊中使用，电弧稳定性受众多因素影响，如焊接电流和电压【13】。

　　铝热焊焊接方法是由德国斯密特博士发明，最初由于其具备快速修复钢轨能力，在二战期间被大量使用，二战结束后，法国把它运用在QPCJ工艺上，我国上世纪我是年代才开始学习斯密特铝热焊技术，由于接头质量不稳定，直到进入新世纪后，学习QPCJ工艺，改进坩埚和焊接参数，提升了可靠性。在进行高速铁路焊接，如秦沈客运专线时得到使用，接头质量更稳定可靠【14】。目前我国使用的铝热焊技术主要以QPCJ工艺为主。

　　目前我国三种焊接方法在实际钢轨焊接时，各有优劣。通过闪光焊和气压焊制作的接头具有比较好的韧性，前者制作的接头不容易被磨损，就有比较强的优势，但是它有一个缺点就是焊缝强度不明显，比较容易产生灰斑等缺陷，且技术难度远高于铝热焊【15】。因此铝热焊依然有较大的市场。

　　1.3.2闪光焊原理

　　钢轨焊接的方法如下：第一个方法是铝热焊、第二个方法是闪光焊、第三个方法是气压焊、最后一个则是电弧焊，其中，第一个方法和第四个方法属于熔化焊类，熔化焊指试样在不施加压力的情况下，被加热到溶化状态，工件在被冷却以后可以焊接在一起；第二个方法和第三个方法属于压力焊，它是在达到融化状态以前就加以一定的压力，在原子层面上实现结合。

　　闪光焊是现在钢轨焊接的主要方法。需要被焊接的钢轨底部接触在一起，因为接触面不够平整，电阻也较大，两个钢轨接触的地方导电，产生电阻热，热量可以加热待焊轨缝两侧，达到一定的温度后，端面上凸起的地方会烧化，发生爆破和蒸发的现象，犹如一道闪光。在经过一段时间的高温后，需要焊接的地方的金属接近溶化状态，软化时，施加一定的外加纵向力，即顶锻力，将液态金属微粒挤出，端面在挤压下产生塑性变形，生成焊瘤，焊缝产生共同晶粒，得到致密的热锻组织，对接接头完成。下图为基本原理图：

　　图1-2中：1——焊件；

　　2——夹钳电极；

　　3—阻焊变压器；

　　Fc——夹紧力；

　　Fu——顶锻力；

　　Vf——闪光速度。

　　形成的闪光作用如下：

　　（1）可以对焊件进行加热，焊件受热达到一定程度时，会想对面断面喷射液态金属，然后传递热量，加热焊件。

　　（2）可以将端面上凹凸不平的地方烧掉。也因此能降低焊前对端面的打磨要求，用手提砂轮粗打磨即可达标。

　　（3）形成保护气氛。液态金属喷射时，可以产生高压力，形成金属蒸汽，及一氧化碳和二氧化碳气体，可以降低焊缝处气体杂质的氧化能力。

　　（4）结束闪光后，钢轨断面会覆盖一层液态金属层，施加顶锻力挤压液态金属时，可同时消去表面的氧化物、过热金属。

　　若想获得优质的闪光焊接头，需要加速烧化，以保证闪光过程中闪光不被中断，保持导电加热稳定，有良好的保护气氛，避免焊件端面被空气氧化。同时焊接接头加热到足够的温度并保持适当温度梯度，钢轨端面能产生足够均匀的塑性变形区。

　　闪光焊在应用的过程中，我们可以根据闪光的特点对其进行分类：第一种闪光焊是连续闪光焊；第二种闪光焊是脉动闪光焊；第三种闪光焊是预热闪光焊。丁伟等专家不断的测试U75V型的钢轨，分析研究了连续和脉动闪光焊工艺的特点【16】。主要通过录电压、电流、位移和力这四个主要焊接参数与时间的关系来了解闪光焊过程。图1-3中显示的是连续闪光焊参数曲线，焊接电流在焊接过程中一直连续，同时电流值较小，所以它的负载不能够过大，可是，在对高碳钢轨进行焊接的时候，对其加热的效率要求比较高，连续闪光焊不符合其要求，因为它的加热效率低且焊接时间长，产生电阻热小，导致加热宽度较窄，因此不设用。

　　图1-3中：A——不稳定闪光阶段；

　　B——稳定闪光阶段；

　　C——加速烧化阶段；

　　D——顶锻阶段。

　　图1-4为脉动闪光韩的参数曲线图，可分为五个阶段。相比于连续闪光焊，从图1-4中可看出脉动闪光焊具备较大的电流，焊接时加热端面的效率更高，花费时间更短，但同时也会使变压器负载变大。

　　图1-4钢轨脉动闪光焊工艺参数曲线

　　图1-4中：A——不稳定脉动闪光阶段；

　　B——稳定脉动闪光阶段；

　　C——连续闪光阶段；

　　D——加速烧化阶段；

　　E——顶锻阶段。

　　在研究比较连续和脉动闪光焊工艺的优劣时，汪德宇等人认为连续闪光焊更优【17】，在其文献中认为连续闪光焊电流较小，可降低电弧坑（即火口）的出现概率，从而降低灰斑缺陷的出现概率，且可在加热工件端面时使得端面受热更均匀。张建新等人认为在减少灰斑概率，以及在落锤试验上提升抗断裂能力方面，脉动闪光焊工艺更优【18】。王新年等人认为相比于连续闪光焊，脉动闪光焊的加热效率更优，在实际焊接生产中更能提高效率【19】。丁韦等人分析认为，火口大小的形成更多是与焊接的加速闪光阶段有密切关系，在这个阶段，连续和脉动两种工艺在电流方面是没什么差别的，而是否可以降低灰斑出现概率、提高焊接效率、增强抗断裂能力，文献中并没有相关详细的解释【16】。当然除了灰斑，闪光焊还有其他缺陷，王莹莹等专家认真分析了闪光焊接头轨底，比如它存在哪些缺点。

　　1.3.3气压焊原理

　　使用气压焊技术来焊接钢轨时，第一件要做的事就是要固定好需要焊接的钢轨；第二件事就是要对其进行加热，这里使用到的加热材料有两点：氧气和乙炔，这样做可以融化钢轨的接头，或者是使他们的状态达到塑性状态，此时氧气必须要达到99.5%的纯度，乙炔的纯度也要达到98%。氧气和乙炔都属于易燃易爆物品，所有必须要把他们放在没有火源和热源的安全环境。目前最常用的气压焊设备当属移动式气压焊机，因为移动式气压焊机操作起来比较方便，运用的范围也比较广，但是基本上都是人工对轨，所以工作也会受到或多或少的影响，目前有一种可以通过数字进行控制的气焊焊接技术，可控制气压焊时的热输入量，以及顶锻量、顶锻力和顶锻速度等，可以显著提高接头质量。

　　气压焊方法目前了解，可以分为两种：第一种是闭式，第二种是分开式。前者是属于塑性气压焊，它的温度不会达到融化点；后者属于熔态气压焊，它是不断加热到其呈融化状态。这两者都是通过氧气和乙炔作为热源加热工件，开式气压焊在加热前要先在两个待焊工件间插入专门的工具，闭式不需要。加热完成后，施加顶锻力压紧工件，使其对接。目前了解到闭式气压焊的焊接质量相比于开式更优，更多的在钢轨焊接上应用。

　　上文提到，气压焊正面临逐渐淘汰的困境，其中一大原因就是缺乏全自动焊接过程，焊接质量取决于操作者的技术和经验。李萍和于国英就智能移动式气压焊设备进行了研究，得到一定的改进和突破【23】。但还没广泛使用，目前由于接头质量受人工影响，气压焊只能够作为闪光焊的辅助，比如焊接接头的时候。移动式气压焊设备示意图如下：

　　闭式气压焊分三步，第一步是进行表面处理，在处理表面的时候，首先要对焊接点进行清理工作，要保证焊接部位之间没有污渍，除此之外，要保证粗糙度和垂直度，如果发现粗糙度没有达标，就应该对其进行打磨处理。表面处理会很大程度上影响到焊接质量，因此要仔细执行。

　　第二步是加热，在进行完表面处理后，将焊接工件固定在气压焊机上进行对正，然后使用焊枪加热端面和附件，使用的气体为氧气和乙炔，或者氧气和丙烷，前者组合火焰的强度大，温度高；后者加热范围更宽，但强度较低。加热时为了顶锻时能发生一定程度的塑性变形，要焊接沿着工件轴向进行往复运动，同时保持火焰稳定，焊接区的加热要均匀，加热温度至1200°C左右。

　　加热到上述温度后，就可以开始加压，也就是顶锻。加压方法根据施加压力情况也可分几种，压力保持恒定基本不变，直到达到一定的顶锻量完成焊接为止的方法叫定压顶锻法。有些是根据焊接工件的区别，设计不同的工艺参数和压力参数，有二段顶锻法和三段顶锻法。加压目的是使焊接工件端部产生塑性变形，从而有利于改善和增大焊接结合面积；使工件端面上的氧化膜被破坏；焊后可以切除与工件轴线垂直的方向产生的隆起变形部分。

　　如果这三步操作不当，会导致产生缺陷。如果在处理表面的时候没有处理的很干净，使得后续处理会产生光斑；加热时火焰不正常，加热器没摆正，加热时间过短，可能产生过烧；加压时顶锻力不足，顶锻量过小，顶锻过早。这些情况都可能导致产生缺陷【24】。

　　1.3.4铝热焊原理

　　铝热焊焊接技术也称铸焊，因其操作过程与铸造过程一样。铝热焊根据铝热反应得来，属于氧化还原反应，即铝粉和氧化铁反应，生成氧化铝加铁，同时释放大量热能。铝热焊应化学式为：

　　3FeO+2Al=3Fe+Al2O3+833.9kJ（式1-1）

　　Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe+828.9kJ（式1-2）

　　3Fe3O4+8Al=4Al2O3+9Fe+3232.4kJ（式1-3）

　　这种焊接方法对于连接不同金属时特别有效，如铜和钢焊接电气接头，如果焊接过程最佳，则成形焊缝具有良好的机械强度和优异的耐腐蚀性。当受到重复的短路脉冲时，它也非常稳定，并且在整个安装期间不会增加电阻【26】。

　　钢轨铝热焊原理是：将两根待焊钢轨完成对轨，然后点燃助焊剂，在高温的条件下，铝热会发生反应，然后释放巨大的热量，铁融化了以后就形成了钢水，钢水再和添加物反应沉入锅底。最后通过砂模浇注系统，将待焊轨缝两侧端面部分熔化，钢液冷却后将两焊轨连成整体【27】。通过改变焊剂中的成分可以改变焊缝金属的成分。钢轨铝热焊接示意图如下。

　　1—焊剂2—砂型3—钢轨4—钢水

　　5—坩埚6—坩埚盖7—熔渣

　　相比于闪光焊和气压焊，铝热焊明显工艺需求更简单，不需要使用精密机器，焊接成本低廉；反应所需热源为化学反应产生，不用外加电源热源，所以适合在野外进行焊接。在铝热焊接过程中，预热温度决定了焊缝质量，处理不当会导致热影响区力学性能达不到要求；焊剂是最重要的技术，各国都有相关专利保护，我国随着钢轨种类的增加，焊剂的类型也不断增加，对于U75V钢轨，适合使用300HB硬度级别的焊剂。

　　铝热焊工艺由于缺乏热处理工艺步骤，焊缝力学性能在很多方面比不上闪光焊，这也是如今较少使用铝热焊的原因。目前，在大秦线75kg/mPD2全长淬火钢轨焊接中，使用了铝热焊接头整体淬火、轨顶局部淬火，以及自热回火热处理的新工艺技术【28】，其接头力学性能达到了要求。显示出铝热焊技术依然有继续提升的空间。

　　铝热焊的缺点是气孔很大；容易有渣滓的产生；加热的时候加热过度；容易产生疏松的情况；焊接的时候没有充分的焊接好。

　　气孔是铝热焊比较明显的缺点之一，为什么在焊接的时候会产生气孔呢？最主要的原因是在焊接凝固的过程中有气体产生，它最容易出现在浇注位置上面，它的形状呈球形，在肉眼观察下是光滑的，尺寸根据形成原因变动，不规律。一般按照部位可分为内部气孔和皮下气孔两种，内部气孔一般只有在机加工后才能显示出来，有些皮下气孔通过喷砂后，或者机加工除去表面硬皮，才能发现。气孔产生原因有多种，一般为焊剂和坩埚、砂模发生受潮现象，或焊剂质量存在问题。

　　为什么会痴线夹渣夹砂的情况呢？最主要的原因是在清理的时候没有清理干净，导致钢液中参杂这杂物。过烧通常是受到不均匀温度的影响而产生的，过烧现象会带来熔融现象。热裂是由于焊接接头的问题没有降下来就被暴露在空气中，快速的降温可以引起裂纹。未焊透也和预热过程有关，焊轨预热温度低，或预热后等待时间过长，温度降低导致，焊剂成分出现问题也可能导致未焊透。缩孔与预热有关，预热时间过长，局部高温过热，导致体积收缩就会形成缩孔【29】。由此可见铝热焊工艺中，预热过程相当关键。

　　中国无疑是非常重视铁路的，而随着铁路事业的发展，也对轨道提出更高的要求，铝热焊在国内外都有很长的发展历史，设备的成本较低，操作起来也比较容易，不容易受到外界的干扰，槽型轨使用了新型的设计，它主要用于有轨电车系统中，此种钢轨拥有不对称结构，形状较为复杂，目前国内在槽型轨焊接方法上比较偏好于使用铝热焊或者是闪光焊，而一般的铁路就比较偏好于使用闪光焊，因为它的接头性能都要优于铝热焊，而对于有轨电车所使用的槽型轨，也是以闪光焊居多，选题目的是可以做一个对闪光焊和铝热焊的性能研究【31】，出于此原因，对钢轨如60R2槽型轨的铝热焊和闪光焊方法进行工艺设计和性能研究，以铝热焊为主要研究对象，闪光焊做对比，进行相关文献的收集和阅读。

　　参考文献