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第五章 钢轨焊缝超声波探伤
第一节 钢轨焊缝基本知识
一、钢轨焊接一般知识*
目前钢轨焊接方式主要有接触焊、气压焊和铝热焊三种，其中接触焊又分为工厂焊和现场焊两种。这些焊接方式在无缝线路中各占钢轨焊缝比例不同，以接触焊焊缝为最多，铝热焊其次，移动气压焊随着现场接触焊技术成熟，占有的比例会越来越少。
（一）接触焊
接触焊（又称为闪光焊）是电阻焊的一种，它将两个待焊钢轨端固定在焊机夹具上，利用低电压大电流加在被焊钢轨上产生的电阻热，使轨端加热至表面熔化状态，然后立即断电并加压，在压力下两钢轨端面相互结晶，使两节钢轨焊接在一起。该法是目前我国厂内焊接的主要方法，它把25m、100m长度的钢轨焊成250～500m长的轨条。随着科技发展，目前已经生产出适合现场焊接的移动式接触焊机，不仅能够完成联合接头焊接、单元焊接，而且能够完成钢轨与道岔的闭合焊接。
（二）气压焊
气压焊分为熔化气压焊和塑性气压焊两种。国内绝大多数采用塑性气压焊。塑性气压焊焊接时，将钢轨两清洁端面紧密贴合，并对贴面使用专用焊炬产生气体火焰加热，待贴合面及附近被加热至塑性状态，即对贴合面加以顶锻，在压力作用下固溶体中的原子之间进行扩散再结晶，两金属面间形成新的结晶，使两根钢轨焊接在一起。
（三）铝热焊
铝热焊又称铸焊法，它是将铝粉、氧化铁粉、铁钉屑和铁合金等按一定比例配成铝热焊剂，用高温火柴点燃后，发生激烈的化学反应和冶金反应，使其瞬间温度达到1200 ℃～1300 ℃，钢水下沉，氧化铝以渣的形态浮于溶化金属上面，然后把钢水注
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入套在对接钢轨上、预热好的砂模铸型内，与预热温度达900 ℃以上的钢轨端部融合，高温钢水将铸型内的两节钢轨端部熔化，冷却后把两节钢轨焊接在一起。该法主要用于无缝线路铺设和无缝线路曲线侧磨严重钢轨更换，以及钢轨折断抢修之中。
二、钢轨焊缝缺陷** （一）焊缝缺陷种类
因焊接设备、焊接材料、气温条件和操作工艺等因素都会影响焊接质量，在焊缝内产生缺陷。焊缝缺陷的种类、特征、形成原因和危害性见表5－4。
表5－4 钢轨焊缝缺陷
焊接 方式 缺陷名称 灰 斑 接 触 焊 裂 纹 烧 伤 未 焊 合 光 斑 气 压 焊 过 烧 未 焊 合 夹 碴 气 孔 铝 热 焊 夹 砂 缩 孔 疏 松 未 焊合 特 征 暗灰色平滑，有时有放射性条纹的片状夹杂物 开口性斜裂和焊缝中暗裂 轨面和轨底的钳口部位存在烧伤痕迹 断口呈暗灰色，平整有毛刺 产生部位 焊缝的任何部位，其中轨底角边居多 多数发生在焊缝腰部和热影响区 形 成 原 因 危 害 性 大大降低焊缝的焊接时间短，次级电压高，连续疲劳强度和韧性闪光发生中断，顶压力小等造成 极易造成断轨 可焊性差和端面切割不良或存在垂直和斜向折断 重皮 脆性折断或烧伤引起横向裂纹 离焊缝中心钳口部位不洁，通电后电阻加大130~330mm区域 或加热时间过长 轨头中心、轨底三角区 断口表面呈银灰色焊缝的轨头和轨却平滑，手感不涩手 底部位 断口呈暗色，松散的微粒状组织 断口呈暗灰色，平整有毛刺，在毛刺之间有平滑的微小白斑 断口处存在不规则体积型夹杂，一般呈暗灰色 气孔大小不均，有单个或蜂窝状的气孔群体 焊缝中可见细小的砂粒 断口处呈暗灰色的空穴 多孔性和不致密性，似海绵状，呈银白色 断口呈未溶合状态，平整 两轨底角和轨头与轨腰接合处的凸出量部位 焊缝的任何部位 任何部位 任何部位 多数存在于轨底角两侧 浇注部位或端面中心 轨底三角区 轨底角二侧居多 降低焊缝的疲劳加热温度低、顶煅量不够等 强度和韧性，易造成断轨 温度低或顶锻力不足，造成钢轨减少钢轨的有效接触面的不连续性。火焰不正常，截面积，在其缺陷出现回火、放炮等导致端面污染边缘应力集中，极和氧化 易折断 塑性减弱，脆性增主要是加热温度过高。在钢轨表大，存在轨底角两面产生松散的微粒组织 端，很易折断 端面不洁，间隙过大，顶端量过小，顶端过焊，或加热器火焰不与光斑危害相似 正，摆动量不均匀 焊接质量良好，铝打塞（钉）过早使未上浮的溶渣，焊接头的屈服强氧化皮及夹杂物进入焊缝 度只有母材的70%左右，如果存焊接工艺不当，渗水、漏油。轨在缺陷其强度明端端面不洁或焊剂受潮 显下降，尤其低温砂模封口不准，使混入溶液中的季节，接头本身受砂粒无法溢出 到巨大的温度拉再加上列车预热不够或浇注口散热过快，导应力，动弯应力的联合致溶液的凝固收缩 溶液凝固时，因体积收缩或气体作用铝焊接头最易引起折断。上海上浮造成晶间空隙 局1982~1984年统预热温度不够，焊缝间隙不一 计铝焊接头折轨 - 2 -
裂 纹 焊缝与母材间 焊接时冷热分布不均匀或加热时金属体积改变，组织应力破坏 占断轨总数的71% （二）焊接接头伤损标准
根据铁道行业标准BT/T1632－91《钢轨焊接接头技术条件》规定： 1．钢轨焊头不得有未焊合、过烧、裂纹、气孔、夹碴等有害缺陷；
2．接触焊焊头的断口允许有少量灰斑。单个灰斑面积不得超过10 mm2；灰斑总面积不得超过20mm2；相邻两灰斑间距尺寸小于较小灰斑尺寸时，应将中间区域与两个灰斑合并计算面积；若有灰斑露头出现时，应将灰斑面积加倍计算。
3．气压焊焊头断口除轨底角外允许有少量光斑。暂按单个光斑最大面积为8mm2；光斑个数不限，但总面积不得超过50mm2；若有光斑露头出现时，应将光斑面积加倍计算。
上述标准是在焊接实验中落锤、静弯或疲劳试件断口上允许存在的缺陷面积。超声波探伤中，因为光斑和灰斑缺陷厚度极薄，而形状也无规则，当超声波入射到该缺陷面时，有一部分声波能量透过缺陷继续向前传播，一部分被反射回来，反射回来的能量往往很弱，因此，对于钢轨气压焊和接触焊缝中的光斑和灰斑缺陷是不易探测到或探测不到，一般灵敏度条件下发现的缺陷多数大于允许存在的缺陷面积，为此，对焊缝的轨底部位探伤中如发现缺陷均判重伤，轨头、轨腰可按上述标准酌情处理。
三、钢轨焊接工艺简介*** （一）接触焊焊接工艺（表5－1）
表5－1 接触焊工艺简介
工序 1 2 3 4
项 目 焊前检查与调直 配轨 焊前打磨 焊机检查和作 业 内 容 要 求 和 注 意 事 项 检查钢轨中有硬弯、扭曲、裂纹、重皮、夹杂、夹渣、结疤、划痕、损伤等缺陷不可使用，对距轨端3.5m范围内、不直度大于0.5mm/m的钢轨必须调直。 根据上级下达的设计图及要求进行配轨，配轨中钢轨最小长度不得小于9m，需要锯轨时应先调直，后锯轨。 待焊钢轨端面、轨面距端600mm范围和轨底下表面距端400mm范围内要清除表锈，钢轨端面、轨面和轨底面距端100~300mm范围内用角向磨光机打磨出金属光泽，不允许存在明显的凹面和较深的划痕，亦不允许存在微小的凸出点。 检查焊机供电电压（在360~420V范围内）、冷却水水温（7~30℃之间）、液压油油- 3 -
调准 5 焊接操作和质量检验 6 焊后调直 7 焊后打磨 8 9 焊后热处理 超声波检验 温（12~45℃之间）、贮能器压力（40bar）、去毛刀间隙，调准主机、辅机与控制柜的参数。 焊机正式焊接前应先用手动方法或模拟顶锻的方法将各油缸反复运动数次，以保证焊机状态正常；通过送轨、钢轨在焊机内对头等准备工作就绪后，开始进行自动焊接；焊接结束后，应检查焊缝两侧钢轨面是否存在错位、去毛（除瘤）是否够，要求外观无缺陷，钳口部位无烧伤。 要求在焊缝前后各1m范围内，水平弯曲不大于0.5mm/m，焊缝部位要求呈现0.5~1.0mm/m的上拱（指热态测量），并检查焊缝部位是否存在夹杂、过烧、裂纹及钳口烧伤缺陷。 分二步进行，先用中粗砂轮对焊缝及其附近的轨头顶面两侧面及颚部磨除焊瘤，使平直度在焊缝两侧1m的范围内符合±0.5mm/m的要求；然后用砂轮机在轨头顶及两侧面进行修整，使平直度不超过±0.3mm/m，且轨缝两侧250mm范围内表面粗糙度不低于12.5um，打磨中母材磨削量不得超过标准尺寸0.2mm。 在焊缝附近用正火机组进行全断面加热，正火前钢轨接头表面温度不得高于500℃，正火加热温度为870~930℃，然后在空气中缓冷。 对钢轨焊缝进行全断面无损探伤检查，焊缝探伤采用2.5P20Z和2.5PK1~K2.5探头，探伤前需待钢轨焊缝温度冷却至50℃以下，判废以探测基准灵敏度下缺陷反射回波增益2dB后波幅达满刻度的80%。 （二）移动式钢轨气压焊接工艺（表5－2）
气压焊接钢轨的工艺分为线下焊（在路肩石碴上进行）和线上焊（在运营线路上的断轨修复）两种，下面介绍线下焊接工艺。
表5－2 移动式钢轨气压工艺简介
工序 1 2 3 4 5 项 目 焊接前准备 焊前钢轨端面打磨 对轨和夹轨 安放加热器 安放推凸装置 6 点火焊接 7 加热及顶锻 8 9 10
焊瘤的推除 记录 焊后处理 作 业 内 容 要 求 和 注 意 事 项 检查发电机组、高压泵、压接机、加热器、推凸装置是否齐全和运转正常，检查气路、水路、油路是否有跑、冒、漏的情况，以及检查安全防护及人员安全执行情况。 用手工锉平和机械打磨、铣平，清除钢轨端面金属锈、油、水等污物和端面凹凸不平，有利于焊接中原子扩散和形成金属健结合，表面粗糙度控制在6.3μm以内和端面与钢轨纵轴线的垂直度公差在0.15mm之内。 通过拨轨、垫轨和调整轨缝将两条待焊钢轨轨缝调整至8~15mm，装上压接机夹紧钢轨，并进行预顶。预顶压力为60Kg/m轨为16~18MPa，50Kg/m轨为15~17MPa。 安上加热器后，调整咀条（火孔）平面与钢轨周边平面距离均应为24~25mm，加热器火孔平面要与钢轨纵轴平面垂直，最后按通气、水管路。 推凸装置分刀垫安放和前刀体安放两步完成，点火焊接前或顶锻前安放刀垫，在顶锻完成、加热器灭火的同时放置前刀体。推刀的刃口与钢轨周边的距离要求，轨头1~1.5mm，轨腰和轨底1.5~2mm。 点火采用“爆鸣点火”（无烟点火），点火位置要离开焊缝，以免污染焊缝；加热器以焊缝为中心进行摆动加热，要严格控制加热器摆动量和摆动频率，因摆动量过小时钢轨表面与轨心的温度差过大，表面已过烧，心部仍出现未焊上；当摆动量过大时，会使轨底角下塌，破坏焊接成型，同时热影响区加大，焊头的金属性能变劣；摆动频率过低则加热不匀，就会出现局部熔化、过烧的现象。 现场气压焊一般采用三段压力焊法，“初始段”对钢轨施以24~26MPa高压预顶，使两金属贴合面在较短的时间内产生塑性变形，达到全面积密贴；“中间段”采用16MPa的低压力，以减少两被焊轨的轴向压缩量；“焊接段”对钢轨被焊端面上采用54MPa的高压力。顶锻过程中，顶锻量根据轨型不同而不同，超过规定顶锻量范围的顶锻，对焊接质量都有影响。 顶锻结束后，迅速放好推瘤装置的前刀体，推瘤工作分二刀进行，第一刀将轨腰焊瘤推下，第二刀将轨头和轨底焊瘤推下。 使用专门的记录表格，记录下焊接区段、轨号、焊接过程的各参数及出现的与焊头质量有关的问题，以便焊头出现问题时查阅参考。 其一，通过正火热处理，来细化晶粒，提高焊缝的强度、塑性和韧性，使焊缝硬度均匀和适当降低，去除一部分内应力；其二，打磨焊缝，应纵向打磨，不得有低接头，- 4 -