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提要:客运专线要求高质量的钢轨焊接接头，其外观质量严于常速铁路钢轨焊头;焊头质量与钢轨、焊接方法、焊工素质、焊轨生产管理诸因素相关。本文对不同焊接方法的钢轨焊头质量进行比较，提出线路上应优选移动式闪光焊焊接钢轨，并提出基地焊接长定尺钢轨的参考工位工序配置。
关键词:客运专线;无缝线路;钢轨;焊接
无缝线路是钢轨连续焊接的轨道结构。首次焊接通常是在焊轨基地或焊轨厂将标准长度的钢轨焊成长钢轨;第二次焊接是在线路上将长钢轨焊成长轨条;第三次焊接是在轨道上完成长轨条的焊接。
客运专线的运行速度在200km/h以上，对焊接接头的特殊要求是:具有高的平顺性和直线度，其中高速铁路焊接接头轨顶lm长度垂直偏差应在0-0.2 Mm。
1 客运专线对钢轨的要求
1.1 钢轨长度
焊接用轨的定尺长度在欧洲已由36 m发展到长定尺，例如法国已生产72m-80m长定尺钢轨，德国的最长定尺钢轨达120m。日本1990年的工业标准JISE1101中，就将60kg/m钢轨的标准长度定尺到50mo法国TGV铁路将80m的长尺轨在焊轨厂闪光焊接成400m长钢轨，日本铁路在焊轨基地将50m长尺轨焊接成300m长钢轨，我国铁路焊轨厂长钢轨产品在300m-500ma。
铁道部2004年2月1日实施的铁路用热轧钢轨订货技术条件(TB/T2344-2003)中已将50m,100m长度(倍尺)钢轨列人标准轨定尺长度，鞍钢目前已具备生产50m长尺钢轨的能力，攀钢和包钢正在进行100m长尺钢轨生产的技术改造。
钢轨焊接后形成由焊缝和热影响区(HAZ)组成的焊头，其强度、塑性、韧性学力学性能出现不同程度降低，焊缝中也会出现焊接缺陷，是无缝线路钢轨的薄弱环节。倍尺长度钢轨可以减少焊接接头数量，从而减少线路上焊头引发的事故。例如，50m长度钢轨焊接成500m长钢轨，与25 m长度钢轨焊接相比较，可由19个焊头减少到9个焊头，100m长度钢轨焊接可减少到4个焊头。
焊接用钢轨最小长度对于不同运行速度的线路有不同要求，表1是德国联邦铁路的最小轨长要求。
日本新干线也要求焊接用钢轨的最短长度不应小于20m。
1.2 钢轨的断面尺寸偏差
欧洲高速铁路使用钢轨断面主要为UIC60，抗拉强度)880MPa;日本新干线使用60kg/m钢轨断面，抗拉强度)800MPa;我国客运专线确定为60kg/m轨型，抗拉强度)880MPa。
断面尺寸偏差直接影响焊接轨端面对正程度，偏差较大可出现焊头错位(错口)，导致外观质量缺欠，钢轨高度、轨头宽度、轨底宽度和断面不对称的尺寸偏差是影响焊接的主要因素。我国时速200km客运专线和时速300km高速铁路钢轨暂行技术条件中，对60kg/m钢轨上述尺寸允许偏差要求见表2a
通过秦沈客运专线国产钢轨进口法国钢轨几何尺寸抽检结果比较，法国钢轨较好，国产钢轨几何尺寸波动较大，并出现有超过允许偏差的钢轨。
1.3 钢轨的焊接性
焊接性是指结合性能和使用性能。使用性能(使用焊接性)是通过力学性能实验检查焊头是否达到检验标准的要求。我国铁道行业标准规定焊头试件应进行落锤、静弯、疲劳和焊头解剖后试样的硬度、拉伸、冲击和金相组织检验。在推荐标准TB/T1632-1991中要求的铝热焊接头落锤检验，是达不到标准要求;固定式焊光焊和移动气压焊接头分别要求连续25个试件和15个试件落锤合格，对于U71 Mn牌号钢轨焊头正火后是可以达到的，对于高碳、高硅的U75V(原PD3)牌号的钢轨是困难的。
国外铁路标准中，不要求钢轨焊头落锤检验，而是通过静弯、硬度、疲劳(确定疲劳强度)以及显微组织检验评定使用焊接性，其中静弯检验指标严于我国标准。
钢轨的使用焊接性与钢轨材质有关。不同钢厂生产的相同牌号钢轨焊接性是有差异的，因此更换供货厂商时也需要进行焊接型式试验。
2 钢轨的对焊方法及焊头特征
2.1 钢轨闪光对焊
闪光对焊是各国铁路无缝线路中使用最广泛、也是最主要的钢轨焊接方法，其焊接质量优良、力学性能接近钢轨母材。闪光焊有连续闪光焊、预热闪光焊和脉动闪光焊三种方式。
图1是连续闪光焊记录曲线。钢轨端面连续闪光，焊接电流产生的热量加热钢轨端头，最后实现挤压(顶锻)形成焊头。
连续闪光焊的焊缝中出现“灰斑”缺陷的几率多、面积和数量也较多，焊接高强耐磨轨的使用焊接性受到限制。
图2是预热闪光焊的记录曲线。焊接过程中，主要通过钢轨端面短路预热电流产生的热量加热钢轨端头，因此需要大功率的焊接电源。
图3是脉动闪光焊记录曲线。脉动焊接的主要特征是:送进油缸油压脉动，脉动加热过程闪光火花飞溅少。与连续闪光焊相比较，脉动闪光焊焊缝中出现，’灰斑”缺陷的几率低，适用焊接高强耐磨钢轨。
2.2 移动气压焊
日本铁路长轨条焊接主要使用移动气压焊，我国铁路也在使用。气压焊接是人工操作气压焊设备、用氧一乙炔火焰加热焊接轨端头并施工加顶锻挤压力，使其产生塑性凸起、轨头出现“镜面熔池”，随之高压顶锻形成接头。
良好的气压接头力学性能接近钢轨母材，但对焊接技术要求较高。焊接质量的稳定性和外观平顺性与焊工素质、压接机质量及焊接工况紧密相关。
“光斑”和“未焊合”是气压焊接头结合面上出现的主要缺陷，大面积“光斑”易造成线路上焊头断裂。
2.3 电弧焊
焊工使用电焊条或焊丝与钢轨端面产生电弧电热熔化，冷却后形成对焊焊头，是熔化焊方法。目前只有日本铁路干线上使用电弧焊，日本钢管(NKK)称其为强迫成型电弧焊，用于单元轨节的焊接。这种方法不仅焊接时间长，而且对焊接工艺、焊工技术要求很高，焊接质量稳定性较差。
2.4 铝热焊
常用于线路上钢轨对焊，其实质是冶金铸焊，焊头力学性能与交光焊相比较，各项检验指标均较低。法国TGV铁路2001年统计，自1983年开通运营后断轨80起，焊缝断裂占30%，其中90%是铝热焊头。各国铁路对铝热焊使用的情况不同，西欧使用较多，日本较少而且新干线上不再使用。从我国秦沈客运专线焊头检验数据统计显示，铝热焊头的塑性、韧性指标很难达到TB/T1632-1991标准中规定要求。
气孔、夹渣、裂纹、未熔合是铝热焊缝的主要缺陷，也是造成焊头断裂的直接原因。
2.5 我国铁路焊轨质状况
铁道部运输局基础部在2002年3月发布的全路钢轨焊接质量报告中，对存在的问题、原因进行了分析，并提出要求。
共性问题:
(1)钢轨外形尺寸差异较大，造成焊头错口，使焊缝产生应力集中;
(2)钢轨成分波动范围较大，加大了****焊接工艺选择难度;
(3)焊接设备技术状态不良，引发各种类型焊接缺陷;
(4)焊接作业人员技术水平不高，缺乏系统的业务培训;
(5)焊接管理工作不严格，缺乏严格的质量管理体系。
无缝线路焊接伤损和折断数量见表3
从表中数据可算出固定式闪光焊重伤率0.1%，移动气压焊重伤率7.2%，铝热焊重伤率7.1%。
焊头伤损和折断的原因:
(1)焊接质量不良。焊缝内存在严重缺陷或出现马氏体组织，造成早期疲劳断裂。
(2)钢轨质量缺陷殃及焊头。
(3)线路状态不良和焊头外观质量差。焊头平顺性差和出现焊头低塌，加之轨道空吊板，增大列车的动力响应，加快了焊缝重伤和折断发生。
3 长钢轨的焊接
3.1 厂焊(基地焊)工序、工位的配置
长钢轨产品是在焊轨厂(或焊轨基地)加工制作，我国的长钢轨生产工序流程有:焊接轨吊卸、分类存放叶配轨、传送斗焊前检查、矫直斗轨端除锈斗焊接、推凸叶焊后热处理升焊头粗磨斗强制冷却叶矫直、检测叶外形精整(精磨)斗直线度检测叶探伤斗长轨吊运、存放斗长轨装车。
国外焊轨的工序工位少于我国。例如，比利时铁路布鲁塞尔焊轨厂(可焊接100m长定尺钢轨)不设置焊前矫直、粗磨、热处理(正火)、强制冷却、探伤工序，这是由于其钢轨外观尺寸和内在质量好，以及不进行焊头落锤检验之故，不设强制冷却工位是由于焊接工位至冷矫、精磨工位距离长达300m,焊后接头足以自然冷却到室温。
超声波探伤极难探出焊缝中“灰斑”缺陷，而“裂纹”、“过烧”缺陷由焊接工艺可消除，因此国外铁路很少设置焊头超声波探伤工序，个别国家设置有磁粉探伤。
秦沈客运专线焊接PD3热轧轨，焊轨基地车间内工位工序配置如下:
从热处理工位至矫直工位间隔125 m，焊头实际矫直温度仍高于室温，如果矫直结果达到lm长度垂直方向直线度在0-0.3 mm，精磨后冷却到环境温度仍会出现低接头。
3.2 影响焊头质.的关键工位-焊接，热处理，打磨
焊接-决定焊缝质量和外观质量。工艺参数应通过型式试验确定，保证焊缝具有足够的强度，不出现“过烧”缺陷，“灰斑”面积在规定范围之内。错口取决对正工况，钢轨断面尺寸偏差较大时应以轨头垂直中心找正，偏差小时以工作边找正，尺寸超差时重新配轨。
热处理-提高热轧轨焊头韧性(正头)或恢复热处理轨焊头丢失的强韧性(欠速淬火)。热处理不能消除焊缝中的质量缺陷。由于正火后接头硬度降低，易形成线路上低接头，因此正火工位必须配置喷风，快速冷却焊头。
打磨-恢复焊缝部位钢轨外形轮廓和钢轨平顺性。不正确的打磨可造成外观缺欠和质量缺陷，如外形亏损，马氏体白层。
3.3 长定尺轨焊接生产线工位
基地焊(或厂焊)长定尺轨(50m-100m)是长钢轨焊接的必然趋势。秦沈客运专线将25 m定尺轨焊接成300m长钢轨，占用700m辊道线，基地长度约800mo若焊接100m长尺钢轨时，按如下工位流程配置:存轨台1(105 m)-存轨台2(105 m)-配轨、矫直(110m)-除锈(110m)- 焊接(100m)-空工位(100m)-热处理(100m)-风冷1 (loom)一一风冷2(100m)一一粗磨(loom)一一水冷(100m)-冷矫(100m)-精磨、探伤(100m)-长轨存放(510m)，此时需要作业总长度约1 840m，若焊接50m轨时，也需作业线长度约1200m。当长度不能满足要求时，可采用二条作业线，主线焊轨、热处理，辅线冷矫、精磨，可减少约500m基地长度，但密度增加。
工位配置应保证:(1)焊后接头焊缝温度低于500℃时，才可以开始热处理加热;(2)进行水冷前的轨头焊缝温度应低于400℃.
3.4 无缝线路长轨条的焊接-移动式闪光焊
移动式闪光焊是使用柴油发电机组供电的悬挂式钢轨焊机，并装载焊轨作业车上在线路上移动式焊接钢轨，是优于铝热焊、移动气压焊的线路焊轨方法。近20年来，国外(例如美国、欧洲)已采用移动式焊闪光焊进行既有线路上的钢轨焊接作业和新选线无缝线路的铺轨作业。我国近几年在地铁工程(广州、深圳、上海、天津城铁)使用了移动式闪光焊，铁路管理局也开始在换轨大修中试用。
移动式闪光焊可作为新线无缝线路铺轨作业流程组成单元，进行长钢轨、单元轨节的焊接和低温拉伸钢轨锁定焊接。由于道岔钢轨间距(作业空间)的限制，悬挂式焊轨机目前还不能实现道岔与长轨的最终焊接。
线路移动式闪光焊焊轨作业有三种模式:焊接与拉轨同步控制的一体式;焊接与拉轨非同步控制的分体式;焊机自身具备焊接与拉轨的保压、推凸模式。
4 结束语
(1)为了满足客运专线钢轨焊头高平顺性和直线度要求，焊接用轨应具有严格的断面尺寸偏差和平顺性;同时也应在焊接、热处理、精(细)磨工序有规范化的作业标准。为避免运行线路出现低接头，不仅要求焊后接头纵向平直，而且还要求焊头的轨头硬度不低于钢轨母材硬度以及最窄的热软化区，因此应在热轧轨焊头正火后喷风快速冷却。
(2)钢轨闪光焊接的接头质量及其稳定性优于其它焊接方法，建议采用移动式闪光焊进行线路长钢轨、长轨节的焊接以及低温拉伸锁定焊接。低温环境焊接时，应采取防风和焊后缓冷措施。
(3)长定尺钢轨焊接是基地焊和厂焊长钢轨的发展方向。 |
