无缝线路钢轨焊接技术发展现状及趋势 王宏伟

无缝线路钢轨焊接技术发展现状及趋势王宏伟

摘要：近年来铁路的迅猛发展，对轨道线路提出更高要求，使钢轨朝着重型化、强韧化、高平顺性、高焊接性能方向发展。无缝线路有高可靠性、高稳定性等显

著优点，是高速重载轨道结构的重要部件。钢轨焊接是实现线路无缝化最基本的

工作，也是影响无缝线路运行状态的重点与难点。

关键词：无缝线路钢轨；焊接技术；发展现状；趋势

1几种无缝线路钢轨焊接技术

1.1闪光焊

闪光焊（又名接触焊）是一种电阻焊方法，其主要包括焊接端预热和液压顶

锻两个过程。根据闪光的特征可分为：连续闪光焊与脉冲闪光焊。连续闪光工艺

技术相对成熟，应用时间长；脉冲闪光工艺虽然是一种新型技术但其能弥补连续

闪光工艺的不足之处。例如，连续闪光焊加热效率相对较低，加热范围小；脉冲

闪光焊电流大，加热效率高，稳定性好，且热影响区小，通常认为后者更有利于

提高钢轨的焊接质量。由于闪光焊接性能稳定、质量高、速度快、自动化强度高、接头力学性能接近母材等优点，与气压焊、铝热焊相比具有很大的优势。因此其

已成为世界各国在工场与线上焊接的主要焊接方式，我国的京沪高铁线、宁杭客

运专线、朔黄铁路在铺设无缝线路中均采用了闪光焊焊接技术。然而，闪光焊的

焊机投资较大，工艺参数复杂多变，主要有：焊接电压及时间、闪光速度、闪光

流量、顶锻力等，这些均会对焊缝的形状、尺寸产生影响。

1.2闪光焊存在的缺陷及应对措施

如今，虽然在铺设无缝线路过程中，闪光焊相比其它的焊接应用的更多，闪

光焊的焊缝质量比较稳定，出现问题的概率最少，但焊接过程中某些因素仍会引

起接头的质量下降。闪光焊存在的主要缺陷及应对措施包括以下几点：（1）马氏体组织。由于精磨机等焊接配套的设备未能正常使用，例如进刀量过大，强烈的摩擦会引起钢轨局部温度急速升高和快速冷却，从而在焊接接头及

附近形成产生马氏体组织。根据这类马氏体产生的原因，在实际生产中应该严格

控制设备的参数，保证在推凸的过程中进刀量不能太大。钢轨的焊接面接触不良，会出现电弧击伤的现象，使得在电弧击伤处也会形成粗大的马氏体组织。因此在

焊接前必须对焊钳接触部位进行打磨处理，确保没有锈斑和金属残渣，焊后进行

适当的正火处理，以减少马氏体的组织。其次，钢轨母材中的Mn、C元素的偏析现象也容易导致马氏体组织的出现，为降低此类有害组织对焊缝质量的影响，应

严格控制钢轨母材的组成成分。

（2）未闭合的火坑。通常顶锻力是影响闪光焊接头力学性能的主要因素之一。焊接过程中由于参数选择不当，使得顶锻力过小，焊接处熔融的金属层排除不到位，会导致焊接接头内部形成未闭合的火坑。对于这类缺陷，在焊接前需要对待

焊接钢轨两端面进行抛光打磨处理，调整顶锻参数，使顶锻量达标。一般情况下，闪光焊焊缝经顶锻后的脱碳层为0.2mm左右。

（3）灰斑。钢轨在高温熔化时，会形成氧化物或硅酸盐夹杂物，如果其未完全从焊缝中挤掉会导致灰斑形成，其接头失效很大原因是硅酸盐类灰斑缺陷的存在，且该类主要分布于钢轨底部，腰部较少。因此在焊接过程中严格控制工艺参数，清理焊接面的氧化层和污物。

1.2气压焊

气压焊是通过人工操作气压设备在施工现场进行的焊接工艺，其设备简单、

轻便且实用性好。相比于闪光焊在成本上一次性投资小，也无需大功率电源；较

铝热焊具有焊接性能可靠、成功率高、焊接时间短、焊缝质量好等优点，但主要

缺点是在焊接前要求对两接头的处理非常苛刻，并且在焊接时需要钢轨纵向移动，这对于超长钢轨焊接来说难度较大。基于此，气压焊主要应用于焊后维修作业，

例如长吉城际重伤的钢轨就是用气压焊进行焊接修复的。

1.3气压焊存在的缺陷及应对措施

人为因素对气压焊的影响较大，但同时也受其它因素的影响，如现场工地环境、气候条件等。因此在焊缝处不免产生各种不同程度的缺陷。主要缺陷分为两类：焊缝外观缺陷与焊缝内部缺陷，外观缺陷是不借助设备，可以直观发觉工件

表面的异样，气压焊工艺所产生的主要缺陷就是如此。

（1）焊缝的错位和弯曲。气压焊焊接前对预焊接的钢轨定位是依靠压接机的轨顶和轨底螺栓，如果压接机的轨底螺栓高低不平，就会导致焊接头高低错位缺陷。再者加热器不适当的摆放，也会出现接头高低错位。因此焊接前必须检查待

焊接钢轨的定位是否准确，加热装置是否到位。

（2）焊接接头轨角塌陷。加热设备整体火焰的能量或轨角位置火焰能量较低时，要使得焊接面的金属完全塑化，就要延长焊接加热时间，这样会使得钢轨受

热宽度变大，一些非焊接区域由于过度加热而变软，顶锻时就出现下塌现象。为

了减少这类缺陷在加热时必须先调整加热设备的参数，使得火焰的温度符合相应

的要求。

（3）焊缝表面烧伤。用气割方式切除焊瘤时，切割火焰可能会烧伤金属的表面；焊后不等金属冷却下来就用砂轮机打磨而进刀过大，剧烈的摩擦热也会使表

面被烧伤。对于此类缺陷，在切割焊瘤和对轨面进行打磨时应先调整火焰温度，

不可太高，打磨机的进刀量尽量小些，保证摩擦热不至于过高，而且用砂轮对余

高进行打磨时，打磨方向应沿着钢轨长度方向运动，不能垂直钢轨长度方向。

2钢轨焊接技术发展

2.1逆变直流闪光焊

钢轨闪光焊从电源类型方面可分为交流、工频直流、逆变中频直流三种模式。交流与直流相比，从理论上来说，交流电源存在负载不平衡，且阻抗较大，外特

性没有直流电源好[。但是，工频直流电源系统结构复杂，占用空间大，较多用于

固定式钢轨焊接。移动式闪光焊受焊轨车体积限制，采用工频直流不便。因此，

已有移动式闪光焊机采用交流方式。近些年，随着逆变电源技术的日益成熟，在

美国已成功应用于钢轨焊接领域。

逆变直流兼具交流和工频直流的优点：与交流电源相比达到了三相平衡，与

工频直流相比体积小，特性也有进一步改善。逆变直流电源的发展和优势，为移

动式交流闪光焊接提供了新的发展方向，铁科院金化所研究者已开展此领域研究。但逆变直流电路复杂，可靠性与在钢轨移动焊接中的应用有待更深层次的研究和

验证。

2.2钢轨移动式闪光焊接与焊后热处理一体机

依据我国铁路现行标准TB/T1632-2014规定，钢轨焊后需进行正火处理。目

前钢轨现场闪光焊接时，采用移动式闪光焊机或其他焊接方式焊接后，需移走焊

接设备腾出工位，再利用中频感应正火设备或火焰加热方式对焊接接头正火。应

用较多的是移动式闪光焊机焊后配合中频感应正火设备完成焊后正火处理，工艺

成熟，可获得质量稳定的焊接接头。但设备投资大，且操作复杂，耗时长，尤其

不利于既有线换轨。针对这些问题，铁科院金化所已投入研究移动式闪光焊机与