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桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 第 38 頁 共 35 頁
引言
（1）論文研究的背景及意義
移動式焊軌機是無縫線路建設(shè)施工中的重要設(shè)備，其性能直接影響鋼軌焊接接頭的質(zhì)量。近年來，隨著鐵路高速重載高密度運輸飛速發(fā)展，對鋼軌的焊接質(zhì)量及對上道使用的移動式焊軌設(shè)備使用的可靠性和安全性要求越來越高。隨著國民經(jīng)濟和交通事業(yè)的發(fā)展，高速運行、重載運輸已經(jīng)成為鐵路發(fā)展的必然趨勢，高速鐵路、地鐵、輕軌等現(xiàn)代交通高速軌道結(jié)構(gòu)越來越多的投入應(yīng)用。鐵路線路是鐵路運輸?shù)闹饕夹g(shù)設(shè)備，是行車的基礎(chǔ)。線路的作用是引導(dǎo)和承受機車車輛運行，直接承受由車輪傳來的壓力，并傳給路基和橋隧。移動式焊軌機設(shè)備主要特點是自帶發(fā)電機或行走機構(gòu), 大致可以分為集裝箱式、公路/鐵路自行式和鐵路自行車式。集裝箱式焊接設(shè)備的優(yōu)點是成本較低, 運輸較為靈活和方便; 公路/鐵路自行車式焊接設(shè)備的轉(zhuǎn)移較為方便, 可不依賴牽引車自己在公路或鐵路上行走, 但成本較高, 上、下鐵路也需要一定的配合條件; 鐵路自行車式鋼軌移動閃光焊設(shè)備在鐵路上應(yīng)用比較方便, 焊接效率較高。缺點是公路運輸或車輛的轉(zhuǎn)移比較麻煩。
移動式交流鋼軌閃光焊機主要由供電設(shè)備（發(fā)電機組）、焊接主電路、液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、吊裝系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和集裝箱等8 部分組成。本次設(shè)計主要研究移動式焊軌機的機械系統(tǒng)組成以及液壓系統(tǒng)控制。
這次畢業(yè)設(shè)計運用了大量的理論及專業(yè)知識，對自己的知識是一個鞏固。在設(shè)計過程中自己也不斷的學(xué)習(xí)新知識，對自己的知識是一個累積過程。是在校期間的昀后學(xué)習(xí)和綜合訓(xùn)練階段；是學(xué)習(xí)深化、拓寬、綜合運用所學(xué)知識的重要過程；是學(xué)習(xí)、研究與實踐成果的全面總結(jié)；是綜合素質(zhì)與工程實踐能力培養(yǎng)效果的全面檢驗；通過它我深入實踐、完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)或撰寫論文等諸環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)自己綜合分析和解決問題的能力和獨立工作能力；同時，對自己的思想品德，工作態(tài)度及作風(fēng)等諸方面都會有很大影響。對于增強事業(yè)心和責(zé)任感，提高自己全面素質(zhì)具有重要意義。
（2）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
我國目前可以生產(chǎn)集裝箱式移動閃光焊軌機，如LR1200和UN5-150Z型集裝箱式移動閃光焊軌機。目前已正式應(yīng)用于高速鐵路工程。相比普通焊接機增加保壓推凸功能，焊接電壓采用了雙路控制方法，提高了焊接系統(tǒng)的功率因數(shù)。自主開發(fā)了焊機的軟件系統(tǒng)。目前該焊機也已經(jīng)應(yīng)用于鐵路和城市輕軌的鋼軌焊接中。并且我國已經(jīng)有兩家公司研發(fā)出了鐵路自行車式移動式閃光焊軌車，焊機采用進(jìn)口的K922型移動式鋼軌閃光焊機。我國的接觸焊鋼軌從六十年代起采用的是五十年代水平的un6-500(MCr一500) 型焊軌機, 功率大、生產(chǎn)率低, 已不適應(yīng)今后焊軌形勢發(fā)展的需要。為此鐵道部1979年曾由瑞士引進(jìn)了四臺GAas80 型次級整流鋼軌接觸焊軌機,分設(shè)在北京、沈陽、鄭州、上海等鐵路局的焊軌工廠。與此同時還由蘇聯(lián)引進(jìn)了兩臺K355型懸掛式接觸焊軌機,以供在線路上直接進(jìn)行鋼軌焊接, 分別安設(shè)在北京鐵道部科學(xué)研究院和濟南鐵路局焊軌工廠。這兩種焊軌設(shè)備技術(shù)均較先進(jìn), 代表著目前我國的水平。
對于國外的發(fā)展現(xiàn)狀焊機主要采用烏克蘭巴頓焊接研究所的K355閃光焊機，后來逐步被K900以上閃光焊機取代，如K900、K920和K922等。美國HOLLAND公司的閃光焊機是在原烏克蘭巴頓的K355焊機的基礎(chǔ)上發(fā)展的，焊機的機頭和控制系統(tǒng)都經(jīng)過了相應(yīng)的改進(jìn)，焊機的名稱為K355H-SS。美國Caterpillar公司研發(fā)了一種直流逆變移動閃光焊機。中頻逆變方法為：將三相工頻交流電整流成直流電，然后逆變成1200Hz的交流電通向焊接變壓器，次級電壓經(jīng)過整流后進(jìn)行焊接。
例如，蘇聯(lián)基輔的巴頓研究所研制的K 35 5 型移動式接觸焊軌機是其中性能較
好的一種, 并由卡霍夫電器工廠批量生產(chǎn), 在蘇聯(lián)國內(nèi)有近10 0 臺在鐵路現(xiàn)場使用中, 同時還向西歐各國出口。日本為修建鐵路新干線,1 9 7 4 年也從蘇聯(lián)進(jìn)口了這種設(shè)備。奧地利的Pl as ser & T he u re r 公司與蘇聯(lián)國家科技委合作研制成R 35 5 PT 型移動式接觸焊軌機,1 9 74 年8月開始在意大利鐵路羅馬~ 佛羅倫薩高速干線工程中應(yīng)用, 同年希臘鐵路也向該公司定了貨。蘇聯(lián)生產(chǎn)的K 3 5 5 型接觸焊軌機能焊接38 ~ 75 公斤/ 延米的鋼軌。它的特點是消耗功率低。例如, 日本本國生產(chǎn)的這種固定式焊軌機需
用7 5 0 千伏安的電源, 而從蘇聯(lián)進(jìn)口的僅用1 80 千伏安即可, 其原理是變壓器鐵心和初級線圈將焊接工件包圍起來, 焊接工件形成次級線圈的一個部分, 直接感生次級電流, 因此, 不需要大功率電源設(shè)備。
以美國為例：美國霍蘭公司制造能在公路和鐵路上行駛的移動式鋼軌接觸焊車。在鐵路上行駛時重6 1 , 0 0 0 磅, 在公路上行駛時不包括焊機和鐵路車輪重50 , 0 0 磅。進(jìn)行焊軌作業(yè)時, 每天八小時可焊接1 5 磅重鋼軌的軌縫60 一80 個。一個軌縫的焊接時間為2 一3 分鐘。美國鐵路1 9 7 2 年開始采用這種焊機, 1 9 7 5 年進(jìn)行了改進(jìn), 已經(jīng)焊接了10 萬個軌縫。此機的電焊部分原來是由蘇聯(lián)研制的, 目前全世界鐵路共有4 0 多臺在運用中。最近該公司對焊機作了改進(jìn), 采用“ 脈沖熔化” 法縮短了焊接時間和鋼軌消耗。用車上的風(fēng)鏟去除金屬屑。
在法國，蘇聯(lián)鳥克蘭科學(xué)院巴頓電焊研究所研制的K355型鋼軌接觸焊機(已由蘇聯(lián)卡爾霍夫廠成批生產(chǎn)) 是一種電功率小、焊接斷面積大、體積小、重量輕、機械結(jié)構(gòu)靈活緊湊, 便于在線路上進(jìn)行鋼軌接觸焊接的先進(jìn)設(shè)備。焊軌的過程是靠電氣、液壓隨動系統(tǒng)和程序控制裝置按給定的焊軌工藝自動進(jìn)行的。因為在設(shè)計上采用了并聯(lián)的兩臺十分靠近且對稱于鋼軌兩側(cè)的變壓器供電, 從而極大地降低了焊機的總阻抗(電回路阻抗及短路阻抗) 其數(shù)值是15x10一6 歐姆, 約為一般接觸焊軌機的1/5 。設(shè)計的額定功率為一般焊軌機的1/ 3弱?？蓪︿撥夁M(jìn)行無預(yù)熱連續(xù)閃光焊接, 使鋼軌接頭加熱均勻, 同時還使加熱區(qū)較預(yù)熱閃光焊的加熱區(qū)縮小了1/3一l/2 ,提高了鋼軌接頭的質(zhì)量。K355型鋼軌焊機設(shè)計時, 利用了杠桿放大的力學(xué)原理使夾緊力對稱分布于鋼軌兩側(cè)。用較小缸徑的油缸即能保證鋼軌所需的夾緊力和焊接接頭的精度K 3 5 型焊軌機最適于在線路上進(jìn)行各類型鋼軌的焊接, 是目前世界上最完善的在線路上進(jìn)行鋼軌閃光對焊的理想設(shè)備, 同時也可以做為固定場地鋼軌焊接的設(shè)備。它可以接電網(wǎng)電源供電變壓器容量為320一560千伏安, 也可以配以三相發(fā)電列車供電。
（3）研究目的
由于我國幅員遼闊, 各地區(qū)的條件差異較大, 因此, 對于移動式焊軌機應(yīng)揚長避短加以采用, 不斷對設(shè)備進(jìn)行研究改進(jìn), 以為四個現(xiàn)代化貢獻(xiàn)力量。另一方面也應(yīng)考慮到焊接設(shè)備技術(shù)上的先進(jìn)性、實用性和穩(wěn)定可靠性。運用閃光焊工藝對鋼軌進(jìn)行無縫焊接，提高鐵軌精度使鐵軌運行更安全、快捷、迅速。培養(yǎng)綜合運用所學(xué)基本理論，基本知識，基本方法和基本技能，分析問題和解決問題的能力。
畢業(yè)設(shè)計是高等工科院校的畢業(yè)設(shè)計是完成教學(xué)計劃達(dá)到本科生培養(yǎng)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。它通過深入實踐、了解社會、完成畢業(yè)設(shè)計任務(wù)或撰寫論文等諸環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學(xué)生綜合分析和解決問題的能力和獨立工作能力、組織管理和社交能力；同時，對學(xué)生的思想品德，工作態(tài)度及作風(fēng)等諸方面都會有很大影響。對于增強事業(yè)心和責(zé)任感，提高畢業(yè)生全面素質(zhì)具有重要意義。是學(xué)生在校期間的昀后學(xué)習(xí)和綜合訓(xùn)練階段；是學(xué)習(xí)深化、拓寬、綜合運用所學(xué)知識的重要過程；是學(xué)生學(xué)習(xí)、研究與實踐成果的全面總結(jié)。是學(xué)生綜合素質(zhì)與全面培養(yǎng)的綜合檢驗，是學(xué)生實現(xiàn)從學(xué)校到社會的過度環(huán)節(jié)，是學(xué)生取得畢業(yè)證以及學(xué)士學(xué)位證的重要依據(jù)，是衡量高等教育質(zhì)量與評估教育水平、教學(xué)質(zhì)量的重要依據(jù)。
（4）課題研究的主要內(nèi)容
本文的主要任務(wù)是對移動式焊軌機的零部件進(jìn)行設(shè)計并校核；對加工工藝閃光焊進(jìn)行探討；運用機械手來實現(xiàn)鋼軌的無縫焊接，并對機械手的工作原理以及具體參數(shù)進(jìn)行分析。
本次設(shè)計的主要內(nèi)容如下：
首先完成開題報告：介紹本次設(shè)計的背景和意義，并對移動式焊軌機在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析。最后分析整體的進(jìn)程安排。
接著是對軌道焊接工藝的分析，這里主要探討閃光焊的加工工藝；以及對零件尺寸的介紹及分析；對機械手部分進(jìn)行分析，對工作原理以及具體參數(shù)進(jìn)行探討。以確保實現(xiàn)無縫焊接。
最后對畢業(yè)設(shè)計做一個總結(jié)。
1 零件工藝方案設(shè)計
1.1 閃光焊
意義：閃光焊也稱接觸焊，是在電阻對焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。焊接開始時，兩個金屬工件端面接觸，通過端面的接觸點導(dǎo)電，接觸電阻產(chǎn)生的電阻熱加熱工件端部，當(dāng)溫度達(dá)到一定程度時，工件接觸面的金屬熔化形成液態(tài)金屬層，通過外加縱向力擠出液態(tài)金屬，并使高溫金屬產(chǎn)生塑性變形，在結(jié)合面產(chǎn)生共同晶粒，獲得致密的熱鍛組織形成對接接頭。
在金屬工件相互靠近的過程中，端面間一些相互突出的凸點首先接觸，
電流從這些接觸點通過時，由于導(dǎo)電面積突然減小，造成電流線彎曲與收
縮從而形成了接觸電阻，如圖1所示。
圖1 閃光面的接觸點
這些小接觸點的電阻很大，電流流過時被迅速加熱、熔化，形成一個個液體金屬過梁，這些金屬過梁將熱量傳入焊件的內(nèi)部。每個過梁都存在液態(tài)表面張力、徑向壓縮效應(yīng)力、電磁引力和電磁斥力的作用，徑向壓縮力與流過過梁的電流強度平方成正比，在這些力的作用下過梁直徑減小，電流密度急劇增大，溫度迅速上升，使過梁內(nèi)部出現(xiàn)金屬蒸氣。金屬蒸氣使液體過梁體積急劇膨脹而爆破，熔化的金屬微粒從對口間隙中飛濺出來，形成了飛濺的火花。爆破后的位置留下一定深度的火口，為鄰近產(chǎn)生過梁創(chuàng)造了條件。閃光過程就是焊接端面不斷產(chǎn)生液態(tài)金屬過梁又連續(xù)不斷的爆破過程，并伴隨有工件金屬的燒損。
閃光焊的作用：
（1）加熱焊件。閃光過程中金屬液體過梁的電阻熱和過梁爆破時一部分噴射熔滴飛濺到對口面上帶來的熱量對焊件加熱。
（2）燒掉焊件端面上的贓物和不平之處。因此也就可以降低焊接前對焊件端面的打磨要求，用手提砂輪粗打磨即可。
（3）金屬的液體過梁爆破時產(chǎn)生的高壓力、金屬蒸氣及CO、CO2氣體形成了保護(hù)氣氛，減低了焊件端面間隙中氣體介質(zhì)的氧化能力。
1.1.1 鋼軌閃光焊
鋼軌閃光焊接按照閃光過程的特征分為連續(xù)閃光焊、預(yù)熱閃光焊、脈動閃光焊三種類型。
1. 連續(xù)閃光焊
圖2 連續(xù)閃光焊曲線
圖2是K型焊軌機連續(xù)閃光焊接過程記錄曲線，記錄有焊接電壓、電流、力、位移四個主要焊接參數(shù)與時間關(guān)系，從圖中可見，焊接過程中的焊接電流是連續(xù)的。焊接中期閃光電流穩(wěn)定在100～200安培（焊接變壓器初級電流），動架夾持鋼軌送進(jìn)穩(wěn)定，焊接壓力值恒定，位移是一條斜線。連續(xù)閃光焊分為預(yù)閃、低電壓閃光、加速閃光燒化、頂鍛、鍛壓（保持）五個階段。預(yù)閃的作用有二個：一是閃平鋼軌傾斜的端面、使隨后開始的焊接過程保持全斷面接觸閃光；二是對鋼軌端面預(yù)加熱，減少焊接初期不穩(wěn)定閃光時間。
連續(xù)閃光焊的主要焊接參數(shù)有：焊接時間、焊接電壓變化程序、燒化速度、燒化末速、反饋電流、頂鍛量。加速燒化是頂鍛前的重要階段，加速時間和加速末速是重要的參數(shù)。
2. 預(yù)熱閃光焊
預(yù)熱閃光焊的焊接階段有：閃平、預(yù)熱、燒化、加速燒化、頂鍛和鍛壓、后熱。圖3是第四代GAAS80焊機預(yù)熱閃光焊記錄曲線，記錄有焊接壓力、焊接電流、位移。
圖3 預(yù)熱閃光焊記錄曲線
3. 脈動閃光焊
圖4是脈動閃光焊記錄曲線，記錄有焊接壓力、焊接電流、位移和時間的關(guān)系。
脈動閃光焊與連續(xù)閃光焊相比較，其閃光過程中幾乎沒有過梁的自發(fā)爆破現(xiàn)象；在加熱鋼軌的主要階段，閃光電流是不連續(xù)的。在焊接過程中它跟蹤的是電阻、電流；閃光燒化過程中焊接電流與送進(jìn)速度無關(guān)；燒化過程的送進(jìn)油壓是脈動的。
脈動閃光焊已逐漸取代連續(xù)閃光焊，用于鋼軌焊接全過程大約2分多鐘。線路上移動焊軌主要采用脈動閃光焊方式。
圖4 線路上拉伸鋼軌焊接脈動閃光焊曲線
1.1.2 焊接參數(shù)調(diào)節(jié)功能
1. 電壓的調(diào)節(jié)
焊接電壓（焊接變壓器次級電壓）是決定鋼軌加熱狀態(tài)的基本焊接參數(shù)，它可以顯著地改變焊接時間和鋼軌的溫度梯度（不同斷面溫度之差）分布以及閃光過程的穩(wěn)定性。穩(wěn)定的閃光過程是具有很細(xì)小的過梁尺寸和火口深度。 結(jié)合焊接過程選擇適合的電壓是很重要的。焊接電壓增高，則焊接電流增大，閃光過程也就更加激烈，大尺寸的過梁爆破，造成大量熔化金屬的飛濺，使鋼軌端面的加熱深度減小，火口的深度加大，端面溫度分布不均勻，不能形成良好的焊接接頭；反之，當(dāng)焊接電壓較低時，焊接電流減小，將導(dǎo)致鋼軌送進(jìn)速度大于閃光燒化速度，易出現(xiàn)短路。
2. 反饋電流的調(diào)節(jié)
穩(wěn)定的閃光燒化是通過焊接電流的反饋進(jìn)行控制。閃光初期，可能出現(xiàn)一次或幾次較大的短路電流，它與焊接電源功率、鋼軌焊接回路阻抗、鋼軌端面接觸面積、及鋼軌初始溫度有關(guān)。在以后的低電壓閃光階段一般不應(yīng)出現(xiàn)閃光中斷；在加速燒化閃光階段也不應(yīng)出現(xiàn)閃光中斷。頂鍛前出現(xiàn)閃光電流短路或斷路都會影響焊接接頭質(zhì)量。
3. 加速燒化
加速閃光燒化過程是焊接循環(huán)必不可少的一個階段，也是頂鍛前的重要階段，加速時間和加速末速是重要的焊接參數(shù)。加速使鋼軌端面接觸的觸點增多，形成過梁的爆破也逐漸激烈，可以看到激烈的火花飛濺。激烈的閃光能夠形成良好的保護(hù)氣氛，為頂鍛創(chuàng)造了良好條件。加速閃光燒化階段通常是切斷電流反饋控制，或加大反饋電流值。預(yù)熱閃光焊加速程度應(yīng)比連續(xù)閃光焊和脈動閃光焊的加速程度大一些。
4. 頂鍛和鍛壓
頂鍛量、頂鍛時間、頂鍛力是重要的焊接參數(shù)。頂鍛過程分為兩個階段：（1）有電流頂鍛。該階段是在通電狀態(tài)下進(jìn)行的，以保證鋼軌端部的溫度并有利于液態(tài)金屬及氧化物夾雜的排出。帶電頂鍛時間通常設(shè)置在0.5秒～1.2秒，時間長一點有利于液態(tài)金屬及氧化物夾雜的排出。（2）無電流頂鍛。該階段是在切斷電壓（實際上是切斷電流）后，繼續(xù)保持頂鍛壓力，使液態(tài)金屬及氧化物夾雜徹底被擠出，并排除過熱金屬，使焊縫繼續(xù)產(chǎn)生塑性變形，形成致密的焊接接頭。
頂鍛壓力的大小取決于鋼軌材質(zhì)的高溫性能和鋼軌的加熱狀態(tài)及加熱區(qū)的分布。國外資料介紹，900 MPa的高碳軌頂鍛壓力為60 MPa(60kg/m鋼軌頂力約為46～47噸)；1100 MPa的合金軌頂鍛壓力為70~80MPa（60kg/m鋼軌頂力約為54～62噸）。頂鍛力過小，夾雜物不容易排凈，塑性變形不足；頂鍛力過大，則塑性區(qū)被過分?jǐn)D壓，晶紋彎曲，接頭沖擊性能下降。
頂鍛開始的合縫速度（頂鍛速度）應(yīng)越快越好，以防止端面氧化。頂鍛速度應(yīng)大于30mm/s。
1.1.3 鋼軌焊接熱循環(huán)
1. 焊接熱源
鋼軌焊接是焊接回路的電流通過鋼軌內(nèi)部電阻和端部電阻所產(chǎn)生的電阻熱來實現(xiàn)的，遵循焦耳-楞次定律的變化，其熱量可以近似用如下公式表示:
Q=0.24I2(Rc+2Rg)t
式中： Q—總熱量(cal)
I—通過鋼軌的電流（A）
Rc—焊件端面的接觸電阻（Ω）
Rg—焊件內(nèi)部電阻（Ω）
t—通電時間（t）
焊接開始時，鋼軌處于環(huán)境溫度下的冷態(tài)，內(nèi)部電阻Rg很小，接觸電阻Rc相對較大，隨著加熱溫度的升高，并在焊接壓力作用下,接觸端面產(chǎn)生塑性變形，促使接觸表面氧化膜破壞和純金屬接觸面積不斷擴大，導(dǎo)致接觸電阻很快減少，焊接電流增大。隨著加熱溫度的升高，又使得鋼軌端部電阻增大，導(dǎo)致鋼軌端部熱量最大，溫度也最高。
2. 焊接熱循環(huán)
在焊接熱源作用下，鋼軌焊接端頭某一點的溫度隨時間變化過程稱為“焊接熱循環(huán)”。鋼軌縱向距離焊縫不同位置各點被快速加熱、冷卻的速度是不相同的，最高加熱溫度（峰值溫度）也是不相同的。圖5是GAAS80/580焊機焊接60kg/m鋼軌距離焊縫1mm處的熱循環(huán)曲線。
通過焊縫熱循環(huán)曲線可以觀察到焊接峰值溫度、冷卻速度（800℃冷卻到500℃的平均冷卻速度）。
圖5 60kg/m U76NbRE鋼軌預(yù)熱閃光焊熱循環(huán)記錄曲線(預(yù)熱14次)
試驗表明，無論采用哪種閃光焊方式，焊縫的峰值溫度均在1300℃左右，而冷卻速度與焊接工藝和環(huán)境溫度有關(guān)。根據(jù)鐵科院金化所以往的科研試驗結(jié)果統(tǒng)計， 60kg/m鋼軌閃光焊接頭的冷卻速度在0.9℃～1.2℃/s ,低于U71Mn、U75V(PD3)、U76NbRE(BNbRE)鋼軌鋼出現(xiàn)馬氏體組織的臨界冷卻速度。不同牌號鋼軌的臨界冷卻速度是通過鋼廠提供焊接CCT圖獲取的。高合金鋼軌在低溫環(huán)境焊接時，需要增加后熱來降低焊縫冷卻速度。
2. 焊縫和熱影響區(qū)
焊接接頭是由焊接區(qū)和毗鄰的鋼軌母材構(gòu)成的，焊接區(qū)又劃分為焊縫和熱影響區(qū)，其力學(xué)性能差于鋼軌母材。
（1）焊縫: 焊縫很窄，寬度只有零點幾毫米，宏觀照片上焊縫是一條白線（見圖6a）,是一層氧化脫碳的貧碳層，金相組織是珠光體和少量的網(wǎng)狀鐵素體（見圖6b），硬度低落較大。
（2）熱影響區(qū)（HAZ）：熱影響區(qū)分為粗晶區(qū)、細(xì)晶區(qū)、不完全重結(jié)晶區(qū)。粗晶區(qū)是焊接高溫形成的過熱區(qū)，其晶粒粗大，該區(qū)金屬硬度高、塑性和韌性差。細(xì)晶區(qū)是焊接溫度小于1000℃正火區(qū)，晶粒較細(xì)，該區(qū)金屬塑性和韌性較好。不完全重結(jié)晶區(qū)又稱為部分相變區(qū)，其晶粒大小不一。
熱影響區(qū)對稱分布焊縫兩側(cè)，總寬度約40mm左右。圖6a是精加工后焊頭縱向板宏觀照片，焊縫兩側(cè)白色影線之間區(qū)域是熱影響區(qū)。
圖6a焊縫及熱影響區(qū)宏觀形貌
圖6b 焊縫金相組織
1.1.4 焊接接頭熱處理
1.熱處理作用
鋼軌分為熱軋軌和熱處理軌。熱處理軌焊接后接頭的硬化層消失，原有的強度和韌性降低。對焊后接頭再次加熱，然后噴風(fēng)處理加速其冷卻來恢復(fù)損失的強度、硬度和韌性。
在國外，熱軋軌焊后不再進(jìn)行正火或熱處理,我國鐵路早期焊軌也不進(jìn)行焊后正火，由于八十年代后新牌號鋼軌出現(xiàn)，焊后接頭較難通過落錘檢驗,正火后焊頭韌性提高，相對提高了落錘通過幾率。
1) 焊后正火：正火目的是將焊接熱循環(huán)過程形成的粗晶細(xì)化，提高韌性；正火也會改善焊接殘余應(yīng)力的分布。正火過程是焊頭重新經(jīng)受一次加熱升溫和自然冷卻的熱循環(huán)，峰值溫度宜限制在950℃。峰值溫度低會降低接頭強度和出現(xiàn)低硬度。圖7是焊頭正火前后硬度對比：正火前的焊頭軌頂面硬度高于鋼軌母材，低硬度區(qū)很窄，其寬度不到10mm；U71Mn、PD3(U75V)焊頭正火后的軌頂面縱向出現(xiàn)約80mm寬度低硬度區(qū)，對高速列車運行是不利的。
圖7 焊接接頭正火前后軌頭縱向硬度分布曲線
正火應(yīng)注意：焊縫溫度低于500℃時再重新加熱；正火熱影響區(qū)寬度應(yīng)在70mm左右并完全覆蓋焊接熱影響區(qū)；正火最高溫度不超過950℃。
不同牌號鋼軌具有不同最佳正火溫度，最佳溫度應(yīng)是強度和硬度的優(yōu)化組合。鋼軌在閃光焊時經(jīng)歷了復(fù)雜的熱、力學(xué)過程，它會對焊頭造成不同于鋼軌母材的影響。
圖8 焊頭正火溫度與沖擊韌度的熱模擬試驗結(jié)果
圖8是在Gleeble-1500熱模擬試驗機進(jìn)行熱模擬試樣的常溫沖擊試驗結(jié)果。從圖中可見U71Mn鋼軌與焊頭最佳溫度是不相同的，其焊頭正火溫度應(yīng)選擇在910℃～950℃。
2)焊后熱處理:正火后的焊頭沖擊韌性得到大幅提高，但是強度和硬度降低,焊頭整體性能未得到明顯改善。正火熱影響區(qū)硬度未達(dá)到鋼軌母材的90％或更低時，會形成運行線路上的低接頭。列車經(jīng)過低接頭產(chǎn)生沖擊和振動，加速焊頭損毀。
熱處理的目的是通過加熱焊接接頭到最佳溫度后，進(jìn)行噴風(fēng)冷卻，從而得到具有細(xì)片狀珠光體組織，獲得較高硬度值。熱處理主要工藝參數(shù)有峰值溫度、噴風(fēng)壓力、噴風(fēng)開始溫度、噴風(fēng)結(jié)束溫度等。通過工藝參數(shù)調(diào)整使焊頭的硬度、拉伸及沖擊性能達(dá)到TB/T1632.2-2005的質(zhì)量要求。開始噴風(fēng)的軌頭溫度不宜低于850℃，噴風(fēng)結(jié)束的軌頭溫度不宜高于500℃。噴風(fēng)最高冷卻速度與鋼軌化學(xué)成分有關(guān)，U71Mn最高冷速2.5℃·s-1；U75V最高冷速3.0℃·s-1；否則會出現(xiàn)馬氏體組織。在相同冷速下，加熱溫度越高，轉(zhuǎn)變后的硬度也越高。這是由于隨著奧氏體化溫度的升高，奧氏體更為穩(wěn)定，使得珠光體轉(zhuǎn)變溫度降低，得到較細(xì)珠光體組織。
1.1.5 閃光焊鋼軌預(yù)熱工藝
1.GAAS80焊機概述
該焊機是直流焊機，第一個字母G表示直流，第二個字母A表示閃光，第三個字母A表示自動，第四個字母S表示鐵路，80表示頂鍛力是80噸。我國鐵路從八十年初引進(jìn)第一代焊機至今已經(jīng)進(jìn)口到第五代焊機。早期是GAAS/700型，控制裝置是DX200(DX300)和PY100，額定功率700KVA，現(xiàn)在的GAAS80/580額定功率580KVA（暫載率50％），焊接全過程計算機控制，并安裝有專用制圖軟件，記錄焊接全過程主要焊接參數(shù)隨時間變化過程。
焊機動架與主機架各有一組內(nèi)、外對中臂組成的對中機構(gòu),自動將焊接軌進(jìn)行對正，當(dāng)軌端出現(xiàn)尺寸偏差時，仍需要焊工憑視覺感官再次調(diào)整軌頭工作面對中精度。
2.焊接回路
焊機使用三相380伏交流電源。兩組焊接變壓器與可控硅三相調(diào)壓、大功率二級管整流器組組成焊接電源，分別通過導(dǎo)電母排與夾持鋼軌軌頭、軌底兩組電極饋電，空載時的六相整流輸出脈動直流電壓較高，參見圖1。
圖1 焊接全過程電壓變化曲線 (14次預(yù)熱、2次后熱)
從圖中可見，空載電壓10伏,閃光電壓設(shè)置850‰時,實際閃光電壓約6.3伏。前3次預(yù)熱電壓設(shè)置400‰，后11次設(shè)置450‰。焊機制造廠專家要求預(yù)熱相位控制應(yīng)小于590‰.
預(yù)熱閃光焊的焊接回路電流很大，預(yù)熱電流一般可達(dá)到6萬安培左右，頂鍛電流瞬時最高可達(dá)到10萬安培左右，要求焊接回路電器元件須有很好的冷卻，帶走其產(chǎn)生的大量電阻熱。焊接變壓器、可控硅和整流器的冷卻是使用獨立的第三級冷水機系統(tǒng)。對于大功率二極管我們曾用分流器和0.5級磁電式電壓表單獨對其檢測，當(dāng)電流100A時的壓降ΔU=0.7V；當(dāng)電流200A時的壓降ΔU=0.8V；大于其說明書的0.2V。因此設(shè)置的閃光電壓相位控制不能太小，我們曾將閃平電壓減小到550‰左右，發(fā)現(xiàn)閃光火花很不穩(wěn)定。
由于焊接電流大，就需要焊接軌與電極接觸部位打磨良好，露出鋼軌的金屬光澤，減小與焊機電極之間接觸電阻。
3.焊機自動調(diào)節(jié)
焊機全套設(shè)備安裝完畢之后、在使用前必須進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。自動調(diào)節(jié)是對焊機的油壓傳感器、位移傳感器和電流傳感器進(jìn)行調(diào)試，對傳感信號進(jìn)行標(biāo)定。自動調(diào)節(jié)也是對機器的彈性所產(chǎn)生的位移偏差進(jìn)行補償。隨機攜帶的標(biāo)準(zhǔn)工件（黃鋼軌）是校準(zhǔn)鋼軌，用于標(biāo)定焊接電流脈沖。
在下列情況下也必須進(jìn)行自動調(diào)節(jié)：(1)更換全套Swep06控制裝置；（2）更換位移傳感器或移動過位移傳感器又重新安裝之后；（3）更換傳感器電路板（NM板）之后；（4）焊機大修之后、鑒定之前。
自動調(diào)節(jié)項目共有8項，分別是壓力傳感器前側(cè)零位調(diào)節(jié)、壓力傳感器后側(cè)零位調(diào)節(jié)、頂鍛油缸活塞面積比、標(biāo)稱力、位移零位調(diào)節(jié)、位移校準(zhǔn)、機器彈性和電流調(diào)節(jié)。開始自調(diào)之前,必須按規(guī)定的順序進(jìn)行準(zhǔn)備，自動調(diào)節(jié)完成之后，在Swep06控制裝置前面顯示窗口顯示自調(diào)過程中發(fā)現(xiàn)的誤差。調(diào)節(jié)結(jié)果顯示“L”,表示該項調(diào)節(jié)準(zhǔn)確；調(diào)節(jié)結(jié)果顯示“H”,表示該項調(diào)節(jié)未達(dá)到規(guī)定的精度。如果第8項結(jié)果顯示“H”表示電流調(diào)節(jié)未達(dá)到規(guī)定的精度，可能是校準(zhǔn)鋼軌與焊機電極的接觸表面導(dǎo)電不良。
4.焊接過程控制
焊接控制系統(tǒng)主要由控制器Swep06和可編程控制器PLC組成，Swep06、具備有焊接指令、檢測控制和顯示裝置，能對自身和外部系統(tǒng)進(jìn)行檢測和診斷，對焊接過程實施計算機程序控制。PLC是執(zhí)行Swep06的指令，由可編程存儲器進(jìn)行邏輯運算、順序控制、定時和計數(shù)等；通過數(shù)字量和模擬量的輸入和輸出，控制執(zhí)行元件完成焊接過程。
焊接開始之前，Swep06發(fā)出指令，PLC執(zhí)行對鋼軌的夾持對中，對中完畢PLC再將指令反饋到Swep06，Swep06進(jìn)行焊接準(zhǔn)備的確認(rèn)并執(zhí)行焊接程序。焊接結(jié)束，Swep06再將信息反饋回PLC,PLC確認(rèn)后開始執(zhí)行夾鉗升起、推凸并檢查動架后退條件是否具備。條件具備時,再發(fā)出后退指令給Swep06,動架退回原始位置等待下一次焊接指令。圖2為Swep06控制焊接過程示意圖。
三相交流電源采用雙向可控硅調(diào)壓，經(jīng)過焊接變壓器組降壓和次級六相整流，再通過匯流排和電極將電流輸送到被夾持的鋼軌。
動架的驅(qū)動由伺服控制系統(tǒng)執(zhí)行。焊接主要工藝參數(shù)電壓、電流、位移、速度、壓力分別通過可控硅相位控制、電流傳感器、位移傳感器、油壓傳感器的信號采集，再經(jīng)過電子電路轉(zhuǎn)換、輸入到計算機系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處
理結(jié)果由屏幕顯示實際焊接參數(shù)。
圖2焊接過程示意圖
Swep06的一個焊接程序最多分為10個步驟（01～10STEP），可選6種不同的步驟類型（01～06CODE）。每個步驟設(shè)置的參數(shù)中，電壓、電流、壓力、速度是以千分?jǐn)?shù)(‰)表示，不代表真實的數(shù)值量。輸入和顯示的時間量、位移量是真實的數(shù)值，時間單位是秒、位移單位是毫米。位移的零點就是基本步驟中所確定的基準(zhǔn)點。
基本步驟是第一步驟（01STEP），其步驟類型的代碼是01（01CODE）。
閃光步驟類型的代碼是02（02CODE），它設(shè)置在預(yù)熱之前稱為“閃平”，設(shè)置在預(yù)熱后稱為“燒化”。它分為第一處理段和第二處理段，兩段設(shè)置的焊接參數(shù)項相同，數(shù)值可以相同也可以不同。閃平是第二步驟（02STEP），它通常只在第一處理段設(shè)置焊接參數(shù)。在預(yù)熱后的燒化階段，通常在兩個處理段均設(shè)置不同的參數(shù)。當(dāng)?shù)诙幚矶蔚拈W光速度大于第一處理段閃光速度時，燒化速度是遞增的，即加速燒化（漸進(jìn)閃光）。
閃平不僅是閃平鋼軌端面斜度，而且具有較強的加熱作用。電流設(shè)定值（反饋電流）和閃光速度的匹配會影響到加熱效率。閃平之初出現(xiàn)大電流脈
沖，有可能是鋼軌端面接觸面大造成的，但是經(jīng)常出現(xiàn)較長時間大電流脈沖，就應(yīng)考慮上述兩參數(shù)匹配是否合理。
預(yù)熱步驟類型的代碼是04（04CODE）。每次預(yù)熱脈沖的電流加熱時間包括快速閃光時間?？焖匍W光的移相值最大，它用于閃除鋼軌端面氧化膜、閃平凸凹和均勻端面電流密度。其時間通常選擇1秒左右。如果預(yù)熱后期熱量過高，會導(dǎo)致鋼軌向后過量移動，超過變形極限，就可能丟失預(yù)熱脈沖。
頂鍛步驟類型的代碼是06(06CODE)。頂鍛分為快速頂鍛和后頂鍛兩個階段。頂鍛之初，伺服閥以最大的設(shè)置速度響應(yīng),隨之頂鍛閥提供足夠的油量快速頂鍛。當(dāng)采用自由頂鍛時，后頂鍛階段的 “走行極限”應(yīng)設(shè)置較大數(shù)值。
1.1.6 焊接工位
1.焊前除銹工位
對待焊軌的端面以及與焊機電極接觸的部位除銹的目的是去其表面污垢和銹蝕、氧化皮，最大限度減少與焊機電極之間的接觸電阻。鋼絲刷輪式除銹機雖然對鋼軌母材的磨削量小,但是不能磨除待焊軌表面的氧化層,導(dǎo)致接觸電阻大而影響鋼軌端面加熱效果。因此，后續(xù)應(yīng)使用角向拋光機磨除氧化皮，露出金屬光澤。除銹長度應(yīng)大于焊機電極長度，軌底除銹寬度應(yīng)大于電極寬度,并認(rèn)真檢查軌底的除銹質(zhì)量。
2.焊接工位
焊接軌應(yīng)以軌頂和側(cè)工作邊為基準(zhǔn)對中，并檢查鋼軌端部扭曲；扭曲允
許偏差可參照鐵標(biāo)TB/T1632.2-2005表1接頭錯邊量最大允許值。
電極灼傷只發(fā)生在焊機電極與鋼軌接觸的導(dǎo)電部位，是由于電極與鋼軌接觸不良或存在殘渣，在焊接開始出現(xiàn)的“灼傷”或“打火”而產(chǎn)生馬氏體、滲銅現(xiàn)象?！白苽被颉按蚧稹睍谲壝婧碗姌O留有痕跡。打火的焊渣嵌入電
極后，其硬度比銅鉗口硬度高，鼓出電極面，若不磨平還會“打火”。
由于灼傷部位常出現(xiàn)在軌底且距離焊縫100毫米之外，不易被發(fā)現(xiàn)。每個焊工焊后必須檢查軌底、軌頂和電極表面，對導(dǎo)電不良電極面要及時修磨或更換。為了預(yù)防電極灼傷,焊工要在壓緊鋼軌前仔細(xì)清理上下電極鉗口及定位螺栓孔；二次壓緊鋼軌前再次清理鋼軌底面及鉗口電極面，將吸附的焊渣清理干凈。發(fā)現(xiàn)灼傷的焊頭必須鋸切處置。
焊工要注意觀察焊接全過程，發(fā)現(xiàn)異常及時終止焊接。焊后要立即檢查焊接記錄曲線和參數(shù)，曲線異常和參數(shù)超出工藝規(guī)范時要查找原因。
3.焊后打磨
鋼軌焊接標(biāo)準(zhǔn)TB/T1632.2-2005中要求“應(yīng)沿鋼軌縱向打磨，鋼軌打磨表面不應(yīng)出現(xiàn)打磨灼傷”?？v向打磨是指手持砂輪打磨時，火花沿著鋼軌縱向飛出。細(xì)打磨時，仿形打磨機沿著鋼軌縱向移動。長時間用力打磨同一位置時，局部鋼軌表面會迅速升溫、又快速冷卻，易出現(xiàn)打磨灼傷。需要區(qū)分軌溫在300℃左右打磨時出現(xiàn)的發(fā)藍(lán)與打磨灼傷是不同的。
軌底打磨要仔細(xì)，不僅要磨除推凸余量，還要磨除軌底角的圓弧，消除可能存在的“過燒”缺陷。
4.正火工位
中頻感應(yīng)加熱過程中存在透入式和傳導(dǎo)式加熱，透入式是使鋼軌表面渦流強度大、升溫快,表層隨著溫度升高到居里點而失去磁性，渦流不斷向內(nèi)層遷移，高溫不斷向深度移動，失磁的部分依靠傳導(dǎo)式加熱，升溫慢，熱損失大。當(dāng)感應(yīng)圈縱向偏離焊縫時，感應(yīng)加熱也隨之偏離焊縫，造成焊縫兩側(cè)溫升偏差大；噴風(fēng)頭對不正焊縫噴風(fēng)，會造成焊縫兩側(cè)冷卻效果偏差大，這些現(xiàn)象都將導(dǎo)致焊縫兩側(cè)硬度不對稱、軟化區(qū)寬度不同。峰值溫度低、加熱停止與開始噴風(fēng)間隔時間長、感應(yīng)圈與鋼軌表面間隙不均勻也都會影響到焊頭熱處理效果。
正火溫度低、未達(dá)到金屬相變溫度時（未正透），觀察落錘斷口的金屬光澤會有明顯不同。
5.平直度與不平度
我國鐵路鋼軌標(biāo)準(zhǔn)中的平直度要求見表1。
鋼軌平直度允許偏差 表1
線 路
部 位
項 目
允許偏差
常速鐵路
距軌端1m內(nèi)
向上彎曲
向下彎曲
水平方向
≤0.5mm
≤0.2mm
≤0.5mm
軌 身
垂直方向
水平方向
≤0.4mm/1m
≤0.7mm/1.5m
客運專線
(200km/h)
軌端0～1.5m
垂直方向向上
垂直方向向下
水平方向
≤0.5mm/1.5m
≤0.2mm/1.5m
≤0.7mm/1.5m
軌 身
垂直方向
水平方向
≤0.3mm/1m
≤0.6mm/1.5m
高速鐵路
(300km/h)
軌端0～2.0m
垂直方向向上
垂直方向向下
水平方向
0～2m：≤0.4mm/2m
0～2m：≤0.2mm/2m
0～2m：≤0.6mm/2m
軌 身
垂直方向
水平方向
≤0.2mm/1m
≤0.45mm/1.5m
鋼軌焊接接頭的TB/T1632.1-2005標(biāo)準(zhǔn)中平直度要求見表2.
焊頭平直度允許偏差 表2
線 路
軌頂面垂直方向最大偏差
工作邊水平方向最大偏差
常速鐵路
(≤120km/h)
向上（上拱）閃光焊：0.3mm/1m
鋁熱焊、氣壓焊：0.4mm/1m
向下：不低于鋼軌母材軌頂基面
凸出鋼軌基面：0.4mm/1m
凹進(jìn)鋼軌基面：0.4mm/1m
中速鐵路
（120～200km/h）
向上（上拱）：0.3mm/1m
向下：不低于鋼軌母材軌頂基面
凸出鋼軌基面：0.3mm/1m
凹進(jìn)鋼軌基面: 0.3mm/1m
高速鐵路
（>200km/h）
向上（上拱）：0.2mm/1m
向下：不低于鋼軌母材軌頂基面
凸出鋼軌基面：0
凹進(jìn)鋼軌基面: 0.3mm/1m
從以上兩表內(nèi)容可見焊接接頭平直度（直線度）要求是很高的。為了滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，熱處理以后又設(shè)置了細(xì)磨、時效、矯直、精磨和修磨工序。
平直度檢驗合格的焊頭并不能保證線路運行的平直度，排除線路因素外，焊頭正火、熱處理效果差將導(dǎo)致硬度低、軟化區(qū)寬，形成線路上低接頭。這種內(nèi)部質(zhì)量差所引發(fā)的焊頭外觀缺陷是不可逆轉(zhuǎn)的。
在鐵標(biāo)對鋼軌的表面質(zhì)量要求中，允許存在的“熱態(tài)下形成的鋼軌縱向?qū)虬骞蝹?、磨痕、熱刮傷、縱裂、氧化皮壓入”的最大深度:軌頭踏面0.5mm(高速鐵路用軌0.35mm),鋼軌其他部位0.5mm；冷態(tài)下形成的鋼軌劃痕、碰傷的深度：軌頭踏面和軌底面0.4mm(高速鐵路用軌0.3mm)，鋼軌其他部位0.5mm。
在TB/T1632.1-2005的標(biāo)準(zhǔn)要求中，“焊接接頭及其附近鋼軌表面不應(yīng)有裂紋、明顯壓痕、劃傷、碰傷”，顯然高于鋼軌的表面質(zhì)量要求。
在焊接標(biāo)準(zhǔn)中的不平度要求比較低，其測量范圍只限定在焊縫兩側(cè)各100mm長度范圍，直尺與軌頭頂面間隙不大于0.2mm為合格。
1.1.7 焊接缺陷
1.外觀質(zhì)量缺陷
焊接接頭的外觀缺陷包括兩類，一類是焊接加工造成的，另一類是鋼軌外形尺寸偏差造成的。閃光焊的外觀缺陷主要是接頭錯邊（錯口）和平直度偏差。
出現(xiàn)錯邊的工位通常是發(fā)生在焊接工位。出現(xiàn)錯邊與焊工操作、焊機工況有關(guān)。焊接標(biāo)準(zhǔn)中的允許錯邊量要求≤0.5mm，主要考慮K型鋼軌移動焊機不能實現(xiàn)以工作邊為基準(zhǔn)的水平對中?；厥褂霉潭ㄊ胶笝C，均能實現(xiàn)以工作邊為基準(zhǔn)水平對中，因此錯變量須嚴(yán)格要求小于0.5mm，高速鐵路應(yīng)限制在0.2mm以內(nèi)，以減少焊頭矯直、精磨量。
推凸缺陷：推凸到焊縫另一側(cè)鋼軌表面形成的舌狀包邊，相當(dāng)于一個尖劈，出現(xiàn)應(yīng)力集中，會造成在線路上焊頭早期疲勞斷裂，這種推凸缺陷與推刀、鋼軌的外形尺寸偏差相關(guān)聯(lián)。
推凸刀熱刮傷軌頂面或軌底面，刮傷缺陷無法修復(fù)時，只能鋸切焊頭重焊。此類缺陷常發(fā)生在移動閃光焊。應(yīng)注意重焊時的溫度不要高于50℃；溫度高需要澆水冷卻時，其澆水溫度不能高于400℃。
2.內(nèi)部質(zhì)量缺陷
（1）過燒缺陷
過燒產(chǎn)生與下列因素有關(guān)：頂鍛前的鋼軌端面液態(tài)金屬層厚薄不均勻；焊接端頭的溫度梯度陡，縱向沒有足夠的塑性變形區(qū)；頂鍛時的鋼軌端面過熱熔渣未完全擠凈形成過燒組織。過燒的破壞作用相當(dāng)于多個碎裂紋存在軌底焊縫和近縫區(qū)。過燒常常出現(xiàn)在軌底和軌底上、下角位置，超聲波探傷比較容易探查出這種缺陷。
（2）裂紋
焊接裂紋分為冷裂紋和熱裂紋。焊接冷裂紋是在較低溫度形成的，通常是指在溫度低于200℃時產(chǎn)生的，又稱之為低溫裂紋。馬氏體的數(shù)量是產(chǎn)生冷裂紋（微裂紋）的重要原因；冷裂紋的產(chǎn)生還與應(yīng)力或應(yīng)變有關(guān)，凡是在拉伸應(yīng)力作用下產(chǎn)生較大拉伸應(yīng)變的部位或應(yīng)變集中部位，容易產(chǎn)生冷裂紋。
線路移動閃光焊的焊縫或熱影響區(qū)出現(xiàn)的裂紋主要是熱裂紋，其斷裂面有明顯的高溫氧化特征（黑色-藍(lán)色）。裂紋常起源于軌腰,向軌頭或軌底發(fā)展。
起裂的原因是焊接接頭在高溫狀態(tài)下（焊后或正火）受到縱向張拉力。
（3）微量馬氏體
鋼軌中馬氏體是高碳馬氏體，又稱片狀馬氏體。它與鋼軌母材中C、Mn、Si、V等元素偏析相關(guān)聯(lián)。鋼軌經(jīng)過焊接熱循環(huán)作用，這些元素偏析會加重，如果出現(xiàn)在近縫區(qū)，即使在正常的冷卻速度也會出現(xiàn)不連續(xù)的馬氏體組織。圖1是U76NbRE鋼軌焊頭出現(xiàn)的微量馬氏體金相照片，從左到右的5個維氏硬度測點分別為321HV、524HV、603HV、358HV、345HV,其中第二、三點是馬氏體硬度。進(jìn)一步用掃描電鏡分析馬氏體成分，其中Mn含量達(dá)2.14%，超過鋼軌標(biāo)準(zhǔn)1.20%的Mn含量近一倍；稀土La(鑭)的含量達(dá)1.92%、Ce(鈰)的含量達(dá)2.00%，均已大大超過鋼軌標(biāo)準(zhǔn)要求0.023%的含量。
圖1 焊縫區(qū)馬氏體組織（400×）
馬氏體如果存在軌頭位置，這些微量馬氏體伴隨的微裂紋在運營線路上就會形成危險的核傷。
（4）灰斑
灰斑是允許存在的缺陷，但是其面積大小有限制?；野咧皇浅霈F(xiàn)在焊縫面，呈現(xiàn)平的和光滑的形貌。U71Mn鋼軌焊頭焊縫端面上的灰斑是無光澤的，U75V鋼軌焊頭焊縫端面上的灰斑是光亮的。
灰斑可以出現(xiàn)在焊縫斷面任何位置，當(dāng)出現(xiàn)在軌頭時，其成分中含有的
硅酸鹽夾雜物在運營線路中會產(chǎn)生應(yīng)力集中，并以此為核心發(fā)展成縱橫向裂紋形成核傷。
3. 灰斑的形成機理及焊接工藝調(diào)整
在英國Network Rail的鋼軌焊接生產(chǎn)規(guī)范中（2003年第3版）對灰斑的定義是：flat spot(平斑)。
我國稱這種“平斑”為灰斑。灰斑雖然對屈服強度沒有明顯的影響，但使得斷裂強度有所下降；延伸率明顯減小。國內(nèi)外同行對灰斑的起因還未取得一致的看法，最早Brrett認(rèn)為是與氧化物有關(guān)的缺陷，Savage早期也傾向于這種意見，后來Savage等研究了各種參數(shù)對閃光焊質(zhì)量的影響后，認(rèn)為熔化凹坑（火口）中液態(tài)金屬成分的改變是這種缺陷產(chǎn)生的原因。頂鍛時，在較深的熔化的凹坑中，液態(tài)金屬被封閉而不能排擠出，成為一薄層，并出現(xiàn)成分不同的區(qū)域。國內(nèi)對灰斑形成的原因也有不同的看法。原西南反應(yīng)堆工程研究設(shè)計院的周邦新曾對12Cr1MoV鋼管閃光后的灰斑用電子探針對其中的夾雜物做過分析，主要成分是SiO2和MnO。對于灰斑的金相，Savage曾報導(dǎo)在碳鋼閃光焊灰斑周圍，總是有馬氏體，這可能就是因為Mn含量增加而提高了淬透性的緣故。
在閃光焊頂鍛時，熔化的金屬與氧化物一起被擠壓，并沿著垂直工件的邊緣方向流動，未被排擠干凈殘留在焊縫中的氧化物就形成了斷口上的灰斑。氧化物在頂鍛時是否容易被擠出，主要決定于擠壓量和它的流動性，流動性又取決于氧化物的溫度及成分。氧化物的成分與鋼中合金成分及含量有關(guān)。鋼的化學(xué)成分對產(chǎn)生灰斑有一定的影響。
焊接溫度高時，氧化物的流動性好，容易被擠出。因而用移相的辦法降低閃光焊的電壓時，灰斑明顯增加。因此，在鋼軌焊接的加速燒化階段通常是選擇較高的焊接電壓和較高的反饋電流。
大多數(shù)灰斑在接頭加熱溫度較低時出現(xiàn)。焊接端面的加熱溫度、頂鍛量、頂鍛加速度及鋼中合金成分等對形成灰斑有影響。提高頂鍛時的加速度，即使氧化物排擠不干凈，也可進(jìn)一步使其呈彌散分布，因而提高頂鍛加速度對
保證焊接質(zhì)量也有幫助。
沈陽鐵路局與中科院金屬所在1987年2月的“金屬學(xué)報”上發(fā)表文章，對灰斑的成分和焊接工藝的影響進(jìn)行了分析：用掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)灰斑與基體的顯微形貌截然不同，這兩種不同的斷口形貌說明灰斑與基體斷口是由不同斷裂機制引起的。
X射線能譜分析發(fā)現(xiàn)灰斑中的Si含量較基體高3～5倍；Mn含量較基體
高5～10倍；Fe的含量較基體低。在灰斑斷口上Si、Mn等元素的分布僅在灰斑中某些部位富集；并以形成含Si、Mn相的形式而富集。對于碳鋼來說，這種相一般應(yīng)為含Mn的硅酸鹽夾雜物，常見的有兩種：MnSiO3；MnAl2Si3O12。在灰斑中的夾雜物分布是不均勻的。
在加速閃光燒化階段，液態(tài)金屬層上發(fā)生的大電流密度過梁爆破，其凹坑中的液體相當(dāng)一個小熔池進(jìn)行著冶金反應(yīng)，Si、Mn、Al等比Fe活潑的元素還原FeO，并聚在灰斑區(qū)或其附近的基體部分，在組織上并無明顯的差別，在灰斑周圍也未發(fā)現(xiàn)有馬氏體，這與Savage的結(jié)果并不一致。
閃光焊接加速燒化過程中，雖然焊接端面存在有保護(hù)氣氛，但并不意味著焊接端面絕對不可能出現(xiàn)有氧化之處，Гельман等人曾測定過閃光端面保護(hù)氣氛的化學(xué)成分，發(fā)現(xiàn)這種氣氛中含有少量O2(<2%)和大量CO、CO2氣體，
這種少量O2仍然可以使焊接端面的熔化金屬發(fā)生氧化，尤其是液態(tài)高溫金屬的溶氧能力強，更容易被氧化。因此，加速燒化速度過慢也會出現(xiàn)灰斑。
在2004年的全路鋼軌焊接及熱處理學(xué)術(shù)交流會上，一部分文章對灰斑也進(jìn)行了分析：采用軟規(guī)范的焊接工藝參數(shù)，使焊頭有較緩的溫度梯度，端面
有較高的溫度，可以減少灰斑出現(xiàn)的幾率。對于脈動焊接而言，要特別關(guān)注加速閃光燒化階段的脈沖電流值，尤其是頂鍛前出現(xiàn)的脈沖電流大小，當(dāng)電流大于600A時極易出現(xiàn)灰斑缺陷。
頂鍛量、頂鍛力過大時可能導(dǎo)致焊縫面上的灰斑面積增大。依靠加大頂鍛量來擠出灰斑是有條件的，當(dāng)灰斑以小面積（或點狀露頭灰斑）出現(xiàn)在斷面邊緣時是有可能通過大頂鍛量（主要是合縫量）擠出。其他位置的灰斑是不可能被擠出的。加大帶電頂鍛時間也有利于斷面邊緣灰斑的擠出。
我們所見到的灰斑大部分在軌腰以下部位，尤其多見于軌底腳部位。在加速閃光前后時段，熔化的金屬聚集在一起掛在軌底和軌腳，激烈的閃光使得這些高溫液態(tài)聚集塊被崩落，形成火口。由于軌底腳散熱快，其火口很難在頂鍛前再形成一定厚度的液態(tài)金屬膜，最終形成露頭灰斑。
焊前鋼軌端面的垂直度偏差較大，而且閃光燒化量較小時，也可能造成灰斑缺陷。
1.2 鋼軌標(biāo)準(zhǔn)
鋼軌的作用是直接承受車輪傳遞的列車及其荷載的重量，并引導(dǎo)列車的運行方向。以編組60輛60噸敞車的車列為例，其載重加自重就有5000噸左右，更不用說那些萬噸甚至十幾萬噸的重載列車。如此巨大的壓力首先就落在鋼軌的雙肩上，可見鋼軌必須具備足夠的強度、穩(wěn)定性和耐磨性。怎樣的形狀才能使鋼軌能夠肩負(fù)重任呢？在人們長年孜孜不倦地研究和探索中，終于確定了現(xiàn)在人們見到的工字形斷面。鋼軌斷面的工字形，由軌頭、軌腰、軌底三大部份組成。這個看似簡單的工字，受力好、省材料，具有最佳抗彎性能。鋼軌的類型和強度以kg/m來表示。每米鋼軌的質(zhì)量越重，它所承受的荷載越大。世界上第一條鐵路的鋼軌為18kg/m，最重的鋼軌在美國，重達(dá)77kg/m。我國現(xiàn)行的鋼軌標(biāo)準(zhǔn)有50kg/m、60kg/m、75kg/m三種。為了提高線路的通過能力，我國鐵路正逐步淘汰小重量鋼軌，主要線路一般鋪設(shè)60kg/m或75kg/m的重型鋼軌。 從理論上講，鋼軌的長度越長越好，既減少了接頭的沖擊和磨損，又減輕了鋪設(shè)的勞動強度。然而，由于生產(chǎn)制造和運輸?shù)闹萍s，我國目前的鋼軌標(biāo)準(zhǔn)長度只有12.5m和25m兩種。不過，鐵路員工采取了在施工現(xiàn)場把標(biāo)準(zhǔn)長度鋼軌焊接成長鋼軌和“無縫”鋼軌的方法，減少接頭，使線路更加平順。當(dāng)然，這是另外一個話題，參見“無縫線路”。鋼軌類型、材料
1、 輕軌。型號：6kg／m，8kg／m，12kg／m，15kg／m，18kg／m，22kg／m，24kg／m， 30kg／m 材質(zhì) Q235B 55Q 2、重軌。型號：38kg／m，43kg／m，50kg／m，60kg／m 材質(zhì) U71Mn 50Mn 3、吊車軌型號：QV70，QV80，QV100，QV120 材質(zhì) U71Mn 4、日本、韓國標(biāo)準(zhǔn)軌道型號：37A 50N CR73 材質(zhì) U71Mn 5、英國標(biāo)準(zhǔn)軌道：型號 BS75R BS80A BS113A 材質(zhì) U71Mn 6、各種軌道接頭夾板、軌距擋板、魚尾螺栓等鋼軌配件。
1.2.1 50軌
2 移動式焊軌機零件設(shè)計
2.1移動式焊軌機作業(yè)誤差
2.1.1 焊接誤差
（1） 焊接前檢查焊機， 應(yīng)確認(rèn)焊機狀態(tài)正常。
（2） 焊接前查看設(shè)備運轉(zhuǎn)記錄、焊接記錄、焊接程序號及除銹質(zhì)量， 確認(rèn)無誤后方可焊接。
（3） 氣溫低于0 ℃時， 不宜進(jìn)行工地焊接； 刮風(fēng)、下雨時應(yīng)采取防風(fēng)、防雨措施； 中雨、大雨與風(fēng)力大于4 級時不進(jìn)行焊軌作業(yè)。
（4） 氣溫低于10 ℃時， 焊接前應(yīng)用火焰預(yù)熱軌端0．5 m長度范圍， 預(yù)熱應(yīng)均勻， 鋼軌表面預(yù)熱升溫為30~50 ℃。
（5） 在對軌過程中， 注意必須以軌頂與工作邊為基準(zhǔn)， 軌頂與工作邊錯位偏差不應(yīng)大于0．2 mm， 軌底邊緣錯位偏差不應(yīng)大于1 mm。
（6） 不得將焊渣擠入母材， 焊渣不得劃傷母材。
（7） 每焊一個接頭， 焊接作業(yè)人員應(yīng)清除焊機上飛濺焊渣、擦式電極、檢查接頭表面質(zhì)量、推凸質(zhì)量、接頭錯邊量、焊接記錄曲線、完成接頭標(biāo)識， 填寫焊接記錄。
（8） 檢查接頭表面無裂紋， 推凸過程中沒有損傷母材， 推凸余量： 軌頭、軌底不大于1 mm， 軌腰不應(yīng)大于2 mm。
（9） 在未打磨的情況下檢查接頭錯邊量： 接頭軌頂錯邊量不大于0．2 mm， 工作邊錯邊量不大于0．2 mm， 軌腳邊緣水平方向錯邊量不大于1 mm， 接頭錯邊超標(biāo)的焊頭應(yīng)切掉重新焊接。
（10） 焊機電極與鋼軌接觸處應(yīng)無電極灼傷， 出現(xiàn)灼傷的焊頭應(yīng)判為不合格， 鋸切重新焊接； 出現(xiàn)電極灼傷應(yīng)檢查電極表面， 用砂輪打磨電極表面或更換電極。
（11） 焊接記錄曲線出現(xiàn)報警或異常時進(jìn)行分析， 對可能影響接頭質(zhì)量的應(yīng)切掉重新焊
2.1.2 打磨誤差
（1） 粗磨后的表面應(yīng)平整、光潔， 與母材過度圓滑， 軌腳邊緣上下棱角應(yīng)倒成圓弧， 嚴(yán)禁損傷鋼軌母材及打虧接頭。
（2） 打磨時應(yīng)沿鋼軌方向縱向打磨， 砂輪不應(yīng)在鋼軌上劇烈跳動， 不應(yīng)沖擊鋼軌， 鋼軌打磨表面不應(yīng)出現(xiàn)打磨灼傷。
（3） 對推凸余量超標(biāo)的個別焊頭， 可以采用粗打磨方式打磨平整， 推凸余量連續(xù)超標(biāo)時， 通知焊接工位人員調(diào)整或更換推凸刀。
（4） 精磨前確認(rèn)焊接接頭經(jīng)過矯直， 推凸合格， 接頭錯邊量不超標(biāo)， 接頭溫度應(yīng)低于50 ℃。
（5） 精磨后應(yīng)保持軌頭輪廓形狀， 不應(yīng)使焊接接頭或鋼軌產(chǎn)生任何機械損傷或熱損傷， 精磨長度不應(yīng)超過焊縫中心線兩側(cè)各450 mm 限度。
（6） 精磨后接頭平直度應(yīng)滿足： 以焊縫為中心1 m 范圍內(nèi)， 軌頂面的平直度為0～0．2 mm； 軌頭側(cè)面工作邊的平直度為0～－0．2 mm （凹進(jìn)）。
2.1.2 正火誤差
（1） 正火必須采用型式試驗通過的正火工藝參數(shù)進(jìn)行正火， 正火前接頭溫度應(yīng)低于500 ℃ （軌頭表面）。
（2） 正火時注意火孔是否堵塞， 調(diào)節(jié)火孔與鋼軌的距離保證均勻加熱。
（3） 加熱溫度為850~950 ℃， 軌頂表面加熱溫度不應(yīng)高于950 ℃， 軌底加熱溫度不應(yīng)低于850 ℃。
2.1.3 正火誤差
（1）矯直前測量接頭原始平直度， 接頭溫度應(yīng)低于400℃。
（2） 矯直后接頭的平直度要求： 以焊縫為中心1 m 范圍內(nèi)， 軌頂面平直度為0．1~0．5 mm （不計推凸余量）； 軌頭工作邊平直度為0~0．2 mm （不計推凸余量）。
（3） 不應(yīng)采用矯直的方法糾正接頭錯邊。
2.1.4 技術(shù)要求
（1）焊軌機的頂鍛力不低于1200KN，焊軌機能夠?qū)崿F(xiàn)自動對中，阻止工件打滑的功能。
（2）其最大夾緊力不低于2900KN。
（3）夾緊裝置行程不低于140mm。
（2）兩機座導(dǎo)柱孔平行度公差±O．07mm，導(dǎo)柱與機座平面垂直度公差0．3mm／100mm．
（3）兩機座導(dǎo)柱孔中心線與斜鐵槽中心線應(yīng)在同一平面內(nèi)，公差±0．15mm
（4）兩油缸應(yīng)同步，其不同步性允差<0．20mm。
（5）兩機座四個軌底螺栓孔軸線應(yīng)在同一平面內(nèi)公差
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