1概述
钢轨是铁路不可或缺的组成部分，其性能直接关系到铁路的安全性。为提高铁路的运输效率，铁路行业积极推进客运铁路的高速化和货运铁路的重型化。在此情况下，钢轨的使用环境也随之变得更加严酷，开发了性能更高的钢轨。
另一方面，钢轨接头平面的高低会使列车通过时受到冲击，影响列车行驶的稳定性。为减小这种冲击，因此世界上正在采用焊接方法使轨道连接起来的长轨铺设技术。
另外，对焊接部质量的要求因铁路类型的不同而不同。客运铁路为保证列车行驶的稳定性，提高乘客乘坐的舒适性，因此要求钢轨的焊接部与车轮接触的滑动面要具有很高的平直性。货运铁路要承载车轮的高强负荷，因此要求钢轨焊接部形成的焊接热影响区的耐磨损性、表面抗损伤性和轨腰及轨底的抗疲劳损伤性要好。
本文就作为钢轨焊接方法发展起来的4种焊接方法、国外货运铁路日益突出的焊接质量课题及其改进研究和新型焊接机进行介绍。
2钢轨的焊接方法
首先，按照钢轨的焊接到轨道铺设的顺序进行介绍。接着，就焊接现场使用的4种钢轨焊接方法的特征、原理、施工时间、装置、材质及其最近的技术发展趋势进行介绍。
2.1钢轨的焊接及其铺设
日本钢轨种类多，根据铺设的位置选择不同的钢轨。日本国内铁路用钢轨，在直线区间主要使用普通钢轨，在急弯曲线区间主要使用高硬度的热处理钢轨。除此之外，在海外作为货运铁路用钢轨，还有的是使用硬度和C含量高、含有可进一步提高耐磨性的过共析成分的热处理钢轨。
从钢轨由钢铁生产公司向铁路公司交货到在轨道上的铺设的顺序如下，成品钢轨的长度一般是25m，先在铁路公司的工厂采用焊接法将钢轨连接成200-800m的长度，然后用钢轨专用货车运送到铺设现场，再通过现场焊接连接起来。在海外的货运铁路很多是在铺设线路上直接进行现场焊接。日本国内的现场焊接是先在铺设现场的线路支路或岔线将钢轨焊接至最终的长度，然后在更换钢轨之后，在铺设线路上对分歧钢轨等进行最终焊接。最终的钢轨焊接长度因铁路公司的不同而不同，一般在1000m以上。
在海外，工厂焊接是采用闪光对焊，现场焊接是采用铝热焊或采用可移动的闪光对焊。在日本国内，工厂焊接是采用闪光对焊和气压焊，现场焊接是采用气压焊、铝热焊和强制成形电弧焊。
2.2钢轨的焊接方法及其特征
2.2.1闪光对焊
1）特征
闪光对焊在世界上被普遍采用，其特征是焊接完全自动化，焊接的质量和效率都很高。工厂闪光对焊机要配备大容量变压器和大型液压装置，在海外小型轻便式可移动式闪光对焊机也已被普遍采用。
2）原理
闪光对焊的原理是在被对接的钢轨端面之间施加电压，用局部接触产生的电弧放电对钢轨端面不断进行加热、熔融，在整个对接面完全熔融状态下，对对接的钢轨进行加压焊接的焊接法。焊接工艺由预热工序、电弧放电工序、顶锻工序和修磨工序构成。
预热工序：工厂闪光对焊机使用的是大容量变压器，在使整个钢轨端面短路之后，通过电极使大电流流到钢轨端面。结果，焊接部的温度升高，在其后的电弧放电工序中可以缩短焊接端面达到完全熔融状态的时间。
电弧放电工序：一面在钢轨端面之间施加电压，一面以规定的速度使钢轨靠近，在钢轨端面之间反复进行局部的电弧放电，同时对钢轨端面进行熔融、加热。钢轨熔融后产生的熔滴会因电磁力的作用而流到外部。由于热传导是向钢轨纵向进行的，因此焊接部周围会被加热到高温。要在估计好整个端面熔融的时间后进行顶锻。钢轨端面的靠近速度为0.1-2.5mm/s，两侧钢轨的熔融长度为10-20mm。采用移动式闪光对焊时无需进行预热，因此为使端面完全熔融，电弧放电的时间要设定长一些。另外，预热工序和电弧放电工序的轮换有时是先进行预热工序，再进行电弧放电工序，有时是将电弧放电工序分为前段和后段，在两段电弧放电工序之间实施预热工序。
顶锻工序：在钢轨端面之间施加压力，使钢轨被压力焊接起来。钢水被挤到外部，在加热到高温的端面周围会产生塑性变形鼓起。加压的面压为70MPa左右。如果是JIS60钢轨，载荷为500-600kN。顶锻后，钢轨的长度会缩短15-25mm。
修整工序：采用装有液压驱动装置的移动式切割刀，在热态下将焊接部产生的鼓起部分清除。
3）施工时间
焊接时间为1.5-4min。
4）装置
焊接装置由变压器和电源、加压装置及液压切割装置构成。如果从电压波形来区分焊接机，可分为交流电焊机和装有整流回路的直流电焊机。近年来导入的工厂闪光对焊机以直流电机为主，移动式闪光对焊机以交流电机为主。在交流电弧焊时，在正负电压替换期间会停止放电，而在直流电弧焊时，通常可以进行电弧放电，因此可以认为直流电弧焊的电弧放电的稳定性高。直流电机需要整流回路，因此装置难以小型化，难以应用于移动式闪光对焊机。
另外，变压器容量小的工厂闪光对焊机和移动式闪光对焊机由于能进行有效加热，因此还有的焊机采用了交流脉冲式闪光对焊机，它能在端面反复进行短周期的短路和电弧放电。
5）材质
热处理钢轨焊接部纵向的断面宏观组织示于图1。钢轨纵向的硬度分布示于图2。
宏观组织：宏观组织可分为焊接部在焊接中完全被加热到奥氏体温度区域和在焊接部两侧被加热到A1点以上的双相区域。将两个区域合在一起称为“热影响区”。HAZ的宽度为30-45mm。
硬度分布：母材的硬度为HV390左右，而焊接中心附近的硬度比母材低20HV左右。为获得与母材相同的硬度，铁路公司根据钢轨的种类采取了对焊接部吹压缩空气的快速冷却办法。另外，HAZ两端的硬度下降区可称为“软化部”。
6）最近的技术动向
轨道的分歧部在列车通过时会受到车轮的强冲击，因此要使用耐冲击性好的材料。分歧部的关键是道叉，道叉常使用高锰奥氏体铸钢。该材料难以与钢轨焊接。作为其对策，可以采用闪光对焊，一旦将锰道叉和不锈钢焊接起来，再在不锈钢上焊接钢轨。该技术已应用于实际。
另外，在海外进行了在维修焊接时使用闪光对焊的试验。通常，在钢轨或焊接部出现某种损伤时，要将含损伤部在内的数米长的钢轨更换，然后将两端与已铺设的钢轨焊接。为缩短维修时间，开发了不更换整根损伤钢轨，而是在损伤钢轨头部表面挖个V字形状除去，然后从上方嵌入相应形状的钢材进行闪光对焊。这种维修方法可以大幅度缩短维修时间。
2.2.2气压焊
1）特征
气压焊是利用气体火焰加热钢轨的压力焊接法，它作为一种可靠性高的钢轨焊接方法，在日本国内已作为工厂和现场的焊接方法广泛采用。由焊接工进行加热操作，其操作要求要熟练。
2）原理
气压焊是一种一面对对接的钢轨端面进行加压，一面用气体对焊接部周围进行加热的加压焊接法。焊接工序由加压和加热、加压焊接、焊帽修整构成。接合面的密封性会影响焊接质量，因此焊接前要用专用的研磨机对焊接端面进行研磨。
加压和加热工序：一面对钢轨端面进行加压，一面加热。加热气体为乙炔气体，由焊接工以手动方式进行加热操作。以端面为中心，其周围会被加热到高温，最终端面周围的表面温度达1200-1300℃。端面的表面压在整个加压和加热工序中一般保持在20-30MPa。如果是JIS60钢轨，载荷为180kN左右。
加压焊接工序：被加热钢轨的端面周围会因塑性变形而沿纵向收缩，同时断面积会扩大。在该工序中，钢轨端面被加压焊接。钢轨的长度会因加压焊接而收缩20-40mm左右。
修整工序：采用装有液压驱动装置的移动式切割刀，在热态下将加压焊接时产生的鼓起部分清除。
3）施工时间
焊接时间因钢轨断面形状的不同而不同。如果是JIS60钢轨，其焊接时间为6-7min。
4）装置
装置由气体加热装置、加压装置、液压切割装置构成。为使这些装置便于搬入搬出线路支路和岔线，开发了将这些装置小型化的气压焊接机。
5）材质
对热处理钢轨焊接部纵向断面的宏观组织进行了观察。另外，对钢轨纵向硬度分布进行了测定。
宏观组织：气压焊的HAZ宽度在100mm左右，比闪光对焊的HAZ的宽度更宽。由于气压焊使用的是加热能小的燃烧气体，因此加热时间长。另一方面，由于闪光对焊使用的是电能，因此加热时间短。因此，采用气压焊时从焊接部向钢轨母材传导的热量比采用闪光对焊的大，HAZ宽度会变宽。
硬度分布：母材硬度为HV390左右，而在焊接时HAZ的硬度为HV360左右。另外，由于HAZ大，因此软化部的范围也大。在使用热处理钢轨的情况下，为获得与钢轨母材相同的硬度，要对奥氏体区域进行再加热，可以采用压缩空气进行快速冷却的方法。
6）最近的技术动向
在加热和加压工序中当接合面的密封状态差时，有时会发生氧化物之类的焊接缺陷。为研究防止措施，详细研究了缺陷发生的过程。另外，为减少CO2气体，研究了使用氢作为加热气体的压力焊接法。
2.2.3铝热焊
1）特征
铝热焊设备装简单、可移动性高、不需要熟练的焊接技能。另外，与闪光对焊和气压焊等压力焊接法不同，由于焊接的钢轨长度没有发生变化，因此它作为钢轨铺设最终工序中的现场焊接方法在世界上得到广泛采用。采用闪光对焊或气压焊时，需要清除焊接部周围鼓起的部分，而采用铝热焊时，除头部外可以在带有鼓起部分的状态下使用。
2）原理
铝热焊的焊接原理是把氧化铁和金属铝化学反应生成的钢水注入焊接部对钢轨进行焊接的方法。焊接顺序为铝热剂反应、钢水的注入及凝固、焊帽的修整。
在焊接前要使对接的两根钢轨的端面间距保持在大约25mm的I型坡口，然后用铸型把该坡口部围起来。铸型使用硅砂做的砂型。另外，为防止砂型或钢轨粘附水产生气泡，确保焊接面的熔融，可以使用丙烷-氧气等进行预热。
铝热剂反应：铝热剂反应是使用一种被称作铝热焊剂的粉末混合物进行反应。铝热焊剂除了使用氧化铁和金属铝进行反应外，还添加了锰铁等合金，使焊接金属部的组成接近钢轨。先把铝热焊剂注入到安装在铸型上部的坩埚，然后用烟火状点火材点火开始反应，反应时间为15-30s。作为生成物的钢水和熔渣会因反应热而达到2000℃以上的熔融状态，由于钢水和熔渣的比重差作用，因此钢水和熔渣在坩埚内会上下分离。铝热反应是利用铝进行氧化铁的还原反应，可以用式和式表示。
Fe2O3+2Al→Al2O3+2Fe
3FeO+2Al→Al2O3+3Fe
钢水的注入及凝固工序：反应生成的钢水被注入焊接部。坩埚底部的填充物会因反应物的热而发生熔融，由此能进行自动注入。由于钢水的注入，钢轨端面会发生熔融。注入的钢水和熔融的钢轨面凝固可以使两侧的钢轨焊接起来。从钢水的注入到钢水的凝固需要大约4min。另外，为防止发生被称作凝固裂纹的焊接缺陷，要考虑避免钢轨产生移动。
修整工序：采用液压式切割刀，将头部的剩余金属清除掉。
3）施工时间
焊接所需的时间大约30min。
4）装置
装置由预热烧嘴、反应坩埚、铸型和液压切割装置构成。这些装置都是小型机械装置，容易搬入铺设线路内。
5）材质
对热处理钢轨焊接部纵向断面的宏观组织进行了观察。另外，对钢轨纵向的硬度分布进行了测定。
宏观组织：由于钢轨和焊接金属的化学成分基本相同，因此焊接金属和HAZ的临界线不明确。焊接金属的头顶部宽度为70mm左右，HAZ的单侧宽度为20mm左右。
硬度分布：母材硬度为HV390左右，而焊接后的HAZ硬度低，为HV300左右。另外，HAZ的两端存在着软化部。在焊接高强度热处理钢轨时，为使焊接金属部的硬度与母材的硬度相同，要在焊接状态下对焊接金属部的奥氏体区进行再加热，并使用压缩空气进行快速冷却。铝热焊钢轨的纵向硬度分布见图3。
6）最近的技术动向
为省略对热处理钢轨的再加热和快速冷却操作，对铝热焊剂的成分进行了调整，以便使焊接金属在焊接状态下能获得与钢轨相同的硬度。由此可以缩短焊接施工时间。
另外，与闪光对焊一样，研究了在修补焊接时采用铝热焊的方法。被称作宽间距的铝热焊的修补焊接法已在国内外应用。该焊接法是先把大约75mm长的损伤部位切割掉，然后用宽铸型将该损伤部位围起来进行铝热焊。另外，海外还研究了一种修补焊接技术，即在钢轨头部将表面损伤产生的部分按照U型切割掉，然后把铝热剂反应生成的钢水注入进行修补焊接的方法。
2.2.4强制成形电弧焊
1）特征
强制成形电弧焊是日本东海道新干线建设时开发的具有日本特色的现场焊接法，它是一种需要高技能的涂药电焊法。与铝热焊一样，它是一种焊接长度不会因焊接而发生变化的熔融焊接法。它具有焊接设备简单、可移动性高的优点，因此可以应用于新干线的现场焊接和分歧器周围等作业空间狭小的现场焊接。它能对从轨腰到轨头被铜极靴和钢轨端面包围的狭小空间进行焊接，因此称为强制成形电弧焊。
2）原理
图4示出焊接原理。焊接施工由根部焊接、多道焊接、从腰部到顶部的连续焊接和顶部的多道焊接构成。在两根钢轨端面留下17mm左右的I型坡口，焊接前为防止发生低温裂纹，要对轨底部进行500℃的预热。
轨底部的多道焊接工序：使用铜极靴对第一层的根部进行焊接，接着对整个轨底部进行多道焊接。焊接层的叠加方法为一层一焊道，每层要清除熔渣。
从轨腰部到轨头部的连续焊接工序：把水冷铜模装在坡口的侧面，焊接无需一面更换焊条，一面清除熔渣。
对于普通钢轨的焊接可以使用800-1000MPa级的焊条。这种焊条含C量低，因此焊接金属组织为贝氏体组织。为提高高强度钢轨焊接金属部的耐磨性，新日铁住金公司开发了以焊接金属组织为珠光体的高C焊条，并应用于日本国内。
3）施工时间
焊接时间因钢轨断面形状的不同而不同。如果是JIS60钢轨，焊接时间需要60分钟以上。多层焊接、连续焊接需要更长的时间，预热和焊接道次之间的温度管理，以及多道焊接时的焊道间的熔渣清除等是造成施工时间增加的主要原因。
4）装置
作为焊接设备材料，使用了预热烧嘴、引擎焊机、铜极靴。
5）材质
对热处理钢轨使用高C焊条焊接后焊接部的断面宏观组织进行了观察。对沿钢轨纵向的硬度分布进行了测定。另外，为提高焊接头的质量，对奥氏体区域进行了再加热，对钢轨头部进行了快速冷却。
宏观组织：焊接金属的宽度在20mm左右，单侧的HAZ宽度在50mm左右。照片中所看到的HAZ是再加热产生的。
硬度分布：母材的硬度为HV390，而焊接金属的硬度即使在焊接状态下也基本接近母材的硬度。在实施再加热和快速冷却的情况下，焊接金属及HAZ部的硬度变得更加均匀。另外，在焊接后靠近焊接金属的地方存在软化部。另一方面，经再加热和快速冷却的钢轨，在距离焊接中心的位置中存在着软化部。
6）最近的技术动向
最近的焊接课题是焊接时间长达60min以上。为缩短焊接时间，开发了半自动焊接技术，它能将焊接时间缩短至30min。
2.3焊接法的比较
各种钢轨焊接方法的技术比较和焊接施工效果如下。
4种焊接法的焊接时间、焊接装置的初期投资、装置的可移动性、是否需要熟练技术和焊接质量示于表1。
焊接时间：闪光对焊的焊接时间最短，其次是气压焊、铝热焊、强制成形电弧焊。强制成形电弧焊难以在大都市近郊采用，因为作为保证焊接铁路线作业可以利用的列车经过的间歇时间短只有4-5h。
焊接装置的初期投资：闪光对焊的初期投资最大，它需要大容量的变压器和大型液压装置。气压焊由于将加热源变为气体，因此初期投资比闪光对焊的低。铝热焊由于只需对焊接头部进行修整，因此液压装置小、初期投资低。另外，强制成形电弧焊虽然需要引擎焊机，但无需修整操作，不需要液压装置，因此初期投资低。
焊接装置的可移动性：闪光对焊和气压焊需要配备大型的加压装置等，因此焊接装置的可移动性差。因此，如前所述进行了小型化试验研究。另一方面，铝热焊和强制成形电弧焊的焊接装置简单，可移动性好。尤其是，强制成形电弧焊的优点是在焊接周围使用的器材只有铜极靴而已，因此即使在分歧器周围的钢轨间隔狭小的空间内也能进行焊接施工。
焊接技能：闪光对焊是一种完全自动化焊接方法，因此没有焊接技能要求。另外，铝热焊的操作简单，因此没有熟练技能要求。一方面，气压焊的加热操作要求要有熟练的技能。另外，强制成形电弧焊要求要有相当熟练的电弧焊接技能。
焊接质量：铝热焊和强制成形电弧焊是熔融焊接法，要想完全避免焊接金属中的微量气泡和熔渣等焊接缺陷是很困难的。另一方面，闪光对焊和气压焊不以焊接金属为介质，而是直接将两根钢轨母材进行压力焊接的方法，因此不容易产生焊接缺陷。闪光对焊和气压焊的折损率比铝热焊和强制成形电弧焊的低。
如上所述，虽然闪光对焊的装置大、初期投资大、可移动性差，但焊接时间短，不需要熟练的焊接技能，焊接部的焊接质量高，因此它作为工厂焊接法在世界上被采用。气压焊的焊接质量高，闪光对焊次之，且焊接时间短。另外，气压焊的初期投资比闪光对焊的低，因此在日本国内普遍采用。铝热焊的焊接时间虽然长，但初期投资低，设备重量轻，可移动性好，焊接操作技术容易掌握，因此作为现场焊接法在世界广泛采用。强制成形电弧焊的焊接时间长，需要熟练的焊接技能，但焊接装置简单、可移动性好，尤其是焊接周围部使用的器材少，因此它可有效用于焊接作业空间狭小的分歧器周围的现场焊接。
气压焊和强制成形电弧焊在海外并没有普及。这是因为这两种焊接法需要熟练的技能，掌握焊接方法需要时间，且焊接时间比闪光对焊和铝热焊更长的缘故。
作为参考，以下对各种焊接法的采用比率进行了说明。如前所述，在海外采用闪光对焊作为工厂焊接法，采用铝热焊作为现场焊接法。闪光对焊采用的比率取决于工厂焊接时的焊接长度。例如，焊接长度在200m时，采用闪光对焊的比率达87.5%，采用铝热焊的比率为12.5%。越来越多的货运铁路公司正在用焊接质量高的可移动式闪光对焊取代铝热焊。
另一方面，日本国内4种焊接方法的施工情况示于表2。在日本国内采用最多的是铝热焊，其次是气压焊、闪光对焊、强制成形电弧焊。气压焊的使用比率比闪光对焊更高，这是因为气压焊的焊接时间与闪光对焊的一样短，采用较低的投资就可获得高质量的焊接部的缘故。
3海外货运铁路的焊接课题及今后的研究
本章节就海外货运铁路重型化后现出越来越多的焊接部损伤的例子进行阐述。另外，为提高焊接部的可靠性，对新日铁住金公司最新引进的闪光对焊机进行了介绍。
3.1焊接部的课题
海外的货运铁路为提高运输效率，不断推进货运铁路的重型化建设。结果，钢轨的使用环境越来越严酷，钢轨的焊接部频繁出现了损伤。图5示出海外货运铁路中的闪光对焊部和铝热焊部发生的焊接剥离导致钢轨表面损伤及疲劳损伤的例子。
剥离后的表面损伤：不论是闪光对焊还是铝热焊，发生焊接剥离后的表面损伤的位置都是与钢轨纵向对称的焊接中心线，与图2和图3所示的硬度最低的范围基本一致。由此可以认为硬度下降是导致焊接剥离后表面损伤的原因。
疲劳损伤：闪光对焊的轨腰部的疲劳损伤是以焊接时的修整工序中被清除的焊帽的端部为起点沿水平方向发生的。轨腰部的上下方向存在着很大的抗拉残留应力，据说它会影响龟裂的发生。另外，轨底部的疲劳损伤以焊道端部为发生起点。在列车通过时弯曲应力会作用于钢轨底部，在焊帽清除时的形状不良部会产生应力集中。可以认为这些是造成疲劳损伤的原因。铝热焊接时，从焊帽端部会产生疲劳龟裂。铝热焊时由于焊帽的断面变化大，因此可以认为其端部的应力集中是造成疲劳损伤的原因。
3.2新型闪光对焊机的引进及今后的研究
如前章所述，在海外的货运铁路中使用率最高的焊接方法是闪光对焊。闪光对焊的焊接部不存在焊接金属，因此焊接质量会影响母材的性能。为此，新日铁住金公司研究了将闪光对焊焊接部的可靠性提高到与母材相同的焊接技术。作为研究的一部分，最新引进了在铁路公司所有的焊接机中焊接设备能力最大的工厂用闪光对焊机。由于新焊接机的变压器容量大，因此预热工序中可以采用大电流进行焊接。另外，即使在顶锻载荷大，今后钢轨断面积会增大的情况下，也可以采用该焊接机。而且，它还能简单改变焊接条件。今后要进一步利用该焊接机，提高焊接部的可靠性。
4结束语
焊接是钢轨铺设中必不可少的技术。焊接方法有4种，在海外采用的有闪光对焊和铝热焊。在日本国内，除了采用上述两种焊接法外，还采用了气压焊和强制成形电弧焊。
在海外货运铁路中，随着铁路的重型化，焊接部的使用环境比日本更加严酷，因此有时会发生表面损伤和疲劳损伤。新日铁住金公司着眼于闪光对焊焊接部的质量，最新引进了在铁路公司所有的各种焊接机中焊接设备能力最大的工厂用闪光对焊机。今后要进一步利用该焊接机，提高焊接部的可靠性。
< 完 >
