科普|“恒位移质量控制方法”的钢轨气压焊成套工艺

气压焊是一种利用化学能加热，并经过焊口合缝、保压加热（焊机动端保持不动）、机械能顶锻挤压变形的复合作用，完成待焊端面之间的冶金连接的固相塑性焊接方法。

钢轨气压焊是我国无缝铁路建设中一种用于现场钢轨焊接的主要方法，采用燃气与氧气混合燃烧的方式，对钢轨端面进行加热，之后进行顶锻、推凸、正火冷却，完成钢轨焊接。在钢轨气压焊接的各个过程中，焊接温度与顶锻时的挤压变形是决定气压焊接接头质量的关键因素。

数控式钢轨气压焊机焊接细节

让我们来看看传统与现代气压焊工艺发展历程

1. 原始工艺是两段压力法，即整个焊接工艺过程始终以压力为控制目标，焊接加热过程中以约10MPa以下的小恒定压力持续加热（其热膨胀位移量是自由态不受控的），达到顶锻温度时，再施加大顶锻力（由设备能力提供）快速挤压顶锻变形；因此叫两段压力法。

2. 改进工艺，传统称三段压力法，实质是将原来的加热过程压力控制分为了先高后低两段压力控制，其好处是可减少钢轨加热区鼓包变粗和纵向位移量，使工艺更加合理。

三段顶锻法气压焊接钢筋的工艺示图

3. 数控式气压焊采用恒位移质量控制工艺，即焊接过程中以钢轨纵向位移始终保持不动为控制目标。待焊端面上的压力是这样自由变化的规律：初始阶段保压压力随温度升高而升高（热膨胀带来的效果），当达到与钢轨热-力平衡时（热塑性特性曲线）出现保压压力峰值，随后随加热温度升高而逐渐降低，顶锻后锁住位移，推凸过程可靠实现保压，其后的焊后风冷、正火加热、强制风冷整个过程都是一样。（见下图红框内为焊接单个流程，四个阶段四个恒位移流程。）

恒位移质量控制过程的接头曲线（焊接、热处理全过程）

只有这样的工艺过程才能可靠保证焊头内部交互结晶充分，同时确保焊头不受线路反向应力作用而发生损伤，并且能精准控制锁定轨温.从世界首台YHGQ-1200型移动式气压焊轨车面世以来，该种现代先进的焊轨装备上一直配套采用这种“恒位移质量控制方法”。该方法由西南交通大学材料科学与工程学院戴虹教授领军的团队研制，并设计制造了拥有我国独立自主知识产权的数控式气压焊机。

GPW-1200型气压焊轨机

那么该工艺都有哪些特点呢？

特点一：温度的准确控制。一次夹持，自动完成拉轨合缝后，保持位移不变，进行焊接--保压推凸--保压正火--保压强制风冷至300℃以下后松开的恒位移控制复合作业先进工艺，可确保焊头内部无缺陷、质量与母材媲美。

恒位移控制气压焊轨工艺的60kg/m钢轨气压焊加热等效温度与加热时间的关系

特点二： 对顶锻压力的控制实现顶锻量的精确控制，在焊轨修复作业可精准恢复锁定轨温，不需要再进行二次应力放散。保证质量的同时提高生产效率，节约了天窗使用时间。

精准恢复锁定轨温

特点三： 智能运维，可追溯的信息化质量控制。“恒位移质量控制方法”的气压焊轨成套工艺焊轨过程可追溯，可采用查看接头工艺记录表和接头统计报表追溯焊轨实际工况和参数情况。

特点四：作业人员操作简单方便，改进了传统的小型气压焊对人为操作的依赖程度。

焊接操作人员正在操作控制面板进行焊接作业

作为拥有我国独立自主知识产权的气压焊轨车的焊接控制方法，“恒位移质量控制方法”在2010年获取了我国发明专利。该项专利技术核心在于：以机械自动化方式，最大限度解决工地焊轨工况应力状态复杂、自然条件恶劣带来的钢轨内应力骤变等瓶颈问题，形成了整套工序全流程一体化集成，适用线路锁定设计轨温条件应力水平要求。