无缝线路是高速、重载轨道结构的最优选择,钢轨焊接是铺设和维护无缝线路的关键技术。而目前钢轨现场原位焊接头质量偏低是制约我国无缝线路整体质量提高的最薄弱环节,因此开发一种能提高钢轨原位焊接头质量的新的焊接方法对钢轨原位焊接技术的提高具有重要的意义。焊剂片约束电弧超窄间隙焊接具有焊接线能量低,接头质量好、焊接效率高、适合厚大件的焊接等优点。本文提出采用焊剂片约束电弧超窄间隙焊接方法对钢轨进行原位焊接,首先研制了一套能够实现钢轨超窄间隙焊接的试验装置,然后针对焊剂片约束电弧超窄间隙焊接过程中熔池的形成控制以及熔池凝固时热裂纹的形成机理及抑制措施进行深入研究,结合上述研究结果进行钢轨超窄间隙焊接工艺试验,对焊接变形控制及工艺参数制定展开了系统研究,最终对钢轨超窄间隙焊接接头组织及力学性能进行了评价。取得的主要结果如下:(1)设计并研制了一套可有效保证钢轨焊接接头平直度的钢轨超窄间隙焊接装备。该装备由定位夹紧机构、约束电弧强迫成型装置和超窄间隙板式焊枪三部分组成,其中根据焊接变形特点设计了能实现坡口尺寸设定及夹持的定位夹紧机构、针对钢轨截面形状特征研制了延长焊道和保证焊道平整的约束电弧强迫成型装置、结合超窄间隙坡口尺寸和钢轨厚度设计了保证稳定送丝导电的超窄间隙板式焊枪。同时开发了一套稳定可靠,且能实现自动化生产的压片技术焊剂片制作工艺,并研制了一种可调控焊剂片在钢轨坡口中位置精度的放置方法,有效保证了超窄间隙焊接过程的稳定性。(2)采用快速中断电弧的方法使得焊接过程中焊剂片、坡口底部和侧壁的瞬时熔化形貌得以保留,据此分析了焊接过程中焊剂片与电弧的相互作用机制。结果表明,焊接过程中焊剂片与电弧相互作用面积的关系直接影响着电弧受约束程度,而电弧受约束程度决定着电弧加热区域,从而控制熔池的形成。通过改变电弧电压、焊剂成分和焊剂片距焊丝距离,获得了精确控制电弧受约束程度的焊剂片熔化面积与电弧固壁约束面积的关系:当焊剂片熔化面积S>45mm2时,焊剂片熔化面积大于电弧固壁约束面积,此时电弧受约束程度过小,电弧加热区域扩展到较大范围的两侧壁上,无法形成有效的熔池。当焊剂片熔化面积S<5mm2时,焊剂片熔化面积远小于电弧固壁约束面积,此时电弧受约束程度过大,电弧加热区域集中在坡口底部而不能直接到达侧壁,从而形成了侧壁及侧壁根部熔合不良的焊缝。只有当焊剂片熔化面积5mm2<S<45mm2时,电弧才能被有效约束在坡口底部和两侧壁加热,获得良好的焊缝成形。(3)通过对钢轨超窄间隙焊缝中“一字形”和“人字形”热裂纹的微观形貌进行分析发现,不同形态的热裂纹的形成是因为焊缝截面形状不同导致熔池凝固结晶方向不同,从而形成了不同形态的低熔点共晶薄膜,焊缝金属凝固收缩而受到拉伸应力,在拉伸应力的作用下低熔点共晶薄膜最终形成热裂纹。其形成受到焊缝成形系数、热输入量和间隙宽度的影响,随着焊缝成形系数减小、热输入量增大和间隙宽度减小,热裂纹倾向均明显增加。且焊缝成形系数是影响超窄间隙焊接热裂纹的主要因素,当焊缝成形系数增大到一定值时可避免焊缝中产生热裂纹。最终得到了不同间隙宽度下临界焊缝成形系数与热输入的关系曲线。(4)对每层焊缝角变形进行记录和分析,得到了钢轨接头的角变形规律。并对焊接过程中应力应变分布及焊接变形规律进行了有限元分析,进一步优化了钢轨角变形规律,且计算结果与试验结果吻合良好。从而结合试验结果和有限元计算结果估算出合适的反变形角度和坡口尺寸,其中反变形角度为1.58°,坡口底部间隙宽度为4.5mm。同时根据底部不断变化的坡口尺寸对焊接工艺参数适应性进行系统研究,总结出钢轨超窄间隙焊接时,间隙宽度在3.5~5.3mm呈非线性变化所对应的焊接工艺参数最优值。另外,对超窄间隙根焊工艺进行了研究,实现了单面焊双面成型。(5)研究了焊剂成分对钢轨超窄间隙焊接头组织和力学性能的影响。焊剂中未加合金元素时,焊缝柱状晶区组织主要为先共析铁素体、侧板条铁素体、条状铁素体和少量的珠光体;焊道热影响区为晶粒细小的铁素体和少量珠光体。焊剂中加入合金元素后,整个焊缝区均为细小而多方位分布的针状铁素体,且针状铁素体随合金量增多而变得更加细小。而且采用超窄间隙焊接方法对钢轨焊缝进行焊接所获得的热影响区组织明显细化。焊剂片约束电弧超窄间隙焊接方法应用于钢轨对接时,焊剂片采用向焊剂中加入19%锰、镍、钼、铬的焊剂成分,可以获得各项性能指标均超过闪光焊水平的焊接接头。