列车运行线路无缝化是客运高速和货运重载发展的基础,焊接是无缝线路铺设和维护的关键技术。闪光焊和气压焊(移动焊)为自动焊接,技术和装备成熟,钢轨接头焊接质量优良稳定;铝热焊(原位焊)接头存在质量稳定性和力学性能相对较差等问题;目前电弧焊(原位焊)接头性能优良,但主要采用的是强迫成形手工电弧焊,受人为因素影响很大,焊接稳定性和焊接过程可重复性差。因此,发展钢轨窄间隙自动电弧焊接对钢轨原位焊接技术的提高具有重要意义。根据目前钢轨自动电弧焊需要解决的技术关键,本文对钢轨电弧焊接专用的自保护药芯焊丝的熔滴过渡形式、焊接工艺稳定性及参数优化、焊后热处理作用、低气压环境下的电弧焊接等进行深入研究。首先,构建了焊接电信息(焊接电流和电弧电压)与高速摄像(熔滴和电弧等)同步采集分析系统,为开展对自保护药芯焊丝的电弧特性、焊丝熔化和熔滴过渡行为及其对应的焊接电信息特征等进行深入研究和分析提供了必要手段。其次,发现了持续时间较长的弧桥过渡和短路过渡容易引起爆炸飞溅和焊接电流剧烈波动,为工艺参数优化提供了调整依据。获得了典型熔滴过渡行为与其对应焊接电信息的关系,找到了避免短路过渡的焊接工艺控制规律。采用优化后的焊接工艺参数,可有效减少钢轨接头焊接缺陷,增强焊接过程重复性,改善钢轨接头静弯性能。第三,研究了火焰热处理对钢轨电弧焊接头组织和残余应力的影响。热处理前,焊缝区为贝氏体和马氏体组织,热影响区为粗大珠光体、铁素体和渗碳体组织,熔合区存在2种组织相,界面清晰;轨腰、轨颚存在较大残余应力。热处理后,热影响区的粗大组织得到细化,钢轨表面和轨腰部分的焊缝组织细化改善明显;最大残余应力降幅达到1/2~2/3。热处理后的钢轨接头落锤性能大幅提高。第四,根据萨哈方程和理想气体状态方程分析了气压降低焊接电流减小的原因;提出了阴极压降增加是焊接电流下降情况下,焊丝送进与熔化速度仍能保持动态平衡的根本原因。低气压条件下,阴极温度降低,电子热发射能力减弱,电场强度增大,电子场发射能力增强。焊接电流下降和电弧扩张,导致电弧挺度下降和焊缝成形质量降低。通过适当提高焊接电流(焊丝送进速度)增加电弧挺度,降低电弧电压以增强电弧稳定性,在海拔4447m的那曲成功进行了钢轨电弧焊接,接头落锤性能达到了闪光焊标准。