无缝线路是现代铁路的主要组成部分,而钢轨焊接是无缝线路建设中的关键环节。闪光焊由于其具有自动化程度高、接头质量好、焊接速度快及焊接质量稳定等优点,已成为钢轨焊接最主要的方法之一。钢轨闪光焊焊接接头质量主要取决于合理的温度场分布、钢轨顶锻前端面的状态以及与温度场匹配的顶锻过程。其中,温度场分布和钢轨顶锻前端面的状态可以通过改变闪光工艺进行调整。由于闪光焊的特殊性,没有外加保护气体,仅靠在闪光过程中高温产生的金属蒸气以及高温爆破液态金属颗粒的自我氧化来预防端面氧化,顶锻之前端面不可避免地形成氧化物夹杂,若是焊接完成后,氧化物夹杂仍残留在接头中,将会形成灰斑而萌生裂纹源,必须通过合适的顶锻过程挤出有害物质,因此研究顶锻过程的塑性变形以及顶锻变形对杂质挤出行为的影响是十分必要的。由于闪光焊工况复杂,通过调试焊接参数对比不同工艺对顶锻过程有害杂质挤出的影响比较困难,内部金属流动无法观测且试验成本非常高,本论文通过数值模拟的方式建立钢轨闪光焊顶锻过程有限元模型,探究顶锻过程的塑性变形规律以及不同热场分布下不同顶锻工艺对杂质挤出行为的影响。本论文以U75V钢轨为研究对象,通过ABAQUS有限元软件建立了钢轨闪光焊顶锻过程热力耦合模型,采用Johson-Cook本构方程描述了顶锻过程焊接接头的塑性变形行为,获得了顶锻过程接头端面高温金属的塑性变形规律;通过在接头端面嵌入实体灰斑杂质,研究了不同温度场和顶锻参数对杂质挤出行为的影响;通过建立预热闪光焊预热阶段和带电顶锻阶段的电热耦合模型,分析了馈电位置对电流分布的影响以及带电顶锻工艺对接头温度场的影响,并借助热成像仪监测了钢轨闪光焊带电顶锻过程接头温度场的动态变化以验证模型的可靠性。顶锻过程分析结果表明:顶锻过程塑性流动金属位移量较大的区域集中在轨顶、轨底、轨腰与轨底的连接处和轨头与轨腰的连接处;在不造成接头过大横向变形的基础上,增加高温塑性区宽度,同时匹配合适的顶锻量,利于有害杂质的挤出;采用变速顶锻或提高顶锻前期速度也有利于杂质的挤出;距离钢轨表面较深区域的杂质不易运动,一旦有氧化物夹杂残留极易形成灰斑缺陷。预热阶段仿真结果表明:移动式闪光焊轨腰电极馈电方式会使得电流集中流过轨腰,这与实际焊接过程大电流焊接时的轨腰“发蓝”现象吻合;固定式闪光焊会使得电流主要通过轨顶和轨底,在轨顶和轨底产生“发蓝”现象;混合式电极馈电方式得到的电场分布最为均匀。电场仿真分析和热影响区形貌实验结果均表明,固定式闪光焊电极馈电方式更有利于接头端面及近端面区域的均匀加热。带电顶锻阶段仿真和测温实验表明:带电顶锻会直接改变接头在闪光过程形成的温度场,通过调整带电顶锻时间和顶锻电压可以控制温度梯度和高温塑性区宽度。移动式闪光焊电极馈电方式在带电顶锻阶段会使得轨腰部位等温面明显变宽,与热成像测温实验得到的结论一致。固定式闪光焊电极馈电方式在带电顶锻阶段接头整体加热相对均匀。