現(xiàn)代有軌電車槽型軌鋁熱焊接技術(shù)與應(yīng)用

殷立達(dá) 朱文杰 王幫焱 崔成林 高松福

(1.北車建設(shè)工程有限責(zé)任公司 北京 100078;2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所 北京 100081)

現(xiàn)代有軌電車槽型軌鋁熱焊接技術(shù)與應(yīng)用

殷立達(dá)1朱文杰1王幫焱1崔成林2高松福2

(1.北車建設(shè)工程有限責(zé)任公司 北京 100078;2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所 北京 100081)

以沈陽市渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車工程為例，研究針對槽型鋼軌所采用的鋁熱焊接技術(shù)。由于槽型鋼軌軌頭存在凹槽，與常用鋼軌差別較大，以往沒有成熟的槽型鋼軌焊接方法。根據(jù)59R2槽型鋼軌的斷面特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)與凹槽相吻合的砂塊，將該砂塊填充在槽型鋼軌的凹槽內(nèi)，并開發(fā)了相應(yīng)的砂型結(jié)構(gòu)，從而解決了采用鋁熱焊接方法焊接槽型鋼軌時(shí)凹槽焊接難以處理、焊接后打磨不易的難題。通過試驗(yàn)，測試59R2槽型鋼軌鋁熱焊接頭靜彎強(qiáng)度、疲勞性能、硬度、金相組織等指標(biāo);測試結(jié)果表明，這些測試指標(biāo)均能滿足技術(shù)要求。實(shí)踐證明，槽型鋼軌鋁熱焊接技術(shù)應(yīng)用于沈陽現(xiàn)代有軌電車軌道焊接，施工速度快，焊接接頭質(zhì)量可靠。

現(xiàn)代有軌電車;槽型鋼軌;鋁熱焊接;焊接接頭;性能研究

1 研究背景

現(xiàn)代有軌電車具有節(jié)能、環(huán)保、投資少、建設(shè)周期短、景觀效果好的優(yōu)點(diǎn)［1－2］，是城市軌道交通發(fā)展的新方向［3－6］。

沈陽市渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目是我國首次大規(guī)模建設(shè)的現(xiàn)代有軌電車軌道交通線網(wǎng)。線路軌道采用槽型鋼軌鋪設(shè)，焊接為無縫線路，以減小車輛運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和噪聲，增加旅客舒適性?，F(xiàn)代有軌電車軌道需要將鋪設(shè)的25 m鋼軌焊接在一起，但是由于槽型鋼軌軌頂凹槽的存在，焊接難度大。目前，我國沒有針對槽型鋼軌成熟的鋁熱焊接技術(shù)。

根據(jù)鋼軌鋁熱焊接基本原理和槽型鋼軌斷面特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合于槽型鋼軌的鋁熱焊接技術(shù)，并進(jìn)行接頭性能測試和槽型鋼軌鋁熱焊接技術(shù)的現(xiàn)場應(yīng)用。

2 槽型鋼軌鋁熱焊接技術(shù)

2.1 鋼軌鋁熱焊接技術(shù)原理

鋼軌鋁熱焊接就是將鋁粉、氧化鐵和其他合金添加物配制成的鋁熱焊劑放在特制的反應(yīng)坩堝中，用高溫火柴點(diǎn)燃引發(fā)鋁熱反應(yīng)。在反應(yīng)過程中，生成大量的熱熔化合金添加物，與反應(yīng)生成的鐵形成為鋼液，由于其密度大，沉于坩堝底部;反應(yīng)生成的熔渣較輕而浮在上部。在很短時(shí)間內(nèi)，高溫的鋁熱鋼水熔化坩堝底部的自熔塞，澆注到與鋼軌外形尺寸一致的由砂型和局部預(yù)熱待焊鋼軌形成的封閉空腔中;同時(shí)鋁熱鋼液本身又作為填充金屬，與熔化的鋼軌共同結(jié)晶、冷卻，將兩段鋼軌焊成整體［7］，其原理如圖1所示。

圖1 鋼軌鋁熱焊接原理

2.2 槽型鋼軌鋁熱焊接設(shè)計(jì)

槽型鋼軌頂面有一個(gè)凹槽，如圖2所示。但是，目前鋼軌鋁熱焊接技術(shù)僅適合于鋼軌頂部平直條件下的焊接，無法實(shí)現(xiàn)鋼軌頂部存在凹槽時(shí)鋼軌焊接。如果采用現(xiàn)在砂型結(jié)構(gòu)，焊接完成后凹槽內(nèi)會(huì)留有大量的焊接金屬。由于凹槽空間狹小，極難進(jìn)行凹槽內(nèi)多余金屬的打磨，為了免去凹槽內(nèi)焊接金屬的打磨，通過在槽型鋼軌凹槽內(nèi)設(shè)置一個(gè)U型砂型塊的方法，如圖3所示，實(shí)現(xiàn)對槽型鋼軌的焊接。

圖2 槽型鋼軌

圖3 軌頂設(shè)置的砂塊模型及實(shí)物

在原有鋼軌鋁熱焊接砂型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在槽型鋼軌的凹槽內(nèi)設(shè)置一個(gè)與其形狀相吻合的耐高溫砂塊。在焊接完成后，砂塊與焊接金屬可輕易剝離，用手錘即可實(shí)現(xiàn)清理，從而保證焊接完成后軌頂面凹槽的形狀，實(shí)現(xiàn)對槽型鋼軌的焊接，而且凹槽內(nèi)部也無需打磨，解決了凹槽內(nèi)部打磨困難的難題。圖4所示為焊接完成后接頭表面。

圖4 焊接后接頭形貌

2.3 槽型鋼軌鋁熱焊接工藝

2.3.1 鋼軌準(zhǔn)備和調(diào)節(jié)

焊接前檢查待焊鋼軌端部情況，并使用鋼絲刷或者角磨機(jī)清理鋼軌兩個(gè)端頭。

將待焊軌縫兩端鋼軌3個(gè)以上軌枕上的扣件、橡膠墊板等拆除，調(diào)節(jié)兩端鋼軌之間的間隙至28～30 mm。通過調(diào)節(jié)使兩軌底和兩軌頭側(cè)面平齊，焊縫起拱高度為1.5～2 mm。

2.3.2 裝卡砂型

清理砂型的浮砂。通過研磨U型砂塊使其與鋼軌的U型槽緊密貼合。安裝砂型及砂型卡具，封泥。

2.3.3 預(yù)熱、點(diǎn)火及澆注

將預(yù)熱器加熱嘴底部與軌頂面間的距離調(diào)節(jié)到65±1 mm。點(diǎn)燃并調(diào)節(jié)火焰，焰心長度調(diào)節(jié)至24～26 mm。預(yù)熱至兩鋼軌端面通紅，溫度達(dá)到800～1 000℃。預(yù)熱進(jìn)行至最后時(shí)，立即將裝有焊劑的坩堝放置到砂型上方。點(diǎn)燃高溫火柴，將坩堝蓋蓋上。焊劑反應(yīng)結(jié)束后，鋼水會(huì)自動(dòng)注入型腔內(nèi)，焊劑反應(yīng)形成的熔渣會(huì)流入接渣斗中。

2.3.4 開箱和推瘤

澆注結(jié)束后6 min，將砂型側(cè)模及底板托拆除。澆注結(jié)束后8.5 min，將焊后軌頭多余部分用推瘤機(jī)進(jìn)行推瘤。

2.3.5 打磨和探傷

在推瘤完成后，可以立即進(jìn)行粗打磨。粗打磨后應(yīng)進(jìn)行接頭表面清理，以便于探傷工作的進(jìn)行。探傷合格接頭應(yīng)進(jìn)行精打磨。

3 接頭性能

依據(jù)沈陽市現(xiàn)代有軌電車軌道系統(tǒng)專用槽型鋼軌鋁熱焊接技術(shù)條件，進(jìn)行59R2槽型鋼軌鋁熱焊接頭的性能檢驗(yàn)。檢驗(yàn)項(xiàng)目有靜彎、斷口、疲勞、硬度、拉伸和金相組織檢驗(yàn)，靜彎檢驗(yàn)采用YY－200A液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，硬度檢驗(yàn)采用HBE3000布氏硬度計(jì)和HRV－150AT光學(xué)洛氏硬度計(jì)進(jìn)行，疲勞檢驗(yàn)采用PMS－500屏顯式液壓脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。檢驗(yàn)結(jié)果如下。

3.1 靜彎試驗(yàn)

靜彎試驗(yàn)的支距為1 m，焊縫居中，焊縫中心承受集中載荷，接頭加載直至斷裂。其中8根軌頭受壓，2根軌頭受拉，共測試10根鋼軌接頭。

焊接接頭在軌頭受壓狀態(tài)下靜彎載荷分別為1 136、1 130、1 125、1 131、1 138、1 136、1 127 和1136 kN，其中最小承受載荷為1 125 kN;在軌頭受拉狀態(tài)下，靜彎載荷分別為1 213、1 219 kN。這證明接頭焊合良好，能夠承受較大的載荷。此外，接頭撓度均大于15 mm，證明接頭具有一定的韌性，可靠性良好。

3.2 疲勞試驗(yàn)

焊接接頭疲勞試驗(yàn)支距為1.0 m，載荷Fmin=60 kN，F(xiàn)max=300 kN。載荷作用于支距中央的焊縫處，軌頭向上。試驗(yàn)頻率f=5 Hz，應(yīng)力循環(huán)系數(shù) r=0.2。

連續(xù)測試3根鋼軌鋁熱焊接頭，所有接頭均循環(huán)加載2×106次，未斷裂，說明接頭具有良好的抗疲勞斷裂性能。

3.3 拉伸性能

對焊接接頭試件取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取樣位置如圖5所示。焊接接頭拉伸試樣直徑為6 mm，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖5 拉伸試樣的取樣位置

表1 焊接接頭的拉伸試驗(yàn)結(jié)果 MPa

接頭軌頭和軌底部位抗拉強(qiáng)度高，均大于820 MPa。接頭在這些部位焊合良好，且焊縫金屬性能高。接頭軌腰上部抗拉強(qiáng)度相對較低，為802 MPa，證明接頭在軌腰部位焊縫金屬性能相對較差，這是由于鋼軌軌腰部位斷面較小、焊縫凝固收縮時(shí)易在軌腰部位產(chǎn)生細(xì)微的凝固缺陷。

3.4 硬度試驗(yàn)

3.4.1 焊縫硬度

對焊接接頭試件取樣測試焊縫硬度。焊縫硬度試驗(yàn)在軌頂面焊縫中心橫向位置(見圖6)進(jìn)行，檢測3點(diǎn)布氏硬度，計(jì)算平均硬度值，記為焊縫硬度;在焊縫兩側(cè)母材上按圖示位置分別檢測3點(diǎn)，計(jì)算平均硬度值，記為母材平均硬度HB。

圖6 焊縫布氏硬度試驗(yàn)位置

焊縫金屬硬度為291 HB，而母材金屬硬度為304 HB，可見焊縫硬度與母材硬度匹配良好，有助于保證長時(shí)間運(yùn)行后，焊縫和鋼軌母材有相近的磨耗量，保證接頭平順。

3.4.2 軟化區(qū)寬度

對焊接接頭試件取樣測試軟化區(qū)寬度。取焊接接頭縱向斷面(見圖7)，在一條距軌頂面4 mm的縱向線上檢測洛氏硬度，從兩側(cè)熔合線開始逐漸延伸至未受熱影響的母材20 mm處，測點(diǎn)間距為2 mm，采用HRC標(biāo)尺。

圖7 軟化區(qū)寬度試驗(yàn)及顯微組織取樣位置

將所得到的硬度測量值記錄在圖8上，在未受影響的鋼軌母材上測量不少于10點(diǎn)硬度值，計(jì)算平均硬度值，以直線的形式標(biāo)在硬度曲線圖上(見圖8中線1)。將線1向下平移1.5硬度值，即得到軟化區(qū)寬度測量線(見圖8中線2)。兩側(cè)軟化區(qū)寬度測量結(jié)果分別是9.0和 7.0 mm。

圖8 軟化區(qū)寬度測量結(jié)果

3.5 顯微組織

對焊接接頭試件取樣測試顯微組織，取樣位置見圖7的陰影部位，箭頭指向面為觀察面，軌頭2處，軌底1處。

試驗(yàn)結(jié)果如圖9，焊縫和熱影響區(qū)顯微組織為珠光體和少量鐵素體，未見異常組織。微觀上接頭金屬組織正常，性能穩(wěn)定，對保證接頭性能穩(wěn)定是有利的。

4 應(yīng)用與討論

沈陽渾南新區(qū)現(xiàn)代有軌電車項(xiàng)目線路設(shè)計(jì)總長60 km，軌道鋪設(shè)采用歐標(biāo)59R2槽型鋼軌，鋼軌焊接全部采用鋼軌鋁熱焊接方法。鋼軌鋁熱焊接技術(shù)具有接頭質(zhì)量穩(wěn)定，施工設(shè)備簡單，作業(yè)時(shí)間短，焊接占用空間小的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場多工作面同時(shí)施工，極大地保證了工程質(zhì)量和施工進(jìn)度，為現(xiàn)代有軌電車無縫軌道的建設(shè)提供保障。

圖9 焊縫金屬顯微組織

［1］上海市城市綜合交通規(guī)劃研究所.現(xiàn)代有軌電車在上海發(fā)展研究［R］.上海：上海市城市綜合交通規(guī)劃研究所，2007.

［2］劉翠艷，方力，郭志方，等.對我國城市有軌電車技術(shù)發(fā)展的思考［J］.城市軌道交通研究，2000(1)：21 －23.

［3］東南大學(xué)交通學(xué)院.有軌電車在南京地區(qū)的適應(yīng)性研究［R］.南京，2007.

［4］王建.試論有軌電車與輕軌系統(tǒng)的相互關(guān)系［J］.城市交通，2004(3)：25－27.

［5］楊敏，陳學(xué)武，王煒.城市快速公交(BRT)應(yīng)用的可行性分析［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2006(4)：81－84.

［6］程文毅，郭謹(jǐn)，劉劍鋒.輕軌技術(shù)的發(fā)展及其在我國的應(yīng)用前景［J］.山西科技，2006(1)：17－19.

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Analysis and Application of Thermit Welding Technology for Groove Rail of Modern Trams

Yin Lida1Zhu Wenjie1Wang Bangyan1Cui Chenglin2Gao Songfu2
(1.CNR Construction Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100078;2.Metal and Chemical Institute of China Academy of Railway Science，Beijing 100081)

Shenyang Hunnan modern tram project is the first modern tram rail transit network in China.Groove rail was adopted in the line project for laying CWR track.However，due to the groove in the rail head，no mature rail welding method was available for groove rail.According to the characteristics of 59R2 groove rail section，a sand block which matches the shape of groove of the rail was designed to solve the difficult problem of groove welding and grinding.Test of slow bend strength，fatigue performance，hardness，metallographic structure，etc.were performed on 59R2 groove rail welding joints，and the results showed that all the performance can meet the technical requirements.The groove rail thermit welding technology was applied in Shenyang modern tram rail welding project and demonstrated its stable quality and convenient construction.

modern tram;groove rail;thermit welding;welding joint;performance study

U482.1 TG457

A

1672－6073(2014)02－0122－04

10.3969/j.issn.1672 －6073.2014.02.031

2013－07－23

2013－08－07

殷立達(dá)，男，高級工程師，從事現(xiàn)代軌道交通技術(shù)研究，yld1030@163.com

(

馮 超)