重載鐵路75 kg/m鋼軌移動(dòng)閃光焊焊接施工技術(shù)

賈晉中，程建平

(1.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350;2.朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司，山西原平 034100)

1 既有焊接接頭傷損分析

按75 kg/m鋼軌焊接接頭傷損發(fā)生在廠焊接頭、氣壓焊接頭、鋁熱焊接頭位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從原平分公司管內(nèi)近年來焊接接頭重傷統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，氣壓焊的傷損比例最高，可達(dá)1.71%;其次為鋁熱焊，傷損比例為1.07%;廠焊的傷損比例最小，為0.07%。氣壓焊的傷損比例為廠焊的24.4倍，鋁熱焊的傷損比例為廠焊的15.3倍[1]。由此可見，工地焊接接頭的傷損比例遠(yuǎn)高于廠焊接頭。

鋼軌焊接接頭平直度明顯增大，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)個(gè)別鋁熱焊焊接接頭最大凹陷達(dá)0.9 mm，已超出《鐵路線路修理規(guī)程》的要求(焊縫凹陷不能超過0.5 mm)。從焊接接頭傷損比例以及平直度兩方面來看，目前采用的鋁熱焊和氣壓焊已無法滿足重載鐵路運(yùn)輸?shù)囊蟆?/p>

移動(dòng)閃光焊焊接性能穩(wěn)定、焊接質(zhì)量高[2]，與氣壓焊、鋁熱焊相比，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但目前我國重載鐵路尚無成熟的移動(dòng)閃光焊焊接設(shè)備和焊接技術(shù)，為此朔黃鐵路公司聯(lián)合鐵科院、南車戚墅堰研究所進(jìn)行了重載鐵路75 kg/m鋼軌移動(dòng)閃光焊焊接技術(shù)的研發(fā)，并在朔黃鐵路正線進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，效果良好。

2 移動(dòng)閃光焊焊接設(shè)備選型與改進(jìn)

2.1 設(shè)備選型

選用由南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司生產(chǎn)的LR1200型鋼軌閃光焊機(jī)。主要技術(shù)參數(shù)和基本性能如下[3]:①額定電壓。電網(wǎng)380×(1±10%)V，50 Hz;發(fā)電機(jī)組400 V，50 Hz;額定初級(jí)電流(50%負(fù)載)540 A;額定功率210 kW;額定頂鍛力1 200 kN;額定夾持力2 900 kN;可焊接鋼軌的最大橫截面積10 000 mm2(75 kg/m鋼軌斷面面積為9 520 mm2)。②焊機(jī)頭內(nèi)增設(shè)獨(dú)立的推瘤油缸，在拉伸情況下可焊接特長鋼軌。③機(jī)頭配有自動(dòng)推凸裝置，焊后在熱態(tài)下立即完成推瘤工作。④夾緊時(shí)沿軌頭和斷面自動(dòng)對(duì)中。

由于目前國內(nèi)外75 kg/m鋼軌采用移動(dòng)閃光焊尚屬空白，基于LR1200型鋼軌閃光焊機(jī)平臺(tái)研制了與75 kg/m鋼軌相配套的鉗口、推瘤刀和刀座，見圖1。

圖1 鉗口、推瘤刀及刀座

2.2 焊接工藝參數(shù)試驗(yàn)

目前朔黃重載鐵路主要采用75 kg/m U78CrV鋼軌，通過對(duì)U78CrV鋼軌化學(xué)成分及力學(xué)性能的分析，以脈動(dòng)閃光焊工藝為主體，前期加熱采用預(yù)熱閃光焊工藝，二者相結(jié)合作為本次參數(shù)調(diào)試的基準(zhǔn)。

結(jié)合國內(nèi)目前既有移動(dòng)閃光焊焊接技術(shù)，在廠內(nèi)對(duì)150余對(duì)75 kg/m鋼軌進(jìn)行了試焊，對(duì)各種焊接參數(shù)下的焊接接頭進(jìn)行了落錘試驗(yàn)，根據(jù)落錘試驗(yàn)結(jié)果以及斷口形貌，對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提出合理的75 kg/m U78CrV鋼軌移動(dòng)閃光焊焊接參數(shù)。

考慮到75 kg/m鋼軌截面較60 kg/m鋼軌大，前期采用較大的加熱量，選取較大的加熱時(shí)間。階段電壓可根據(jù)脈動(dòng)閃光焊工藝，采用程控調(diào)壓，俗稱馬鞍式。階段時(shí)間與階段電壓的配合旨在獲得較好的加熱溫度及合適的溫度場(chǎng)，為后期的頂鍛做好充分準(zhǔn)備。

在焊接技術(shù)參數(shù)調(diào)試時(shí)，對(duì)不同頂鍛量下的焊接質(zhì)量進(jìn)行了試驗(yàn)。調(diào)試時(shí)75 kg/m的U78CrV鋼軌控制頂鍛量初設(shè)為11 mm，考慮接頭焊接前期的加熱程度，實(shí)際頂鍛量為13 mm左右，焊接管理程序設(shè)置實(shí)際頂鍛量不應(yīng)超過16 mm，否則焊接判斷為不合格。圖2為不同頂鍛量下的斷口形貌。

圖2 不同頂鍛量下的斷口形貌

2.3 型式試驗(yàn)結(jié)果

采用LR1200型鋼軌閃光焊機(jī)，根據(jù)提出的焊接工藝參數(shù)，進(jìn)行了鋼軌接頭的焊接，并委托鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心進(jìn)行了檢驗(yàn)。共進(jìn)行了落錘、靜彎、疲勞、硬度、拉伸性能、沖擊吸收能量和顯微組織7項(xiàng)試驗(yàn)，除拉伸性能目前無重載鐵路的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，其他性能均符合原鐵道部的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 焊接接頭硬度試驗(yàn)結(jié)果

3 現(xiàn)場(chǎng)焊接施工

為驗(yàn)證75 kg/m鋼軌焊接技術(shù)，結(jié)合2013年朔黃鐵路原平分公司換軌計(jì)劃，選擇一條曲線進(jìn)行焊接試驗(yàn)，鋼軌為25 m長U78CrV無孔新軌，整條曲線以及兩端一定長度的直線采用移動(dòng)閃光焊焊接成無縫線路。共焊接了50個(gè)接頭，其中線下焊接接頭48個(gè)，線上焊接接頭2個(gè)。焊接完成后，對(duì)所有焊接接頭進(jìn)行了探傷檢查，全部滿足規(guī)定要求。

試驗(yàn)段為一半徑600 m曲線，曲線參數(shù)見表2。

表2 焊接接頭試驗(yàn)段曲線

焊接施工方案采用25 m軌線下焊接與線上鎖定焊接方案。

線下焊接:將25 m鋼軌在線下焊接成長軌條。將25 m鋼軌預(yù)先放置在砟肩，然后逐個(gè)焊接。在一個(gè)天窗(4 h)內(nèi)可焊接8～10個(gè)接頭，鋼軌的熱處理、精磨在下一個(gè)天窗內(nèi)完成，共用7個(gè)天窗。在整個(gè)長軌條焊接完成后，開始進(jìn)行線上鎖定焊接。

線上鎖定焊接:在天窗點(diǎn)換鋪長軌條，并將長軌條焊聯(lián)入無縫線路，在長軌條的始終端與已鋪相鄰單元軌條直接焊連，線上鎖定焊接需2個(gè)天窗。

整個(gè)焊接施工需9個(gè)天窗。

3.1 線下焊接

利用天窗時(shí)間將25 m鋼軌在線下焊接成長軌條，共焊接約48個(gè)接頭。線下焊接、正火與精磨采用流水作業(yè)，在一個(gè)天窗點(diǎn)內(nèi)進(jìn)行焊接，同時(shí)對(duì)上一天窗內(nèi)的焊接接頭進(jìn)行正火處理和精磨作業(yè)。工地線下焊接施工組織及作業(yè)要求如下。

1)線下焊接施工工藝流程(圖3)。

圖3 線下鋼軌移動(dòng)閃光焊工藝流程

2)施工列車編組

非自行式移動(dòng)式接觸焊軌機(jī)、熱處理機(jī)組采用軌道車組連掛方式進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)，施工列車編組順序(自原平方向)為:軌道車+材料車+非自行式焊軌車+非自行式熱處理車+軌道車。

到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)后軌道車組分解為焊軌、熱處理兩個(gè)作業(yè)車組。焊軌車組順施工方向編組順序?yàn)?軌道車+材料車+非自行式焊軌車;熱處理車組順施工方向編組順序?yàn)?非自行式熱處理車+軌道車。

3)線下鋼軌焊接、熱處理、打磨，不再詳述。

3.2 工地鎖定焊接

線下將25 m鋼軌焊接成長軌條后，利用天窗時(shí)間進(jìn)行無縫線路長軌條的鋪設(shè)，并將新鋪單元軌條的始終端與已鋪相鄰單元軌條始端或終端直接焊連。利用下一個(gè)天窗進(jìn)行焊接接頭的正火處理與精磨。

工地焊接鎖定時(shí)，軌溫應(yīng)在鎖定軌溫范圍內(nèi)，并與兩相鄰單元軌條的鎖定軌溫差不超過5℃。原平分公司管內(nèi)無縫線路鎖定軌溫為(28±5)℃，在進(jìn)行焊接鎖定時(shí)，在軌溫適宜時(shí)方可進(jìn)行鎖定焊接，工地鎖定焊接2個(gè)接頭，始端采用移動(dòng)閃光焊焊接，受施工天窗的限制，終端采用鋁熱焊焊接。工地鎖定焊軌作業(yè)步驟與要求同線下焊接。工地焊接鎖定施工流程見圖4。線上焊接如圖5所示。

圖4 工地焊接鎖定施工流程

圖5 移動(dòng)閃光焊線上焊接現(xiàn)場(chǎng)

4 焊接工藝要求

1)鋼軌焊前檢查與處理

焊接前必須對(duì)鋼軌進(jìn)行檢查和必要的處理:①檢查鋼軌主要幾何尺寸，包括鋼軌高度、軌頭寬度、軌底寬度、斷面是否對(duì)稱、軌冠飽滿度、斷面斜度(垂直及水平方向)、端部扭曲、端部和軌身平直度;②檢查鋼軌表面質(zhì)量，條件許可時(shí)對(duì)軌底進(jìn)行鏡面檢查;③對(duì)于無法矯直的鋼軌端部彎曲，應(yīng)將其端部鋸切。

2)焊前除銹

①待焊鋼軌端部及鋼軌與閃光焊機(jī)電極接觸部位應(yīng)除銹。②鋼軌除銹面待焊時(shí)間超過24 h以上或斷面后有水、油、污垢污染時(shí)，應(yīng)重新除銹處理。③如果鋼軌軌腰與電極接觸，應(yīng)將接觸部位凸出的軋制標(biāo)識(shí)打磨至與母材平齊。

3)焊接與推凸

①焊接前軌溫不宜低于10℃。②應(yīng)自動(dòng)完成推凸過程，推凸過程不應(yīng)損傷接頭和母材，推凸后的表面應(yīng)無肉眼可見的裂紋或焊渣擠入。接頭各部位允許的最大推凸余量(推凸后的焊筋高度):軌頭2 mm，軌頭下顎2.5 mm，軌腰2 mm，軌底1.5 mm。③推凸后、未經(jīng)打磨處理情況下，應(yīng)使用1 m檢測(cè)直尺檢查接頭錯(cuò)邊，在焊縫中心線兩側(cè)各15～25 mm的位置測(cè)量并計(jì)算接頭錯(cuò)邊量。對(duì)于接頭錯(cuò)邊量超過最大允許值的焊接接頭，應(yīng)切掉接頭重焊，鋸切位置與焊縫距離應(yīng)不小于50 mm，重新焊接前，鋼軌端部應(yīng)處于常溫。④線上鎖定焊接時(shí)應(yīng)使用保壓推凸，當(dāng)焊接接頭溫度達(dá)到300℃以下時(shí)，方可去除保壓壓力。⑤應(yīng)對(duì)每個(gè)焊接接頭進(jìn)行標(biāo)識(shí)，標(biāo)識(shí)應(yīng)位于焊接長鋼軌的同一側(cè)軌腰(線路外側(cè))、距焊縫2～3 m位置。標(biāo)識(shí)應(yīng)清晰、端正，至少5年內(nèi)可以識(shí)別。

4)焊筋整形(粗磨)

①可以采用磨削的方式進(jìn)行焊筋整形，焊筋整形不應(yīng)損傷鋼軌母材。②焊筋整形后，應(yīng)保證焊接接頭的表面粗糙度滿足探傷掃查的需要。③鋼軌應(yīng)按縱向打磨，不應(yīng)橫向打磨，鋼軌表面不應(yīng)出現(xiàn)打磨灼傷。④焊接接頭非工作邊的垂直、水平方向錯(cuò)邊應(yīng)平順過渡。⑤鋼軌閃光焊軌底下表面焊筋高度不應(yīng)＞0.5 mm，軌底焊筋邊緣棱角應(yīng)平順過渡。

5)外形精整及平直度要求

①應(yīng)使用仿形打磨機(jī)對(duì)焊接接頭的軌頂面及軌頭工作邊進(jìn)行外形精整，外形精整后軌頭應(yīng)與母材保持一致的輪廓形狀。②外形精整的長度不應(yīng)超過焊縫中心線兩側(cè)各400 mm范圍。外形精整不應(yīng)使焊接接頭或鋼軌產(chǎn)生任何熱損傷。不應(yīng)使用外形精整的方法糾正超標(biāo)的平直度偏差或超標(biāo)的接頭錯(cuò)邊。③應(yīng)采用矯直的方法糾正焊接接頭平直度偏差，宜在焊接接頭處于常溫時(shí)進(jìn)行矯直作業(yè)。④鋼軌焊接接頭平直度應(yīng)符合表3的要求。應(yīng)在鋼軌焊接接頭溫度低于50℃時(shí)測(cè)量平直度。測(cè)量長度1 m，焊縫居中。

表3 鋼軌焊接接頭平直度 mm/m

5 結(jié)論與建議

1)針對(duì)朔黃鐵路主要采用的75 kg/m的U78CrV鋼軌，在60 kg/m鋼軌移動(dòng)閃光焊焊接工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合目前國外重載鐵路的發(fā)展現(xiàn)狀，研究提出重載鐵路移動(dòng)閃光焊焊接工藝參數(shù)，并結(jié)合試驗(yàn)段的實(shí)際情況，提出了工地鎖定焊接施工技術(shù)方案和技術(shù)要求?，F(xiàn)場(chǎng)焊接試驗(yàn)表明，焊接工藝參數(shù)以及焊接施工方案能滿足鋼軌焊接施工要求。

2)結(jié)合國內(nèi)LR1200型鋼軌閃光焊機(jī)，對(duì)焊接設(shè)備進(jìn)行了升級(jí)改造，研制了與75 kg/m鋼軌相匹配的鉗口，提高了推瘤刀及刀座強(qiáng)度，能適用于75 kg/m鋼軌的焊接。

3)結(jié)合75 kg/m鋼軌的材質(zhì)和斷面特點(diǎn)，對(duì)焊接參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，提出了焊接參數(shù)中合理的階段位移、時(shí)間、電壓、電流、速度、頂鍛量，減小了斷面灰斑產(chǎn)生幾率，提高了焊接質(zhì)量。

4)根據(jù)試驗(yàn)段的實(shí)際情況和工地焊接技術(shù)方案，依次進(jìn)行無縫線路換鋪、始端接頭焊接、長鋼軌拉伸鎖定及焊接接頭熱處理等，并給出各階段的控制指標(biāo)。該方案簡便可行，能滿足無縫線路鎖定焊接的技術(shù)要求。

建議將焊機(jī)吊臂長度延長，這樣可在同時(shí)封鎖上下行區(qū)間時(shí)進(jìn)行鄰線焊接。其優(yōu)點(diǎn)一是克服了焊機(jī)只能本線焊接的缺點(diǎn)，二是解決了因墊支塊存在的安全隱患問題，三是不干擾本線正常的換軌進(jìn)度。

[1]中國鐵道科學(xué)研究院.朔黃鐵路軌道結(jié)構(gòu)調(diào)研報(bào)告[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2012.

[2]廣鐘巖，高慧安.鐵路無縫線路[M].3版.北京:中國鐵道出版社，2001.

[3]中國鐵道科學(xué)研究院.朔黃鐵路75 kg/m鋼軌移動(dòng)閃光焊焊接技術(shù)研究報(bào)告[R].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2013.