蘇州現(xiàn)代有軌電車槽型鋼軌移動(dòng)閃光焊接質(zhì)量控制

李京增，李金華，李力，丁韋

(1.蘇州高新有軌電車有限公司，江蘇蘇州215011;2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

蘇州現(xiàn)代有軌電車槽型鋼軌移動(dòng)閃光焊接質(zhì)量控制

李京增1，李金華2，李力2，丁韋2

(1.蘇州高新有軌電車有限公司，江蘇蘇州215011;2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081)

槽型軌的標(biāo)準(zhǔn)長度為25 m，在鋪設(shè)過程中需要將其焊接成無縫線路。槽型軌在鋪設(shè)過程中的焊接方法是線路鋪設(shè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，要求在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，比較方便快捷地施工，不能影響施工進(jìn)度。本文從移動(dòng)槽型軌閃光焊機(jī)的原理、工藝試驗(yàn)、現(xiàn)場施工組織和質(zhì)量控制難點(diǎn)等方面系統(tǒng)地分析采用移動(dòng)閃光焊方法焊接的槽型鋼軌的使用情況，為現(xiàn)代有軌電車無縫線路的鋪設(shè)及焊接提供參考。

槽型軌 鋼軌焊接 移動(dòng)閃光焊 長鋼軌焊接

蘇州現(xiàn)代有軌電車軌道為埋入式軌道，采用60R2槽型鋼軌，有較強(qiáng)的整體性，具有牢固、穩(wěn)定、耐久、均衡的特點(diǎn)并且有足夠的強(qiáng)度、適當(dāng)?shù)膭偠群蛷椥?。槽型軌及減振降噪阻尼材料的引進(jìn)及全長無縫線路的應(yīng)用不但降低了噪聲，也延長了鋼軌使用壽命［1-2］。

高速及普速鐵路新線建設(shè)的軌道焊接方法是，在焊軌廠內(nèi)用固定閃光焊將100 m定尺鋼軌焊成500 m長鋼軌，運(yùn)至現(xiàn)場鋪設(shè)，現(xiàn)場采用移動(dòng)閃光焊焊接成區(qū)間無縫線路，只有岔區(qū)和膠結(jié)絕緣處不使用閃光焊接方法。閃光焊接方法及設(shè)備的可控性和穩(wěn)定性保證了焊接接頭的質(zhì)量，很大程度上減少了線路后期維護(hù)工作量。

槽型軌的標(biāo)準(zhǔn)長度為25 m，在鋪設(shè)過程中需要將其焊接成無縫線路，1 km雙線160個(gè)接頭，焊接工作量較大。槽型軌在鋪設(shè)過程中的焊接方法是線路鋪設(shè)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，保證焊接質(zhì)量(槽型軌鋪設(shè)后的重新焊接和斷軌修復(fù)難度較大)的同時(shí)，現(xiàn)場施工比較方便快捷，不影響施工進(jìn)度。

此前，國內(nèi)外槽型軌焊接主要采用電弧焊和鋁熱焊方法，少部分采用固定式閃光焊方法。電弧焊的時(shí)間過長，焊接一個(gè)接頭需要1 h以上，并且工人的勞動(dòng)強(qiáng)度很大。槽型軌(T62)電弧焊的接頭性能良好，靜彎試驗(yàn)接頭靜彎值平均達(dá)到1 510 kN;鋁熱焊的質(zhì)量較低，靜彎值一般只能達(dá)到1 200～1 300 kN，若大量使用無法保證線路質(zhì)量，國外同樣無法有效解決斷軌問題。國外的槽型軌閃光焊較為少見，目前僅限于固定閃光焊接方法，但是該方法無法用于現(xiàn)場焊接。如何解決現(xiàn)場槽型軌高質(zhì)量、快速焊接問題是國內(nèi)外的普遍難題［3］。

2013年以來，中國鐵道科學(xué)研究院研發(fā)了一種可以進(jìn)行槽型軌現(xiàn)場閃光焊的焊機(jī)，其焊接方式可以實(shí)現(xiàn)一次鋪設(shè)、連續(xù)焊接施工。這樣既保證了槽型軌的焊接質(zhì)量，同時(shí)也加快了施工進(jìn)度，適用于大規(guī)模槽型軌的線路施工。

本文從槽型軌焊機(jī)的原理、工藝試驗(yàn)、現(xiàn)場施工組織和質(zhì)量控制難點(diǎn)等方面系統(tǒng)地分析采用移動(dòng)閃光焊方法焊接的槽型鋼軌的使用情況。為現(xiàn)代有軌電車無縫線路的鋪設(shè)及焊接提供參考。

1 槽型鋼軌移動(dòng)閃光焊機(jī)

研制槽型軌閃光焊機(jī)的最大困難是焊機(jī)的夾持方式要符合鋼軌和施工工況要求。槽型軌(60R2)的軌頂寬度較大，達(dá)到了110 mm，而普通60 kg/m鋼軌的寬度只有70 mm。另外，由于槽型軌自身不對(duì)稱，并且在線路上左右股的方向是相反的(槽朝向里)，因此，還需要考慮如何使焊機(jī)對(duì)左右股都可以進(jìn)行焊接。本文主要介紹與普通焊機(jī)相比槽型軌焊機(jī)在鉗口夾持和焊后推瘤兩方面的關(guān)鍵改進(jìn)。焊機(jī)液壓系統(tǒng)、自動(dòng)化控制和配套機(jī)械結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)以滿足槽型軌焊接的需要，本文不予介紹。

1.1 夾持機(jī)構(gòu)

對(duì)移動(dòng)式鋼軌閃光焊機(jī)的鉗口結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，在不改變焊機(jī)鉗口張開角度和夾持軸距的基礎(chǔ)上，電極仍然采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。左電極和右電極結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，這樣的結(jié)構(gòu)為雙向夾持創(chuàng)造了條件。在夾持槽型軌時(shí)增加一個(gè)部件——電極墊塊，該部件應(yīng)用于槽型軌溝槽下方軌腰一邊，既可以解決槽型軌雙向夾持問題(圖1)，同時(shí)也解決了大尺寸軌頂難以伸入鉗口的問題。

圖1 槽型軌雙向夾持示意

為達(dá)到上述目的，設(shè)計(jì)了新型鉗口結(jié)構(gòu)，將鉗口夾軌端的夾軌空間尺寸加大，這樣就可以將槽型軌的軌頭伸入焊機(jī)的鉗口。但是，由于鉗口張開的角度有限，鉗口合攏后軌腰部分電極無法夾住軌腰，為解決這一問題，設(shè)計(jì)了一組電極墊塊，墊在電極和槽型軌之間，使得鉗口通過墊塊夾持住槽型軌。墊塊的位置選在了槽型軌溝槽下面的軌腰部位，并且只墊在這一邊。這種設(shè)計(jì)出于兩方面的考慮:①使用方便，因?yàn)楹附訒r(shí)只需要墊一邊即可;②槽型軌本身截面并非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，軌頭正好偏于溝槽一邊，選用墊溝槽下面可以使得整體形心處于相對(duì)中間的位置，這樣可以使得鉗口的張開尺寸減小，比較容易實(shí)現(xiàn)雙向夾持。墊塊的另外一個(gè)目的是導(dǎo)電，因此設(shè)計(jì)采用了導(dǎo)電性能良好的材料。為了使墊塊使用方便，在墊塊上添加了磁性材料，這樣墊塊可以較為容易地放置到槽型軌的軌腰部位。

1.2 推凸機(jī)構(gòu)

槽型軌閃光焊雙面推凸刀如圖2所示，推凸刀為雙面刀刃，反方向夾持槽型軌時(shí)，只要將推凸刀另一面(即背面)對(duì)著槽型軌接頭處即可。由于重力影響推凸刀會(huì)出現(xiàn)槽型軌上方推凸較為平，推凸余量較小，而下方推凸余量較大的現(xiàn)象。解決這一問題的方法是在槽型軌上的推凸刀軌頭下方適當(dāng)加入墊片將推凸刀架起2 mm左右，這樣可以使得整個(gè)接頭推凸較為整齊，不會(huì)出現(xiàn)上下不均勻的現(xiàn)象。

圖2 槽型軌閃光焊雙面推凸刀

現(xiàn)場焊機(jī)使用效果良好，焊接過程方便，1 h能完成現(xiàn)場焊接頭4～6個(gè)。

2 工藝試驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)

2.1 工藝參數(shù)及試驗(yàn)

由于截面形狀較為復(fù)雜槽型軌左右不對(duì)稱并且軌腰和軌底的厚度較薄。圖3為60R2槽型軌和60 kg/m鋼軌截面對(duì)比。60R2槽型軌截面積為7 616 mm2，60 kg/m鋼軌為7 690 mm2，截面積的差距并不大，60R2槽型軌略小。60R2槽型軌的軌腰和軌腳厚度與60 kg/m差距較大。60R2槽型軌軌腰厚度為12 mm，而60 kg/m軌腰的最薄處為16.5 mm;60R2槽型軌軌腳端部厚度為8.27 mm，而60 kg/m鋼軌為12 mm?？傮w來看，60R2槽型軌的形狀特點(diǎn)是左右不對(duì)稱，軌腰、軌腳厚度小并且高度大。這些特點(diǎn)導(dǎo)致槽型軌與普通鋼軌的閃光焊工藝差距較大，難度有所提高。

圖3 60R2槽型鋼軌與60 kg/m鋼軌截面對(duì)比(單位:mm)

對(duì)于鋼軌閃光焊來說，由于軌腳較薄，焊縫不易保護(hù)，因此容易在端部形成灰斑缺陷。此外，槽型軌的軌腳厚度只有普通鋼軌的70%，若進(jìn)一步減小，焊接過程中軌腰和軌腳焊接熱影響區(qū)容易過熱軟化，導(dǎo)致頂鍛效果差，焊接質(zhì)量難以保證。

灰斑產(chǎn)生的原因較為復(fù)雜，目前普遍認(rèn)為這與過梁爆破形成的火坑有關(guān)。由于較薄的結(jié)構(gòu)容易造成加熱寬度加大或過熱，因此在同樣爆破能量下其形成的火坑就較深，形成灰斑的概率也就相應(yīng)增大。綜合調(diào)整焊接工藝參數(shù)是一個(gè)相對(duì)有效的方法。

調(diào)整后的焊接工藝參數(shù)如圖4所示，槽型軌焊接分為階段1～階段8+加速燒化階段。在每個(gè)階段內(nèi)，通過設(shè)置時(shí)間、電壓、位移速度、電流和位移量來控制焊接過程，進(jìn)入下一個(gè)階段采用時(shí)間和位移雙控制方法，也就是時(shí)間和位移只要有一個(gè)先滿足條件，就立即進(jìn)入下一階段。這樣的控制方法可以保證焊接工藝相對(duì)穩(wěn)定，避免出現(xiàn)焊接時(shí)間過長或過短。

階段1為閃平階段，焊接電壓適當(dāng)提高，前進(jìn)和后撤速度保持中速，后撤的門檻電流相對(duì)較低。試驗(yàn)表明，60R2槽型軌較容易閃光，因此參數(shù)不宜過大，時(shí)間縮短到25 s。雖然不能正常閃光，但必須保證不出現(xiàn)長時(shí)間的短路以避免出現(xiàn)加熱不均的現(xiàn)象，以燒化量作為參考依據(jù)，達(dá)到燒化量后，即可完成該階段焊接。

階段2～階段4為脈動(dòng)閃光階段，焊接電壓應(yīng)當(dāng)大幅度下降，并且應(yīng)當(dāng)連續(xù)下降，前進(jìn)速度達(dá)到2 mm/s以上，后撤速度達(dá)到1.2 mm/s以上。降低焊接電壓和快速前進(jìn)的主要目的是避免出現(xiàn)槽型軌燒化，一旦出現(xiàn)大幅度燒化，槽型軌的加熱部分就會(huì)被白白燒掉，應(yīng)當(dāng)盡可能避免出現(xiàn)這種情況。脈動(dòng)階段由于焊接位移量很小，因此以焊接時(shí)間為主要控制節(jié)點(diǎn)，根據(jù)試驗(yàn)情況，時(shí)間分別縮短至30，20和20 s。

階段5～加速燒化階段為加速閃光階段(連續(xù)閃光階段)，加速閃光階段為連續(xù)閃光，前期由于位移速度降低較快，因此設(shè)置分的周期很細(xì)，而后期要求閃光盡量連續(xù)，因此焊接電壓要適當(dāng)提高。后期的位移速度是一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)節(jié)參數(shù)。以往焊接普通鋼軌時(shí)，連續(xù)閃光的位移速度一般控制在0.45 mm/s以上，但是對(duì)于槽型軌，由于軌腰和軌底的厚度較薄，同樣的閃光速度會(huì)導(dǎo)致過梁爆破的火坑過大，端部熱量過高，容易產(chǎn)生灰斑，因此應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小位移速度。

2.2 閃光焊接頭檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

槽型軌閃光焊接目前國內(nèi)外均較為少見，還沒有完整的焊接接頭性能檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，目前只能參考《鋼軌焊接》(TB/T 1632—2005)。為此，中國鐵道科學(xué)研究院和蘇州高新有軌電車有限公司采用工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)槽型軌閃光焊接頭性能進(jìn)行了大量研究［4］，制訂了《城市軌道交通用槽型軌閃光焊接暫行技術(shù)條件》［5］，接頭質(zhì)量要求見表1。

圖4 焊接工藝參數(shù)

表1 槽型鋼軌閃光焊接接頭質(zhì)量要求(適用于60R2的U75V鋼軌)

3 現(xiàn)場施工組織

鋼軌移動(dòng)閃光焊接的基本工序和流程見圖5。

鋼軌焊接前先在待焊接頭距離端頭700 mm范圍內(nèi)的軌腰用直向式電動(dòng)砂輪機(jī)打磨除銹，同時(shí)對(duì)待焊鋼軌端面進(jìn)行除銹打磨和垂直度打磨處理，確保焊接質(zhì)量。根據(jù)型式試驗(yàn)確定的參數(shù)進(jìn)行鋼軌焊接。正火起始溫度必須＜400℃，完成后讓焊縫自然冷卻［6］。

用新研制的仿形打磨機(jī)對(duì)鋼軌焊接接頭進(jìn)行精磨。用1 m直尺測(cè)量鋼軌焊頭的平直度，須滿足表2的規(guī)定。

圖5 鋼軌移動(dòng)閃光焊接基本工序流程

表2 槽型鋼軌閃光焊接頭平直度要求mm

鋼軌冷卻到50℃以下時(shí)對(duì)鋼軌焊頭進(jìn)行探傷，探傷合格后進(jìn)行下一個(gè)接頭的焊接。一根長軌條焊接完成后再進(jìn)行下一根長軌條的焊接，直到交叉口的4根長軌條全部焊接完畢并經(jīng)第三方探傷檢測(cè)，合格后按照設(shè)計(jì)鎖定軌溫進(jìn)行無縫線路鎖定。

4 焊接質(zhì)量控制難點(diǎn)

4.1 接頭外觀質(zhì)量

由于槽型軌的截面形狀復(fù)雜，軋制難度較大。表3列出了兩種鋼軌尺寸極限公差對(duì)比結(jié)果，可以看出除了軌腰厚度外，其余三項(xiàng)，槽型軌公差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通標(biāo)準(zhǔn)鋼軌。

表3 普通標(biāo)準(zhǔn)鋼軌與槽型鋼軌尺寸極限公差比較mm

在現(xiàn)場施工時(shí)，待焊接頭兩端鋼軌經(jīng)常出現(xiàn)尺寸偏差較大難以對(duì)中的情況，對(duì)接頭錯(cuò)牙量和平直度的控制增加了難度。兩軌腳較薄且較寬，特別容易扭曲，導(dǎo)致一側(cè)對(duì)中正常而另一側(cè)高低錯(cuò)牙較大。

鋼軌尺寸偏差導(dǎo)致焊機(jī)鉗口夾持對(duì)中經(jīng)常需要通過墊電極墊塊來實(shí)現(xiàn)，長時(shí)間使用后對(duì)焊機(jī)鉗口也造成一定的傷損和變形，對(duì)鉗口對(duì)中精度也產(chǎn)生了影響。

由于槽型軌的截面形狀復(fù)雜，槽型軌焊接接頭的焊后打磨比普通鋼軌難，尤其是軌頂槽內(nèi)的打磨。普通仿形打磨機(jī)對(duì)工作邊很難打磨，需要用立式寬砂輪片的砂輪機(jī)打磨。

4.2 焊后熱處理質(zhì)量

鋼軌焊接接頭熱處理可以使焊接接頭的力學(xué)性能得到顯著改善。接頭焊后熱處理質(zhì)量主要受全斷面溫度是否達(dá)到要求且是否均勻、擺火寬度和頻次的影響。由于行業(yè)內(nèi)可供槽型軌使用的加熱器產(chǎn)品還不成熟，加熱的效果需要通過試驗(yàn)不斷改進(jìn)。

槽型軌閃光焊接頭熱處理加熱器經(jīng)過了溫度測(cè)量和火孔調(diào)節(jié)等試驗(yàn)。由于槽型軌的截面形狀較為復(fù)雜，火孔的分布和設(shè)置難度很大?；鹂渍{(diào)試的主要依據(jù)有兩條:①接頭整個(gè)焊接全斷面的各個(gè)部位加熱均勻;②必須覆蓋焊接熱影響形成的接頭軟化帶。

4.3 長鋼軌焊接

鋼軌焊接現(xiàn)場工況與型式檢驗(yàn)的區(qū)別，主要是長鋼軌在焊接過程中受到軌道阻力的影響，而型式檢驗(yàn)時(shí)鋼軌是處于自由狀態(tài)。減少長鋼軌在焊接時(shí)的運(yùn)動(dòng)阻力是保證焊接質(zhì)量的重要因素。

50～400 m長的鋼軌焊接，采用墊滾筒的方式來減少軌道阻力，必須隔10 m墊一個(gè)滾筒，待焊的長鋼軌必須都?jí)|上滾筒。

400 m以上的長鋼軌焊接，采用墊滾筒+撥彎的方式來減少軌道阻力:先將待焊兩鋼軌撥到重疊4 cm (兩鋼軌錯(cuò)開，相比鋼軌消耗有一定余量);在待焊接頭離自由端鋼軌的50～90 m區(qū)域往道床外面撥彎，撥彎前必須將撥彎區(qū)域外側(cè)的扣件全部卸掉，內(nèi)側(cè)和50 m以內(nèi)扣件不能卸;50 m以內(nèi)鋼軌隔10 m墊1個(gè)滾筒，撥彎區(qū)域墊上3根圓管，便于焊接時(shí)滑回去;在焊接過程中，3～4個(gè)工人站在撥彎區(qū)域鋼軌外側(cè)順勢(shì)往軌道槽里撥鋼軌，焊接完成，鋼軌應(yīng)該會(huì)重新入槽。

中間插入軌第2個(gè)接頭可根據(jù)自由端鋼軌情況進(jìn)行焊接。如果是25 m軌就用普通焊接方法;如果是50～400 m長鋼軌必須墊滾筒焊;如果是400 m以上的或者已經(jīng)放散完成的長鋼軌，必須按照超長鎖定焊接要求采用墊滾筒+撥彎的方式進(jìn)行焊接。

滾筒墊在軌道鋼軌和軌道板之間，輪滾動(dòng)方向和鋼軌拉動(dòng)方向一致，不允許斜著放;墊完滾筒后，應(yīng)該比較輕松就能拉動(dòng)鋼軌;在焊接過程中不能卸滾筒，同時(shí)檢查鋼軌是否被扣件或者異物別住。

接頭外觀、正火和長鋼軌焊接是現(xiàn)場施工中槽型軌焊接接頭質(zhì)量難以控制的關(guān)鍵點(diǎn)，由于國內(nèi)外移動(dòng)閃光焊接槽型軌屬于剛起步發(fā)展階段，仍然需要借鑒普通60 kg/m鋼軌的焊接經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)槽型軌工況進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)。

5 結(jié)論

1)焊機(jī)設(shè)計(jì)通過在電極和槽型軌之間墊一組電極墊塊使得鉗口通過墊塊夾持住槽型軌?，F(xiàn)場焊機(jī)使用效果良好，焊接過程簡單方便。

2)根據(jù)槽型軌斷面形狀，進(jìn)行針對(duì)性焊接工藝試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，參考《鋼軌焊接》制訂了《城市軌道交通用槽型軌閃光焊接暫行技術(shù)條件》，該技術(shù)條件各項(xiàng)性能指標(biāo)基本和《鋼軌焊接》的60 kg/m鋼軌相當(dāng)。

3)焊接施工基本工序是焊前除銹—焊前對(duì)軌—焊接—焊后熱處理—接頭粗磨—接頭精磨—驗(yàn)收(探傷和外觀)。

4)接頭外觀、正火和長鋼軌焊接是現(xiàn)場施工中槽型軌焊接接頭質(zhì)量難以控制的關(guān)鍵點(diǎn)，由于國內(nèi)外移動(dòng)閃光焊接槽型軌屬于剛起步階段，仍然需要借鑒普通60 kg/m鋼軌焊接經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)槽型軌工況進(jìn)行改進(jìn)。

［1］上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院.蘇州高新區(qū)有軌電車1號(hào)線工程初步設(shè)計(jì)［Z］.上海:上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院，2012.

［2］李京增，李力，李金華.現(xiàn)代有軌電車軌道結(jié)構(gòu)探析［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2014(5):55-58.

［3］王灝，田振清，周楠森，等.現(xiàn)代有軌電車系統(tǒng)研究與實(shí)踐［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［4］李京增，胡玉堂，田甜，等.槽型鋼軌閃光焊接頭與鋁熱焊接頭的性能試驗(yàn)研究［J］.鐵道建筑，2013(6):144-146.

［5］中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所.城市軌道交通用槽型軌閃光焊接暫行技術(shù)條件［S］.北京:中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，2013.

［6］陳偉國，高成鋼，鄒良甫.鋼軌閃光焊接頭熱處理工裝和工藝的優(yōu)化［J］.鐵道建筑，2014(11):167-170.

(責(zé)任審編李付軍)

U213.9+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.37

1003-1995(2015)05-0147-05

2014-11-04;

2015-01-27

李京增(1983—)，男，山東臨沂人，助理工程師。