YHG-1200TH閃光焊機在蘭新高鐵鋼軌焊接中的應(yīng)用研究

公彥良

(中鐵十六局集團公司第四工程有限公司,北京　101400)

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YHG-1200TH閃光焊機在蘭新高鐵鋼軌焊接中的應(yīng)用研究

公彥良

(中鐵十六局集團公司第四工程有限公司,北京101400)

摘要：蘭新鐵路第二雙線新疆段LXTJ6標(biāo)負(fù)責(zé)鋪設(shè)長鋼軌約650單線km,無縫線路采用60 kg/m、U71Mn(G)鋼軌。為了保證鋼軌焊接接頭的質(zhì)量,提高焊接效率,蘭新鐵路長鋼軌接頭焊接采用YHG-1200TH型移動式閃光焊機進行施焊。介紹該焊機的性能、焊接工藝參數(shù)選定方法和鋼軌閃光焊焊接接頭的型式檢驗方法,通過試驗和實踐驗證所選工藝參數(shù)的合理性。

關(guān)鍵詞：蘭新高速鐵路；無縫線路；YHG-1200TH型閃光焊機；鋼軌閃光焊接；施工

1概述

蘭新鐵路第二雙線(簡稱“蘭新高鐵”)正線全長1 776 km，其中新疆境內(nèi)線路長度710 km，是亞歐大陸橋快速通道的重要組成部分，是我國在西北戈壁地區(qū)修建的第一條高速鐵路。無縫線路的平順性好，行車平穩(wěn)，旅客乘坐舒適度高，非常適合高速和重載列車的運行，還可以減少機車車輛的運營費用[1]。蘭新高鐵全線鋪設(shè)CRTS-Ⅰ型雙塊式無砟軌道，一次鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，蘭新高鐵開通運營速度為250 km/h。

蘭新高鐵新疆段LXTJ6標(biāo)鋪軌工程起訖點里程為DK1501+500至DK1834+488，正線鋪軌約650單線km，鋪軌施工內(nèi)容包括長鋼軌鋪設(shè)、工地鋼軌焊接等。蘭新高鐵采用了60 kg/m、U71Mn(G)鋼軌。工地現(xiàn)場焊接接頭數(shù)量為2 450個。

2YHG-1200TH型鋼軌閃光焊機簡介

2.1　鋼軌焊接設(shè)備發(fā)展

我國鐵路鋪設(shè)無縫線路的鋼軌焊接分為廠焊和現(xiàn)場焊。廠焊采用閃光接觸焊，焊接接頭的強度和精度均能達到鋼軌焊接質(zhì)量要求。現(xiàn)場焊如采用小型氣壓焊和鋁熱焊，焊接質(zhì)量較難控制。隨著我國鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鋼軌現(xiàn)場焊接中鋁熱焊和氣壓焊將大量被自動化程度高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定的移動閃光焊代替。近幾年，我國的移動式鋼軌閃光焊發(fā)展十分迅速，應(yīng)用范圍大幅度提高[2]。

閃光焊接頭質(zhì)量是由一系列先進的裝備以及完善的工藝來保證的[3]。移動式鋼軌閃光焊機主要用于鋼軌的工地焊接，屬實現(xiàn)線路無縫化的關(guān)鍵設(shè)備。

YHG-1200TH型移動式鋼軌閃光焊機是我國自主研發(fā)的最新焊軌設(shè)備[4]。YHG-1200TH型移動式鋼軌閃光焊機最大焊接效率是12～16頭/h，明顯優(yōu)于現(xiàn)有同類焊機。在京滬高速鐵路和蘭新高速鐵路項目中均應(yīng)用了這種閃光焊機(圖1)。

圖1　YHG-1200TH在蘭新二線6標(biāo)工地焊軌作業(yè)

2.2　設(shè)備性能

YHG-1200TH型移動交流鋼軌閃光焊機可實現(xiàn)脈動和連續(xù)閃光焊接工藝。

(1)YHG-1200TH型移動式鋼軌閃光焊機的鋼軌夾持機構(gòu)采用杠桿原理，實現(xiàn)了夾持力的放大，減小了夾緊油缸尺寸，降低了油缸最大工作壓力，從而改善了焊機工作的安全性能。

(2)焊接變壓器采用次級內(nèi)冷方式，大大減小了變壓器的體積，有效提高了散熱效率。

(3)焊機具有保壓推凸功能，可根據(jù)實際需要調(diào)整保壓時間，進一步提高了線上鋼軌焊接接頭的質(zhì)量。

(4)起吊系統(tǒng)在設(shè)計上充分考慮到了曲線超高和小半徑曲線處鋼軌接頭的焊接。

(5)電控系統(tǒng)具有動作指示功能，能夠?qū)崿F(xiàn)整個鋼軌焊接過程的自動監(jiān)視和控制，提高了故障診斷效率。

(6)系統(tǒng)軟件采用了獨特的用戶權(quán)限管理和數(shù)據(jù)加密方式，可有效防止任意修改和復(fù)制焊接參數(shù)及焊接數(shù)據(jù)，并具有獨立的曲線查看功能，能夠?qū)附忧€進行快速查看和縮放等操作。

(7)YHG-1200TH型移動式交流鋼軌閃光焊機配備的數(shù)控軟件將電流-時間曲線、電壓-時間曲線、位移-時間曲線及壓力曲線合成在一個窗口上，一目了然，方便操作人員控制焊接作業(yè)。

(8)YHG-1200TH型移動式交流鋼軌閃光焊機實現(xiàn)了鋼軌閃光焊質(zhì)量信息的采集與控制可視化，焊接質(zhì)量數(shù)控，焊接結(jié)果合格與否隨焊接結(jié)束而顯示。

YHG-1200TH型移動式交流鋼軌閃光焊機性能穩(wěn)定、可操控性、造價低，是我國自主研發(fā)的專門用于鐵路施工現(xiàn)場鋼軌焊接的閃光焊機，完全可以替代國外同類產(chǎn)品[4]。

YHG-1200TH型移動式閃光焊機可以滿足各種材質(zhì)(U71Mn，U71Mn(G)，U75V和U76BNbER等)、各種規(guī)格(43、50、60、75 kg/m等)鋼軌的基地焊或現(xiàn)場焊。

2.3　設(shè)備構(gòu)造

移動式交流鋼軌閃光焊機主要由供電設(shè)備(發(fā)電機組)、焊接主電路、液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、吊裝系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和集裝箱等8部分組成，發(fā)電機組因體積大等原因單獨置于一個集裝箱中，其他幾部分均集成在另一個集裝箱中[4]，如圖2所示。

圖2　YHG-1200TH焊機整體結(jié)構(gòu)示意

2.4　設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

YHG-1200TH型移動式鋼軌閃光焊機的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　YHG-1200TH型焊機主要技術(shù)參數(shù)

3鋼軌閃光焊施工工藝

在高速鐵路正線上將500 m長鋼軌焊接成一定長度的單元軌節(jié)，再對單元軌節(jié)進行應(yīng)力放散及鎖定，單元軌節(jié)長度宜為1 000～2 000 m，最短不得小于200 m[5]。將500 m長鋼軌焊接成單元軌節(jié)采用現(xiàn)場單元焊，將單元軌節(jié)焊接并應(yīng)力放散鎖定為鎖定焊。現(xiàn)場焊一般采用閃光焊，鋼軌閃光焊工藝流程[6]：鋼軌焊前檢查→矯直鋼軌→焊前除銹→焊接和推凸→粗磨→焊后熱處理→焊接接頭矯直→外形精整及平直度檢驗→超聲波探傷→焊接接頭編號。

3.1　閃光焊工作原理

鋼軌閃光焊也叫接觸焊，其工作原理是利用電流通過電阻時所產(chǎn)生的熱量熔接焊件，再經(jīng)頂鍛以完成焊接[7-8]，如圖3所示。

圖3　閃光焊工作原理示意

3.2　焊接工藝選擇

一般認(rèn)為，脈動閃光工藝比連續(xù)閃光工藝有利于焊接質(zhì)量的提高[2]。鋼軌焊接采用脈動閃光工藝的優(yōu)點：可實現(xiàn)高效焊接；可縮短焊接時間；提高軌道焊接效率2～4倍；焊接接頭灰斑缺陷數(shù)量少，落錘合格率與優(yōu)質(zhì)率明顯提高；可以改善焊接變壓器的工作條件，減少鋼軌焊接消耗量，節(jié)約工程成本[9]。蘭新高鐵長鋼軌現(xiàn)場單元焊和鎖定焊采用了脈動閃光焊接工藝。

脈動閃光焊接工藝一般分為5個階段:第一階段為不穩(wěn)定脈動閃光階段；第二階段為穩(wěn)定脈動閃光階段；第三階段為連續(xù)閃光階段；第四階段為頂鍛階段；第五階段為保壓階段。為了獲得較為理想的脈動閃光過程，第一和第二階段參數(shù)還可以進一步分解成若干步驟(表2)，脈動閃光焊工藝曲線見圖4。

表2　YHG-1200TH型焊機焊接工藝步驟

圖4　蘭新鐵路LXTJ6標(biāo)單元焊脈動閃光焊工藝曲線

3.3　焊接工藝參數(shù)

脈動閃光焊接主要工藝參數(shù)包括：焊接電壓、電流、送進速度、持續(xù)時間、位移、頂鍛速度、頂鍛持續(xù)時間和頂鍛量等。制定鋼軌閃光焊工藝參數(shù)應(yīng)從以下幾點考慮[10]。

(1)必須在兩待焊鋼軌兩端建立適當(dāng)?shù)募訜釁^(qū)和溫度梯度且保證鋼軌端面上的溫度分布均勻。

(2)設(shè)法使鋼軌焊縫處的金屬在閃光加熱過程中不被氧化。

(3)鋼軌焊接接頭的兩邊應(yīng)有足夠的塑性變形區(qū)。

蘭新高鐵試驗選定的焊接參數(shù)見表3、表4。

表3　蘭新高鐵LXTJ6標(biāo)段單元焊工藝參數(shù)1

選擇脈動閃光保壓推瘤模式，由可編程序控制器自動控制焊接電流、電壓、位移、壓力等參數(shù)，焊接時間約2 min，當(dāng)焊接系統(tǒng)的壓力降到21 MPa焊頭溫度低于400 ℃以后，才能松開焊機[11]。

表4　蘭新高鐵LXTJ6標(biāo)段單元焊工藝參數(shù)2

4焊接接頭型式檢驗方法和結(jié)果

蘭新高鐵采用60 kg/m、U71Mn(G)鋼軌，由包鋼中鐵軌道有限責(zé)任公司生產(chǎn)制造。按照施工標(biāo)準(zhǔn)[12]要求，批量開始進行長鋼軌現(xiàn)場單元焊之前，采用YHG-1200TH型移動式交流鋼軌閃光焊機按照表3、表4焊接工藝參數(shù)焊接了型式檢驗試件，并報送中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所進行試驗檢測。一批型檢試件共37個焊接接頭，檢測項目包括：落錘、斷口、靜彎、疲勞、沖擊、拉伸、硬度、顯微組織共8項，檢驗依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[13-14]進行。焊接完成的鋼軌閃光焊接頭見圖5。

圖5　YHG-1200TH焊機完成鋼軌閃光焊接頭

4.1　落錘和斷口

落錘試驗的錘質(zhì)量為1 000 kg，落錘高度3.1 m，支距1 m，試件軌頭向上，焊縫居中。利用落錘試驗后的試件，補加錘擊擊斷，肉眼檢查斷口。該檢測需15個焊接頭試件，每個試件經(jīng)2 m高落錘試驗均為發(fā)生斷裂。斷口未見超標(biāo)缺陷。

4.2　靜彎

靜彎試驗的支距為1 m，焊縫居中，焊縫中心承受集中載荷。試驗規(guī)則為：每5根試件為1組，其中4根軌頭受壓，1根軌頭受拉，共進行3組。試驗結(jié)果顯示拉力和壓力均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3　疲勞

一批試件中對31、32號和33號試件進行疲勞試驗，3個焊接接頭疲勞試驗載荷循環(huán)次數(shù)為2×106次，均未斷裂。

4.4　沖擊

對34號焊接接頭試件取樣進行沖擊試驗，采用夏比U型缺口沖擊試驗方法，試驗環(huán)境溫度為20 ℃。試驗結(jié)果：AKU=6.9 J>6.5 J，合格。

4.5　拉伸

對35號焊接接頭試件取樣進行拉伸試驗，焊接接頭拉伸試樣直徑為φ10 mm，延伸率標(biāo)距為50 mm。試驗結(jié)果：

Rm=877 MPa>800 MPa，合格。

A=12.8%>6%，合格。

4.6　硬度

4.6.1焊接接頭軌頂面和縱斷面硬度

對36號焊接接頭試件取樣測試軌頂面布氏硬度，焊縫處記為“0”點，向焊縫兩側(cè)每隔7.5 mm測量一點，檢測結(jié)果見表5。

表5　焊接接頭軌頂面硬度測量結(jié)果(HB)

對37號焊接接頭試件取樣測試縱斷面洛氏硬度，焊縫兩側(cè)每隔5 mm，測量一點，檢測結(jié)果見表6。

表6　焊接接頭縱斷面硬度測量結(jié)果(HRC)

4.6.2軟化區(qū)寬度

利用測試線1上各測點硬度值繪制硬度曲線和繪制0.95HP水平線，測試焊縫兩側(cè)水平線以下的硬度曲線寬度W，標(biāo)準(zhǔn)要求W≤20 mm，測試結(jié)果見圖6。

圖6　軟化區(qū)寬度測試曲線

4.7　顯微組織

利用硬度試件進行焊接接頭顯微組織試驗，取樣位置見圖7，箭頭指向面為觀察面，軌頭1處和軌底2處。

標(biāo)準(zhǔn)要求焊縫、熱影響區(qū):珠光體，可出現(xiàn)少量鐵素體；不應(yīng)有馬氏體、貝氏體和魏氏組織。

試驗結(jié)果焊縫和熱影響區(qū)顯微組織為珠光體和鐵素體，未見異常組織(圖8)。

圖7　顯微組織試驗取樣圖(單位：mm)

圖8　焊接接頭金相組織

5結(jié)語

(1)蘭新高鐵現(xiàn)場焊焊接工藝試驗確定的焊接參數(shù)穩(wěn)定可靠，焊接接頭各項技術(shù)性能均達到了規(guī)范的要求，可按型式檢驗合格的焊接參數(shù)進行接頭的批量生產(chǎn)。

(2)蘭新高鐵新疆段LXTJ6標(biāo)段采用YHG-1200TH型移動式閃光焊機順利完成了現(xiàn)場焊軌任務(wù)，焊接施工過程數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)場單元焊和鎖定焊焊接接頭輕傷率為1.5%，重傷率為0.8%。

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Application of YHG-1200TH Flash-butt Welding Machine on Lanzhou-Urimqi High-speed Railway GONG Yan-liang

(The 4th Engineering Co., Ltd. of China Railway 16th Construction Bureau Group Co., Ltd, Beijing 101400, China)

Abstract：The sixth section of Lanzhou～ Urimqi second double track railway line in Xinjiang covers some 650 km track-laying in terms of single track. 60 kg/m U71Mn (G) rail is used for CWR. In order to guarantee the quality and improve the efficiency of rail welding, YHG-1200TH flash-butt welding machine is employed. The paper introduces the functions and performances of the machine, the methods for selecting welding parameters and quality examination. The rationality and validity of the selected welding parameters are proved experimentally.

Key words：Lanzhou～Urimqi high speed railway; Continuously welded rail; YHG-1200TH flash-butt welding machine; Rail flash welding; Construction

中圖分類號：U213.9+2

文獻標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.007

文章編號：1004-2954(2016)02-0033-05

作者簡介：公彥良(1971—)，男，高級工程師，1997年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院土木工程系，工學(xué)學(xué)士，E-mail：gylxy1971@163.com。

基金項目：中國鐵道建筑總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2011-05B)

收稿日期：2015-07-02； 修回日期：2015-07-13