精密軌道工程QU-100A鋼軌焊接技術(shù)研究

張偉靖 孫 穎 孫春瑩 閆成輝

(1.63870部隊(duì); 2.中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所,陜西 西安 710100)

1 工程概況

精密軌道工程全長(zhǎng)6 000 m，起止端部各30 m為鋼軌錨固區(qū)鋼筋混凝土整體道床結(jié)構(gòu)，中部5 940 m采用15 m鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)。軌道主體包括鋼軌、扣件組、端部錨固器組三部分。軌道采用QU-100A起重機(jī)軌、材質(zhì)為U71Mn鎮(zhèn)靜鋼制造，鋼軌五個(gè)面經(jīng)過(guò)刨床精加工而成，加工精度要求軌頂相對(duì)于中心平面的垂直度小于0.2 mm、軌頭五個(gè)加工面左右側(cè)面與頂面垂直，軌頭寬度和軌頭側(cè)面厚度尺寸小于0.1 mm、兩側(cè)面沿鋼軌橫向的直線度不大于0.02 mm，對(duì)頂面的垂直度不大于0.05 mm，鋼軌單根長(zhǎng)度為12 m左右，共計(jì)252個(gè)焊頭。

目前，國(guó)內(nèi)鋼軌的焊接方法主要有閃光焊、鋁熱焊、氣壓焊、電弧焊、電子束焊等，根據(jù)本工程的精度要求、工地的現(xiàn)場(chǎng)情況和焊接特點(diǎn)選用氣壓焊接技術(shù)。

軌道焊接質(zhì)量要求，焊接強(qiáng)度要求達(dá)到母材的90%以上，焊接斷面全部熔通，不得出現(xiàn)焊接斷面不完整的現(xiàn)象。并對(duì)焊縫進(jìn)行銑切處理，確保焊縫左右各200 mm，總長(zhǎng)400 mm范圍內(nèi)軌頂面和兩個(gè)側(cè)面的直線度0.1 mm，扭轉(zhuǎn)不大于0.05 mm。所有焊接斷面全部做探傷試驗(yàn)。

2 鋼軌焊接技術(shù)方案

2.1 鋼軌進(jìn)場(chǎng)檢驗(yàn)

1)對(duì)進(jìn)場(chǎng)的鋼軌進(jìn)行全面的外觀檢驗(yàn)(包括加工運(yùn)輸、堆放過(guò)程造成的損傷、變形等)，確保鋼軌完好。

2)驗(yàn)證檢驗(yàn)焊接工藝，焊縫打磨探傷等操作工藝，以保證焊接的質(zhì)量。

3)采用同類(lèi)型焊接工藝焊接鋼軌試件，所有試件先探傷檢測(cè)合格后，落錘試驗(yàn)15個(gè)、拉伸1個(gè)、靜彎10個(gè)、疲勞3個(gè)、沖擊1個(gè)、硬度2個(gè)等質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求后方可進(jìn)行焊軌作業(yè)施工。

4)鋼軌的型式檢驗(yàn)采用50 kg/m的標(biāo)準(zhǔn)軌為依據(jù)(QU-100A鋼軌為起重機(jī)軌的慣性矩值接近50 kg/m的標(biāo)準(zhǔn)軌)，即鋼軌落錘試驗(yàn)為1 t重錘高度2.5 m兩錘不斷或4.2 m一錘不斷；靜彎軌頭受壓F≥1 200 kN、軌頭受拉F≥1 300 kN不變形；疲勞Fmin=70 kN,Fmax=345 kN,荷載循環(huán)次數(shù)2×106不斷；拉伸R≥880 MPa；沖擊不小于6.5 J；硬度應(yīng)滿足測(cè)試應(yīng)滿足0.95HP≤HJ≤1.05HP，HJ1≥0.8HP,W≤20 mm；顯微組織及晶粒度，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，焊縫及熱影響區(qū)晶粒度應(yīng)不小于6級(jí)；斷口，無(wú)未焊合、過(guò)燒、夾渣缺陷；可存在少量光斑：?jiǎn)蝹€(gè)面積不大于8 mm2，光斑總面積不大于50 mm2。

2.2 鋼軌焊接工藝流程

1)鋼軌焊接工藝原理。

將鋼軌清潔完成后，利用氣體火焰加熱鋼軌貼合端面，當(dāng)鋼軌開(kāi)始產(chǎn)生塑性變形時(shí)，端面的金屬此時(shí)具有一定的活化能，可實(shí)現(xiàn)通過(guò)粘合面產(chǎn)生擴(kuò)散，此時(shí)即可進(jìn)行貼面的加壓頂鍛，也就是在高溫、高壓的條件下，對(duì)焊接面施加壓力，使兩貼合的焊接面間距減小到原子間相互作用的半徑大小，保證分子金屬鍵可完全連接，該過(guò)程即為再結(jié)晶過(guò)程，完成上述操作后，即可得到焊接接頭。

2)小型氣壓焊機(jī)工藝流程。

作業(yè)準(zhǔn)備→軌端處理→鋼軌固定→安裝加濕器→點(diǎn)火焊接→推凸→正火→焊縫打磨及矯正→焊縫檢查及探訪。

2.3 鋼軌焊接作業(yè)

1)鋼軌焊前的準(zhǔn)備。

a.首先對(duì)各操作設(shè)備能否正常工作進(jìn)行檢查，如高壓泵運(yùn)行、壓接機(jī)、加熱器等，同時(shí)查看整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)水、油、氣等通路有無(wú)阻塞現(xiàn)象，且保證系統(tǒng)內(nèi)氣體量滿足要求。

b.對(duì)推凸設(shè)備的零部件靈活度進(jìn)行查看，且保證刀刃無(wú)故障，若設(shè)備各方面都滿足操作要求，則將底刀、刀體、后墊放置在合適位置，備用。

c.測(cè)量工具：軌溫計(jì)、秒表、鋼直角尺、道尺等。

d.人員安全情況、安全防護(hù)等各項(xiàng)檢查。

2)鋼軌焊前打磨端面。

打磨端面之前，需對(duì)端面進(jìn)行清潔，通過(guò)清洗劑、鋼絲刷將鋼軌表面的銹跡、油污等清理干凈，打磨時(shí)，首先利用機(jī)械進(jìn)行，若機(jī)械打磨后部分區(qū)域不合格，則通過(guò)人工利用銼刀進(jìn)行打磨，保證待焊接端面與鋼軌縱端軸線垂直，當(dāng)端面粗糙程度滿足標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，即可完成打磨，但金屬表面被打磨后其金屬鍵很容易產(chǎn)生變化，活潑程度較高的金屬鍵很容易與氧氣結(jié)合，影響焊接的正常進(jìn)行。所以金屬面在打磨完成后，需在最短時(shí)間內(nèi)完成焊接，防止端面打磨后金屬產(chǎn)生氧化。

3)鋼軌對(duì)接。

在待焊的鋼軌一側(cè)上扣放好壓接機(jī)，把軌縫調(diào)節(jié)到1 mm～3 mm，太小的軌縫，可能由于軌道溫度上升時(shí)，鋼軌產(chǎn)生熱膨脹現(xiàn)象，使軌縫逐漸減小，從而影響了焊接；若軌縫過(guò)大，將會(huì)導(dǎo)致壓接機(jī)無(wú)法完成頂鍛。

固定對(duì)接過(guò)程中，需保證已經(jīng)打磨的端面不被污染、劃傷，且固定軌頂螺栓時(shí)需保證母材不受損，鋼軌固定完成后，即可預(yù)頂，將壓力設(shè)置為24 MPa，避免打滑。

4)安放加熱器。

依據(jù)操作標(biāo)準(zhǔn)將加熱器放置到合適位置，將火孔平面、鋼軌平面間距設(shè)置為24 mm～25 mm，保證加熱器火孔所處平面與鋼軌縱軸平面垂直，且安裝加熱器時(shí)，避免焊縫內(nèi)進(jìn)入水滴。

5)推凸裝置的安放。

安裝推凸設(shè)備前，還需對(duì)該設(shè)備各部分零配件是否能靈活運(yùn)行進(jìn)行檢查，鋼軌、推刀刃口間距標(biāo)準(zhǔn)為：軌腰1.5 mm～2 mm；軌底1.5 mm～2 mm;軌頭1 mm～1.5 mm。可將設(shè)備的安裝劃分為刀墊、前刀體兩部分。

6)鋼軌點(diǎn)火焊接。

開(kāi)始焊接前，需對(duì)焊接工具、安全防護(hù)等各方面是否吻合要求進(jìn)行檢查；一切工作準(zhǔn)備就緒后，可點(diǎn)火焊接。燃?xì)馊紵壤?jiàn)表1。

表1 燃燒比例

點(diǎn)火時(shí)，焊縫距離點(diǎn)火位置較近時(shí)，可能污染焊縫隙，因而要將加熱器搖至遠(yuǎn)離焊縫的位置。根據(jù)上表中的比例將燃燒氣體混合后，靜置3 s～4 s，當(dāng)混合氣體噴出后，即可進(jìn)行點(diǎn)火，然后將加熱器轉(zhuǎn)移到焊縫處，擺動(dòng)加熱。焊接過(guò)程中，其擺動(dòng)量設(shè)置見(jiàn)表2。

表2 焊接時(shí)采用的擺動(dòng)量

燃燒氣體參數(shù):

a.氣體出口壓力：O2：0.5 MPa～0.6 MPa；乙炔：0.16 MPa～0.17 MPa。

b.氣體流量：O2：4.0 m3/h～5.2 m3/h；乙炔:5.0 m3/h～5.2 m3/h。

持續(xù)加熱使軌端表面溫度為1 350 ℃～1 400 ℃、內(nèi)芯溫度達(dá)到1 250 ℃時(shí)，軌端開(kāi)始可產(chǎn)生塑性形變，此時(shí)可進(jìn)行頂鍛操作，操作過(guò)程中防止產(chǎn)生欠熱、過(guò)燒。溫度檢測(cè)采用紅外線測(cè)溫儀。

7)加熱及頂鍛。

當(dāng)軌端加熱后呈塑性狀態(tài)時(shí)，給軌端施加頂緊壓力45 MPa，鋼軌互相擠壓進(jìn)28 mm～32 mm時(shí)熄火，熄火后再繼續(xù)頂2 mm，促使鋼軌端頭連接，焊接時(shí)，頂鍛、加熱具有相關(guān)性，兩者關(guān)系見(jiàn)表3。

表3 加熱與頂鍛關(guān)系

頂鍛距離可設(shè)置為30+2 mm，若實(shí)際頂鍛時(shí)該距離滿足標(biāo)準(zhǔn)，即可將加熱器熄滅，然后繼續(xù)頂進(jìn)2 mm，頂鍛完成。

8)鋼軌焊瘤的推除。

頂鍛結(jié)束后，即可將加熱器熄滅，把時(shí)間控制在10 s～15 s內(nèi)的范圍，用焊機(jī)上的附加推除刀(當(dāng)軌溫為1 250 ℃～950 ℃時(shí))，將焊接凸出的大部分焊瘤推除，留余1 mm～1.5 mm的量。推凸過(guò)程中壓接機(jī)油缸應(yīng)該有不小于90 mm的工作行程，裝刀時(shí)間不超過(guò)10 s。

9)鋼軌焊后處理。

采用正火熱處理焊后鋼軌，不但可增強(qiáng)焊縫處的強(qiáng)度，而且適當(dāng)減少一部分內(nèi)應(yīng)力。推除焊瘤后，等焊縫區(qū)溫度降到300 ℃以下時(shí)，立即開(kāi)始正火。正火時(shí)，再次用焊接加熱器給焊縫加熱，使用弱碳化焰。以焊縫為中心擺動(dòng)加熱器，擺動(dòng)總寬為60 mm。當(dāng)加熱后焊縫溫度升到850 ℃～920 ℃時(shí)，熄火，靜置使其自然冷卻，開(kāi)始加熱時(shí)，可將其擺動(dòng)限值設(shè)置為焊疤外1 mm～2 mm，設(shè)置擺動(dòng)頻率為40次/min，擺動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)焊縫時(shí)應(yīng)加快速度，到達(dá)兩端時(shí)，可停留一定的時(shí)間，時(shí)間控制在：1′30″。正火時(shí)，需采用表4所列燃?xì)馊紵冗M(jìn)行正火作業(yè)。

表4 正火燃燒比

10)焊縫打磨及探傷。

焊瘤推凸除瘤時(shí)留有一定的凸出量，雖經(jīng)焊后處理，焊縫處卻不能與原鋼軌縱斷面平齊，鋼軌截面的突變不利于應(yīng)力的傳遞，產(chǎn)生斷裂，若依焊接時(shí)，若焊縫出現(xiàn)凸起，需進(jìn)行打磨，主要打磨區(qū)域?yàn)閮蓚?cè)工作面、軌腳面、軌低平面、軌頭頂面等，打磨后的鋼軌應(yīng)達(dá)到以下要求:

a.焊縫左右各200 mm，總長(zhǎng)400 mm范圍內(nèi)，軌頂面和兩個(gè)側(cè)面的直線度為0.1 mm，扭轉(zhuǎn)度不大于0.05 mm。

b.鋼軌焊接后標(biāo)記編號(hào)，編號(hào)應(yīng)標(biāo)記齊全，字跡清楚，記錄完整。記錄內(nèi)容包括：天氣、氣溫、軌溫、焊軌技術(shù)參數(shù)等。

c.對(duì)焊縫進(jìn)行全面超聲波探傷(以軌底兩角為重點(diǎn))，探傷時(shí)鋼軌溫度不超過(guò)50 ℃。按編號(hào)做好探傷記錄。若發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外傷應(yīng)及時(shí)采取補(bǔ)救措施。

11)焊縫缺陷防止與處理。

a.操作過(guò)程中需按照相應(yīng)的流程進(jìn)行，根據(jù)操作標(biāo)準(zhǔn)，控制加熱器，保證左右的火孔的高度相同，同時(shí)依據(jù)操作流程將加熱器擺放在合適位置，使焊縫處于平行于火孔的平面上，且加熱過(guò)程中，加熱器擺動(dòng)的幅度、頻率應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)限值，在出去焊瘤時(shí)，不能敲打鋼軌，防止敲打過(guò)程中鋼軌產(chǎn)生塑性變形。

b.若焊接過(guò)程中產(chǎn)生下述現(xiàn)象，則停止焊接，且需對(duì)端面進(jìn)行重新處理：

第一，開(kāi)始焊接時(shí)，產(chǎn)生“放炮”現(xiàn)象。

第二，焊接過(guò)程中由于壓接機(jī)夾軌松懈，從而產(chǎn)生打滑跑軌現(xiàn)象。

第三，加熱器擺動(dòng)歪斜，發(fā)生偏烤時(shí)。

第四，點(diǎn)火已達(dá)2 min，發(fā)現(xiàn)加熱器未供冷水時(shí)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)精密軌道工程實(shí)例，分別從鋼軌焊接原理、工藝流程、焊軌作業(yè)及焊接缺陷處理等方面的論述和實(shí)踐運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了小型氣壓焊接QU-100A大截面起重機(jī)鋼軌，本工程多次試驗(yàn)取得的參數(shù)，對(duì)后續(xù)同類(lèi)工程鋼軌的焊接技術(shù)有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。