淺析冬季移動閃光焊軌質(zhì)量控制要點(diǎn)

祁文晶

【摘?要】我國東北和西北地區(qū)冬季平均氣溫較低，掌握冬季移動閃光焊軌質(zhì)量控制要點(diǎn)，對保證無縫線路軌道焊接質(zhì)量提高鐵路運(yùn)行安全有著重要作用。本文針對冬季條件下移動閃光焊軌施工質(zhì)量控制的要點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)，并提出相關(guān)解決措施。

【關(guān)鍵詞】冬季、焊軌、質(zhì)量、控制

Brief Analysis on Quality Control Points of Mobile Flash Welded Rail in Winter

Qi Wen-jing

（Institute of Welding， Southwest Jiaotong University?Xianyang?Shanxi?712000）

【Abstract】The average temperature in winter in Northeast and Northwest China is low. It is very important to grasp the key points of quality control of moving Flash Welded Rail in winter to ensure the welded quality of seamless track and improve the safety of railway operation. This paper analyses and summarizes the key points of construction quality control of mobile flash welded rail under winter conditions， and puts forward relevant solutions.

【Key words】Winter;Welded rail;Quality;Control

1. 前言

在鐵路無縫線路施工中，鋼軌焊接為關(guān)鍵工序，焊接接頭的質(zhì)量對鐵路線路安全極為重要。我國東北北和西北地區(qū)冬季平均氣溫達(dá)零下20℃左右，對鋼軌焊接質(zhì)量影響較大。因此，研究冬季移動式閃光焊軌質(zhì)量控制要點(diǎn)，對于保證焊接質(zhì)量有重要意義。現(xiàn)場移動式閃光焊軌施工工序主要包括：外觀檢查及除銹、焊接、正火、粗磨、調(diào)直、細(xì)磨、精磨和探傷，本文結(jié)合近年來冬季焊軌施工經(jīng)驗(yàn)，針對冬季寒冷氣候條件下現(xiàn)場移動閃光焊軌施工質(zhì)量控制的要點(diǎn)進(jìn)行分析和總結(jié)，并提出相關(guān)解決措施。

2. 焊前外觀檢查對焊接質(zhì)量的影響及要求

由于鋼軌制造精度和現(xiàn)場存放、鋪設(shè)等原因，導(dǎo)致鋼軌的外觀（端面垂直度、斷面不對稱性、平直度等）存在一定的偏差或外部缺陷。如果待焊鋼軌的外觀尺寸偏差大或外部缺陷較為嚴(yán)重，那么在焊接過程中容易造成接頭的錯牙、彎曲甚至裂紋等損傷。因此，在焊接之前必須對距離端面1m范圍內(nèi)的待焊鋼軌進(jìn)行詳細(xì)的外觀檢查，熱影響區(qū)范圍內(nèi)不能存在裂紋、劃痕、坑點(diǎn)等缺陷，并保證鋼軌端面垂直度不大于0.8mm，兩端面對正后錯牙量不超過0.5mm，且無旁彎、扭曲等缺陷，如果超標(biāo)則需要采取端磨措施。

3. 除銹對焊接的影響分析及控制措施

（1）閃光焊是利用焊件內(nèi)部電阻和接觸電阻的熱效率對焊件進(jìn)行加熱。焊前除銹的目的是減小鋼軌表面與焊機(jī)導(dǎo)電鉗口之間的接觸電阻。防止夾緊鉗口與軌頂面之間在頂鍛時(shí)打滑。在保證鋼軌表面打磨質(zhì)量的同時(shí)，使焊機(jī)的導(dǎo)電鉗口相應(yīng)保持清潔。

熱影響公式：Q=I2RT=U2T/R，其中：I表示焊接電流，R總電阻=2R接觸+R閃光+R焊件。

（2）由公式看出，R總減小，可以增加焊件的加熱效率。因?yàn)楹附拥倪^程就是對焊件端面加熱的過程，焊件端面的溫度場形成是影響焊接內(nèi)部質(zhì)量的關(guān)鍵。故焊前打磨工作不徹底，會使R總增大，通過端面液態(tài)過梁的電流密度減小，降低了焊件的加熱效率。

（3）如果待焊鋼軌端面潮濕或者有雪跡，會增大接觸電阻R接觸，降低加熱效率，影響端面溫度的分布，軌腰存在水漬更加大了打滑的傾向性。因此，距端面1m范圍內(nèi)應(yīng)烤干，并將鋼軌表面殘留的水泥或其它污物清理干凈后再進(jìn)行除銹作業(yè)，要求端面及離端面750mm范圍內(nèi)軌腰兩側(cè)面除銹，使其露出90%以上的金屬光澤減小電阻R接觸。打磨時(shí)不得出現(xiàn)發(fā)黑發(fā)藍(lán)和局部打虧現(xiàn)象，如果在此范圍有凸出軌腰表面的廠標(biāo)、生產(chǎn)日期等符號必須磨平。

4. 焊接過程對焊頭質(zhì)量影響分析及控制措施

4.1?同環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)是檢驗(yàn)質(zhì)量的最佳方法。

在冬季相同氣候條件下進(jìn)行鋼軌焊接型式試驗(yàn)是檢驗(yàn)質(zhì)量的最佳方法，能夠直接判斷冬季寒冷環(huán)境對焊接質(zhì)量的影響。同時(shí)，能夠驗(yàn)證嚴(yán)寒條件下焊接工藝的可靠性和包容性，也能夠使焊機(jī)的機(jī)、電、液等系統(tǒng)與焊接工藝參數(shù)相互間磨合與適應(yīng)，提前發(fā)現(xiàn)寒冷氣候?qū)笝C(jī)性能的影響程度，并可以總結(jié)冬季焊軌的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

4.2?焊接過程的穩(wěn)定性對焊接質(zhì)量的影響分析。

（1）由于冬季氣候寒冷對焊機(jī)動力輸出單元、檢測反饋單元、控制單元和執(zhí)行單元的零部件有一定影響，并可通過焊接過程能夠得到反映，一般體現(xiàn)在焊接過程的不穩(wěn)定、不連續(xù)。尤其在焊機(jī)焊接過程各階段轉(zhuǎn)換之間，設(shè)備從一個相對適應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個狀態(tài)，就需要有一個較為激進(jìn)的過程，但這時(shí)由于設(shè)備各系統(tǒng)受到氣候影響，可能出現(xiàn)反應(yīng)遲鈍、靈敏性降低等現(xiàn)象，就會導(dǎo)致焊接過程異常，從而影響焊接過程的整體穩(wěn)定性。從焊接閃光效果看，可能存在焊軌過程停頓不連續(xù)，焊接火花爆破力忽強(qiáng)忽弱不穩(wěn)定，焊接變壓器聲音很“吃力”不沉穩(wěn)等現(xiàn)象。從焊接曲線圖看，位移曲線存在突變或臺階，曲線斜率不正常等;焊接電流曲線長時(shí)間聚集，電流密度不均等現(xiàn)象;油壓曲線波動不平穩(wěn)有突變現(xiàn)象。

（2）因此，在冬季焊軌時(shí)如果焊接過程整體平穩(wěn)，各階段之間轉(zhuǎn)換有序，且正常顯示了各階段的特征，沒有出現(xiàn)異常現(xiàn)象，說明焊接質(zhì)量受外界環(huán)境影響較小，或外界環(huán)境的影響被工藝參數(shù)的包容性和焊機(jī)性能所克服，未對焊接質(zhì)量造成實(shí)質(zhì)性的影響。

4.3?焊接參數(shù)的穩(wěn)定性對焊接質(zhì)量的影響分析。

閃光焊接工藝可主要分為連續(xù)閃光焊工藝和脈動閃光焊工藝。 連續(xù)閃光焊的優(yōu)點(diǎn)是焊接電流較小，故其焊接變壓器的負(fù)載較小;缺點(diǎn)是對焊接接頭的加熱效率較低，加熱寬度較窄，焊接時(shí)間長。脈動閃光焊的優(yōu)點(diǎn)是加熱效率高，焊接時(shí)間明顯較小，但由于短路時(shí)間較長，故其焊接變壓器的負(fù)載很大。脈動閃光焊工藝的加熱效率明顯高于連續(xù)閃光焊工藝， 是提高焊接效率的有效方法。因此，焊接鋼軌時(shí)所采用的工藝不同，導(dǎo)致焊接參數(shù)變化也存在一定差異。一般認(rèn)為冬季焊軌時(shí)由于氣溫較低導(dǎo)致鋼軌軌溫很低，因此加熱鋼軌需要跟多的熱量，通過熱影響公式：Q=I2RT=U2T/R，可以看出如果需要獲得更多的熱量，就必須延長焊接時(shí)間、提高電壓或減小電阻。

目前，常見的現(xiàn)場移動式焊軌機(jī)型號有K922、UN5-150、YHG1200等，在冬季焊軌時(shí)焊接參數(shù)的穩(wěn)定性可以從以下幾個方面把關(guān)：

4.3.1?位移曲線反映了鋼軌消耗量，對判斷焊機(jī)和施工工況有著重要意義。冬季施工由于軌溫底容易導(dǎo)致出現(xiàn)熱量不足，鋼軌積雪潮濕也容易導(dǎo)致打滑，長鋼軌冷縮時(shí)也會導(dǎo)致鋼軌與墊板、滾筒間的摩擦阻力加大。現(xiàn)場焊接曲線總位移比照型式試驗(yàn)曲線總位移最的大（?。┲?，如果誤差大于±4mm，可能存在電極夾持處鋼軌打滑、鋼軌移動阻力大、焊接熱量積累不足等問題。同時(shí)，一般情況下頂鍛力不宜超過60T，頂段力過大也可能由于焊頭熱量積累不足或鋼軌阻力較大。

4.3.2?電壓曲線反映了發(fā)電機(jī)組是否為焊接過程提供穩(wěn)定的電壓，對焊接電流有直接影響。冬季寒冷氣候易導(dǎo)致內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組功率損耗加大，從而導(dǎo)致電壓波動。通常情況高壓階段焊接電壓波幅應(yīng)小于在60V，穩(wěn)定階段焊接電壓波幅小于20V，發(fā)電機(jī)組的壓降不宜超過30V。

4.3.3?電流曲線反映了鋼軌加熱過程中短路電流的變化，對鋼軌的熱量輸入有直接影響。冬季寒冷氣候下焊軌需要更多的熱量來補(bǔ)充低溫鋼軌加熱的熱量和冷空氣散熱快而損失的熱量。因此，各階段的焊接電流尖峰應(yīng)大于600A，如果焊接電流尖峰值偏小，容易導(dǎo)致熱量輸入不足。穩(wěn)定燒化階段不宜出現(xiàn)長時(shí)間聚集的電流，長時(shí)間聚集電流導(dǎo)致閃光更加劇烈，從而帶走更多熱量。加速燒化階段不宜出現(xiàn)電流峰值超過600A的大電流和大于3s的短路電流，加速階段為頂段做前期準(zhǔn)備，因此出現(xiàn)大電流或長時(shí)間短路現(xiàn)象，容易造成焊接灰斑缺陷的產(chǎn)生，有關(guān)研究認(rèn)為造成鋼軌閃光焊接頭力學(xué)性能下降的主要原因是焊縫存在灰斑缺陷，而軌底部位的灰斑又是導(dǎo)致焊接接頭落錘試驗(yàn)斷裂的主要原因。頂鍛前電流不能有嚴(yán)重下降現(xiàn)象，并且從加速燒化開始到頂鍛前電流的最小值呈梯度上升的趨勢，頂段電流峰值一般不小于800A，以保證焊頭頂段時(shí)所需要熱量，同時(shí)在鋼軌端面形成穩(wěn)定激烈的閃光，汽化蒸氣在閃光面上形成良好的保護(hù)層，覆蓋在端面，使其不被氧化減少焊接缺陷。頂鍛前的電流曲線和位移曲線必須重合，若不重合認(rèn)為是提前短路，提前短路極易造成焊接缺陷。

4.3.4?焊接阻抗對焊接電流有直接影響，冬季鋼軌潮濕電阻增大對焊接質(zhì)量有一定的影響，因此焊接阻抗一般不超過120μΩ為理想狀態(tài)。

4.3.5?焊接總時(shí)間對保證焊接質(zhì)量有重要影響，時(shí)間過短熱量積累不夠，時(shí)間過長容易導(dǎo)致熱量過多或熱影響區(qū)較寬，焊接焊接總時(shí)間誤差宜保持在35s之內(nèi)。

4.4?冬季低溫環(huán)境焊軌重要措施。

4.4.1?當(dāng)氣溫低于10℃時(shí)，為保證焊接工藝的穩(wěn)定性，焊前對待焊鋼軌1m范圍內(nèi)進(jìn)行加熱，待鋼軌預(yù)熱到30℃～50℃后方可焊接。

4.4.2?當(dāng)氣溫低于10℃時(shí)，為避免鋼軌因冷縮造成對熾熱焊頭受拉的影響，當(dāng)焊接結(jié)束后應(yīng)采取保壓措施，單元焊頭宜保壓2分鐘，鎖定焊頭宜保壓3分鐘，以便用焊機(jī)油缸拉力來克服鋼軌的溫度應(yīng)力。

4.4.3?冬季低溫環(huán)境焊軌作業(yè)時(shí)，根據(jù)待焊鋼軌長度適當(dāng)調(diào)高焊機(jī)的泵站油壓和減壓閥油壓，比型式試驗(yàn)時(shí)提高0.5～1Mpa。焊機(jī)加裝液壓油油溫加熱裝置，在焊接開始前將液壓油加熱到20℃～35℃之間，焊接開始后可關(guān)閉加熱裝置，也可在焊接前對焊機(jī)進(jìn)行模擬測試，必要時(shí)用鋼軌試頭進(jìn)行試焊，以期快速升高油溫，使焊機(jī)達(dá)到正常工作狀態(tài)。 焊機(jī)控制室內(nèi)的溫度應(yīng)在5℃～25℃之間，不宜過低，以確保各電器元件的正常工作。

4.4.4?當(dāng)氣溫低于10℃時(shí)，焊接完成（保壓結(jié)束）后，應(yīng)迅速用焊頭保溫罩保護(hù)焊接接頭，保溫約10分鐘左右，避免在寒冷空氣中熾熱焊頭因降溫速率過快導(dǎo)致出現(xiàn)馬氏體組織。由于鋼軌軌底角截面積小，在寒冷環(huán)境下降溫速率比其他部位更快，因此保溫時(shí)應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)軌底角。

5. 正火對焊頭質(zhì)量的影響及控制措施

5.1?正火對焊頭質(zhì)量的影響分析。

鋼軌焊接完成后，焊縫及熱影響區(qū)的溫度很高，焊縫區(qū)最高可達(dá)到1300℃左右，導(dǎo)致晶粒粗大，降低了接頭原有的塑性和韌性。如果對焊接接頭不進(jìn)行正火處理，其塑性和韌性比母材底，很難通過型檢的各項(xiàng)檢測標(biāo)準(zhǔn)。焊接接頭正火現(xiàn)場移動焊接通常采用火焰正火，經(jīng)過正火處理后的焊頭，細(xì)化了焊縫區(qū)晶粒，消除了不良組織，改善了焊接接頭的塑性和韌性。

5.2?冬季正火作業(yè)質(zhì)量控制重要措施。

5.2.1?正火前確保焊頭溫度應(yīng)低于500℃。根據(jù)CCT曲線圖得知，焊縫正火加熱時(shí)，其組織是由珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的過程，冷卻時(shí)其金相組織是由奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的過程。因?yàn)楹割^溫度在500℃以下時(shí)，奧氏體組織才能徹底完全轉(zhuǎn)變成較細(xì)的珠光體。如果焊頭溫度高于500℃，奧氏體不能徹底的轉(zhuǎn)變，會得到較粗大的珠光體。若繼續(xù)加熱又是晶粒長大的過程，當(dāng)其達(dá)到奧化溫度時(shí)，晶粒過于長大。當(dāng)焊縫再次冷卻到常溫后，會得到較粗大的珠光體或過熱組織，從而降低焊頭的機(jī)械性能。

5.2.2?搭設(shè)保溫帳篷改變局部環(huán)境溫度。當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時(shí)，正火工位搭建保溫帳篷，在焊頭周圍制造出局部的常溫環(huán)境，以確保滿足正火工藝需要。

5.2.3?制作保溫箱保證正火火焰的穩(wěn)定。冬季環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，火焰正火用的乙炔氣體出口壓力會較小，導(dǎo)致火焰不穩(wěn)定從而影響對焊頭的加熱效果。因此宜將乙炔瓶放在保溫箱內(nèi)保溫，并將保溫箱內(nèi)溫度須限制在20℃～30℃的安全值范圍內(nèi)。

5.2.4?嚴(yán)控正火溫度保證正火效果。正火過程中火焰以焊縫為中心左右均勻擺火，擺動幅度為60～70mm，頻率為60～70次/分，將焊頭溫度加熱至規(guī)定的要求（軌頭表面溫度應(yīng)為920±10℃，軌底溫度應(yīng)為860±10℃）。冬季寒冷地區(qū)應(yīng)采取在保溫棚內(nèi)正火、調(diào)直、保溫的方法，但當(dāng)正火過程中保溫棚內(nèi)氣溫逐漸上升，棚內(nèi)溫度達(dá)到常溫時(shí)，可不用焊頭保溫罩進(jìn)行保溫。但此種施工工藝須同時(shí)滿足以下要求：首先，正火后降溫階段保溫棚內(nèi)環(huán)境氣溫要滿足20℃及以上溫度;其次，正火后接頭冷卻速度（焊縫溫度降至500℃）控制在0.5℃/s～3℃/s范圍內(nèi)，以軌頂溫度920℃為例，折算成時(shí)間量為840s～140s范圍內(nèi);最后，若接頭溫度在500℃以下需要撤去保溫棚進(jìn)行其他工序作業(yè)時(shí)，須用保溫罩保溫焊接接頭溫度降至300℃及以下，特別注意對軌底角的保溫措施。

6. 冬季調(diào)直質(zhì)量控制措施

冬季由于氣溫低，鋼軌冷脆性增強(qiáng)，因此冬季焊軌施工調(diào)直作業(yè)宜在正火保溫棚內(nèi)進(jìn)行，且在調(diào)直前保證焊接接頭溫度應(yīng)低于400℃。在調(diào)直作業(yè)前應(yīng)先測量軌頂面及工作邊平直度，然后采取多次微調(diào)的方法進(jìn)行調(diào)直，調(diào)直后軌頂面平直度預(yù)留在+2.5mm左右，工作邊預(yù)留在-0.3～0.3mm/m。

7. 焊頭打磨作業(yè)控制措施

對軌底及軌底上表面進(jìn)行打磨，由于鋼軌外形尺寸偏差造成的焊接接頭不平順，可用圓順打磨方法進(jìn)行修整，軌底面的打磨余量為0～0.5mm。不得將鋼軌表面打虧，打磨不得出現(xiàn)發(fā)黑發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，嚴(yán)禁橫向打磨，且粗磨完成后用角磨機(jī)進(jìn)行拋光處理。細(xì)磨采取邊打磨邊測量的方法，對焊縫兩側(cè)各450mm范圍內(nèi)進(jìn)行打磨，考慮打磨焊頭發(fā)熱對平直度影響因素，軌頂面平直度應(yīng)宜控制在0.5mm/m左右，工作邊的平直度控制在-0.3～0.3mm/m，細(xì)磨時(shí)應(yīng)平順光滑、過渡圓順，不得有明顯的突出和棱角，同時(shí)應(yīng)避免出現(xiàn)打磨面發(fā)藍(lán)發(fā)黑和機(jī)械損傷。

8. 冬季探傷作業(yè)控制措施

數(shù)字超聲探傷儀對工作環(huán)境溫度有一定的要求，當(dāng)冬季氣溫低于探傷儀器的正常工作溫度時(shí)，要對探傷儀采取保溫措施，保證探傷儀器的靈敏性等性能。探傷時(shí)接頭溫度不應(yīng)高于40℃，并對焊接接頭進(jìn)行全斷面探傷。

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