城市軌道50Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌焊接工藝研究

郭瑞林

【摘要】隨著我國現(xiàn)代化高速鐵路的發(fā)展，無縫線路的運用越來越多，列車速度越來越快，對鋼軌焊接接頭質(zhì)量的要求也越來越高。為了減少車輛段內(nèi)產(chǎn)生的噪音和震動對附近居民的影響，越來越多的地鐵運營公司要求車輛段內(nèi)鋪設(shè)的50軌也要采用無縫線路技術(shù)，它對減少列車運行阻力，提高列車運行速度，延長機車車輛使用壽命，降低線路維護(hù)費用，減少列車經(jīng)過時產(chǎn)生的噪音和震動有很大的作用。目前用于鋼軌焊接方法主要有三種，即閃光焊﹑氣壓焊和鋁熱焊，鑒于閃光焊焊接自動化程度和生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點，工地25米鋼軌焊接越來越多的采用了移動式閃光焊接的施工工藝，并且已經(jīng)形成了一套適宜于50Kg/m鋼軌的焊接工藝。

【關(guān)鍵詞】城市軌道;50Kg/m攀鋼U71Mn;焊接工藝

Study on welding technology of urban track 50Kg/m climbing steel U71Mn rail

Guo Rui-lin

（Institute of Welding， Southwest Jiaotong UniversityXianyangShanxi712000）

【Abstract】With the development of modern high-speed railway in China， the use of seamless lines is more and more， the speed of trains is faster and faster， and the quality requirement of welded joints for Rails is higher and higher. In order to reduce the impact of noise and vibration generated in the depot on nearby residents， more and more subway operators require that the 50 rails laid in the depot also use seamless line technology， which reduces the resistance of the train and improves the speed of the train. Extending the service life of locomotives and vehicles， reducing the cost of line maintenance， and reducing the noise and vibration generated by the train during passing have a great role. At present， there are three main methods for rail welding， namely flash welding， pneumatic welding， and aluminum hot welding. In view of the degree of automation and high production efficiency of flash welding， and the advantages of stable welding quality， more and more 25-meter rail welding on the site has been adopted. Mobile Flash welding construction process， And a welding process suitable for the 50Kg/m climbing U71Mn expressway has been formed.

【Key words】Urban track;50 Kg/m climbing steel U71Mn;welding process;Weldability

一般50Kg/m鋼軌都鋪設(shè)在車輛段的庫內(nèi)線，行車速度一般為3～5Km/h，道床形式一般采用一般整體道床、柱式檢測坑道床和壁式檢測坑道床三種道床形式，焊接施工相對于正線的60Kg/m鋼軌要復(fù)雜多變，圖1為在一般整體道床上面進(jìn)行鋼軌焊接作業(yè)（ 50Kg/m鋼軌焊接施工現(xiàn)場見圖1）。

1. 攀鋼U71Mn鋼軌化學(xué)成分及可焊性分析

（1）鋼軌的可焊性一般由“碳當(dāng)量”來衡量，即將鋼軌中各種化學(xué)元素對共晶點實際碳量的影響折算成碳的增減，這樣算出的含碳量稱為“碳當(dāng)量”，用CE表示，“碳當(dāng)量”的計算公式為：

CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

（2）鐵道標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3276-2011及TB/T 2344-2012中鋼軌化學(xué)成分如下表1所示（鋼軌牌號及化學(xué)成分見表1）。

從表1中C、Mn元素的含量可以看出U71Mn為高碳中錳鋼，其“碳當(dāng)量”計算為：

CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

=（0.65-0.75）+（0.70-1.20）/6

計算可得U71Mn鋼軌的“碳當(dāng)量”范圍約為0.77%～0.95%。

（3）一般當(dāng)“碳當(dāng)量”計算值大于0.4%～0.5%時，焊接性能較差，“碳當(dāng)量”計算值越大焊接性能越差，攀鋼U71Mn鋼軌的“碳當(dāng)量”計算值約為0.77%～0.95%，其鋼軌焊接性能很差。在實際的鋼軌焊接施工中為有效提高焊軌質(zhì)量，必須對鋼軌材料的可焊性，閃光焊機性能及工藝參數(shù)等因素進(jìn)行綜合分析比較，針對不同的軌型，鋼軌物理學(xué)性能和化學(xué)成分，通過焊接試驗和分析確定合理的焊接工藝參數(shù)，才能在實際生產(chǎn)中提高焊頭合格率，提高焊接效率，保證焊接質(zhì)量。

2. 60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌的焊接工藝

（1）在實際的鋼軌焊接施工中，60軌使用量所占比重很大，所采用的焊接工藝研究也相對比較成熟。下圖為60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌使用UN5-150移動式閃光焊軌機焊接試頭的工藝和對應(yīng)的焊接曲線圖（60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌UN5-150移動閃光焊機焊接工藝參數(shù)表和曲線圖見圖2）。

3. 50Kg/m攀鋼U71Mn焊接工藝參數(shù)的調(diào)整

3.1將工機具全部更換為50Kg/m鋼軌焊接的工裝，首先使用上圖中顯示的60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌工藝參數(shù)試焊接時，整個階段位移燒化很快，端面溫度上升也很快，導(dǎo)致焊接圖形不穩(wěn)定。

3.2對比50Kg/m軌和60Kg/m軌的外形尺寸發(fā)現(xiàn)：

1-50Kg/m軌斷面面積60Kg/m軌斷面面積=15%

50Kg/m軌斷面面積比60Kg/m軌斷面面積小了15%（50Kg/m軌和60Kg/m軌外形尺寸對比表見表3，50Kg/m軌外形尺寸圖見圖3，60Kg/m軌外形尺寸圖見圖4）。

3.3在60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌工藝的基礎(chǔ)上，考慮到50Kg/m軌斷面面積減小了15%，所需要輸入的熱量也相應(yīng)減少，由焦耳定律：

所以此處所輸入的參數(shù)電壓和電流的乘積理論應(yīng)當(dāng)是原60Kg/m的電壓和電流乘積的85%，此處考慮到50Kg/m鋼軌軌頭、軌底、軌腰都比較薄弱，所以輸入?yún)?shù)的時候讓電壓和電流的乘積占到60Kg/m的電壓和電流乘積的80%左右，防止產(chǎn)生過燒現(xiàn)象，其他參數(shù)基本不變，對參數(shù)做如下初步設(shè)計調(diào)整（工藝參數(shù)調(diào)整對比表見表4）：

調(diào)整過后（后一列為調(diào)整后參數(shù)）用類似參數(shù)焊接6根試頭并全部進(jìn)行落錘試驗，其中5根試頭四錘不斷且斷口合格，其中有1根第二錘斷裂，斷口中存在較大灰斑，參數(shù)包容性較差，不穩(wěn)定（工藝調(diào)整后的參數(shù)表、曲線圖和相對應(yīng)斷口照片見圖5）。

3.4結(jié)論一：

（1）通過降低各階段電壓值、電流值來減少熱量輸入，但是電壓和電流值又不能減少的太多，否則會出現(xiàn)閃光很柔和，熱場較寬，曲線圖中出現(xiàn)短路和斷路的情況，同時產(chǎn)生大量灰斑;

（2）斷面面積減小，機頭壓力和頂鍛量也要減小。50Kg/m鋼軌較60Kg/m鋼軌相比機頭壓力降低1MPa，頂鍛量減少2.2mm;

（3）預(yù)閃、高壓一、高壓二階段電壓和電流減小之后要適當(dāng)增大該階段的送進(jìn)和后退速度與之相匹配，否則會在閃光時爆出大坑導(dǎo)致斷口中出現(xiàn)超標(biāo)灰斑;

（4）前期熱量輸入減小之后，到后期的穩(wěn)定燒化階段總會出現(xiàn)電流密集或是短路和斷路現(xiàn)象，最終導(dǎo)致斷口中產(chǎn)生超標(biāo)灰斑。

分析：接頭中的熱量主要依靠前期的預(yù)閃、高壓一和高壓二階段產(chǎn)生，到后期的穩(wěn)定燒化階段主要起到閃平和保護(hù)端面的作用，最終順利進(jìn)入到頂鍛階段順利完成鋼軌的塑性變形過程。

在穩(wěn)定燒化階段要想實現(xiàn)較好的閃平和保護(hù)端面的作用，在電壓不變的情況下還得讓鋼軌焊接時的過梁頻繁而又不能很猛烈地爆破，需將穩(wěn)定燒化階段的電流再增大，送進(jìn)和后退速度也要增大，讓鋼軌的兩個端面頻繁接觸，才能使得在該階段過梁爆破頻繁而又不猛烈。所以再對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整如下（工藝參數(shù)調(diào)整對比表見表5）：

調(diào)整過后消除了焊接曲線圖中穩(wěn)定燒化階段的電流密集和斷路、短路現(xiàn)象，焊接曲線圖、抗錘性、斷口都滿足要求。

3.5結(jié)論二：

（1）穩(wěn)定燒化階段電壓不變增大電流增強過梁爆破的劇烈程度，能更好地在鋼軌發(fā)生塑性變形之前在鋼軌兩端面之間形成真空狀態(tài)起到對端面的保護(hù)作用。

（2）穩(wěn)定燒化階段送進(jìn)、后退速度應(yīng)該與該階段的電流電壓和后期留在鋼軌上的熱量相匹配，快進(jìn)快退有助于后期的閃平和對端面的保護(hù)。

（3）低壓二和低壓三階段位移的增大可以燒掉前期在鋼軌端面形成的大坑，消除掉斷口中的灰斑。

（4）增大穩(wěn)定階段的電流和送進(jìn)、后退速度有助于消除掉焊接曲線圖中的電流密集現(xiàn)象和短路、斷路問題（工藝穩(wěn)定后的參數(shù)表、曲線圖和對應(yīng)的斷口照片見圖6）。

（5）用同樣的辦法統(tǒng)計50Kg/m攀鋼U71Mn參數(shù)的預(yù)閃、高壓一、高壓二、低壓一、低壓二、低壓三、加速1、加速2共8個階段的：

平均電壓：（390+380+360+333+333+333+362+365）/8=357V;

平均電流一：（150+250+255+130+200+200+250+250）/8=211A;

平均電流二：（250+300+305+180+250+250+300+300）/8=267A;

平均電流三：（350+350+355+230+300+300+350+350）/8=323A;

平均前進(jìn)速度：（0.9+1.7+2.1+0.95+0.56+0.56+0.58+0.67）/8=1mm/s;

平均后退速度：（0.7+0.7+0.8+0.5+0.2+0.2+0.1+0.1）/8=0.41mm/s;

3.6由上述計算可知50Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌主要參數(shù)配置平均值，如表6所示（50Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌主要參數(shù)配置平均值見表6，對比50Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌和60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌主要參數(shù)的平均值見表7）。

3.7對比50Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌和60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌主要參數(shù)的平均值發(fā)現(xiàn)：50Kg/m鋼軌焊接參數(shù)的平均電流和平均電壓普遍要比60Kg/m鋼軌焊接參數(shù)低，而平均前進(jìn)速度和平均后退速度又比60Kg/m的鋼軌大。由于50Kg/m鋼軌的外形比較單薄，所需要的熱量輸入必然也要降低，輸入的熱量減少了但端面溫度還需要達(dá)到熱塑性變形的要求，所以平均前進(jìn)速度和平均后退速度又需要偏大一些，在焊接過程中實現(xiàn)快進(jìn)快退達(dá)到提高端面溫度的目的。

4. 正火工藝參數(shù)調(diào)整

考慮到50Kg/m鋼軌尺寸偏小，所需要的熱輸入也相應(yīng)減小，所以在正火時氧氣、乙炔流量要小一些，經(jīng)實驗總結(jié)后乙炔流量為3.4，氧氣流量為2.9，正火時間在4分30秒左右，軌頭中心線溫度達(dá)到920℃±10℃。通過落錘試驗觀察斷口，晶粒細(xì)膩，滿足要求。

5. 結(jié)束語

文中通過對比分析出攀鋼U71Mn的50Kg/m鋼軌接頭焊接工藝與60Kg/m鋼軌接頭焊接工藝的異同，為以后50Kg/m鋼軌接頭的焊接工藝調(diào)整思路提供便捷。隨著城市軌道交通的發(fā)展，車輛段檢修庫內(nèi)50Kg/m鋼軌的焊接量會越來越大，50Kg/m鋼軌焊接工藝的應(yīng)用具有顯著的社會經(jīng)濟效益，具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景。

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