BS80型鋼軌移動式閃光對焊快速焊接施工技術(shù)研究

解坊利

鋼軌閃光焊接推動了無縫線路在世界各國的廣泛應(yīng)用，提高了鐵路行駛的安全性、舒適性和運輸效率，BS80型鋼軌移動式閃光對焊快速焊接施工技術(shù)為既有米軌鐵路的改造升級成為無縫線路提供了設(shè)備機械化、自動化程度高，焊接質(zhì)量高，焊接效率高的施工工藝。

一、引言

目前世界上米軌鐵路總里程大概為95000km，東南亞地區(qū)約有14000km，鋪裝的鋼軌基本為BS80型鋼軌，米軌鐵路占東南亞地區(qū)鐵路總里程的70%，是東南亞各國的主要物流和客運交通方式。既有的米軌鐵路大多在第二次世界大戰(zhàn)前建設(shè)使用，目前大多鐵路處于年久失修的狀態(tài)，很大一部分鐵路已經(jīng)無法使用。隨著東南亞地區(qū)等國經(jīng)濟的發(fā)展和中國一帶一路倡議的影響，當(dāng)?shù)卣畬τ诟纳苹A(chǔ)交通設(shè)施的強烈愿望和民眾對交通出行的安全性、舒適性要求的提高，大力發(fā)展鐵路交通勢在必行，由于國家經(jīng)濟實力限制，維修升級改造既有米軌鐵路具有低成本、高效率等特點。為了更好地完成對柬埔寨北部鐵路維修項目既有米軌鐵路改造升級為無縫線路，經(jīng)科技攻關(guān)結(jié)合鐵科院指導(dǎo)通過施工過程中技術(shù)研究改善，總結(jié)了BS80型鋼軌閃光對焊快速焊接施工技術(shù)工藝。

二、適用范圍

本技術(shù)工藝適用于BS80型鋼軌閃光焊接，以及類似非電氣化米軌鐵路改造升級中鋼軌閃光焊接施工。

三、工藝原理

閃光焊機通過電動平板車在軌道上行駛，電動平板車使用閃光焊機自身發(fā)電機動力，通過遙控手柄進行操作，良好地解決了閃光焊機移動的快速性和便捷性。焊接前通過合理的施工組織完成魚尾板及扣減拆除、鋼軌排布及配軌、鋼軌除銹及打磨等工序。鋼軌閃光焊接是通過鋼軌端面斷面的接觸點導(dǎo)電，接觸電阻產(chǎn)生的電阻熱加熱鋼軌端頭使鋼軌接觸面的金屬融化為液態(tài)金屬，對鋼軌兩端面施加縱向壓力，使鋼軌兩端面相互擠壓擠出液態(tài)金屬，隨即切斷電流并使高溫金屬產(chǎn)生塑性變形鋼軌兩端面母材重新結(jié)晶融為一體，重而獲得致密的熱鍛組織接頭。

四、工藝流程及操作要點

1.施工工藝流程

軌道現(xiàn)狀調(diào)查→魚尾板、扣減拆卸→軌道配置→軌端清理、除銹及打磨→焊機就位→閃光焊接→焊縫粗打磨→焊縫檢測→焊縫精打磨→軌道調(diào)整

2.操作要點

（1）軌道調(diào)查

軌道調(diào)查的主要內(nèi)容和目的：

調(diào)查每段鋼軌長度；

調(diào)查長度小于6m鋼軌的數(shù)量和位置、帶有鋁熱焊縫鋼軌的數(shù)量和位置、損壞鋼軌的數(shù)量和位置；

根據(jù)調(diào)查結(jié)果繪制現(xiàn)場軌道現(xiàn)狀圖，為后續(xù)軌道拆換和配置做好準(zhǔn)備。

（2）成套魚尾板、扣件拆卸

成套魚尾板、扣件拆卸移除后應(yīng)分類進行存放防止存儲混亂、生銹和丟失，拆卸時應(yīng)避免對這些材料和軌道形成破壞。魚尾板、螺栓、螺母、墊片組裝為成套魚尾板方便業(yè)主進行數(shù)量統(tǒng)計回收。

（3）軌道配置

①根據(jù)軌道調(diào)查結(jié)果繪制軌道現(xiàn)狀圖，移除帶有鋁熱焊縫或已損壞或長度不足6米的鋼軌，并進行配備新鋼軌。

②軌道端面距離牽引孔或魚尾板螺栓孔小于25mm或軌道端面不平整不垂直，使用鋸軌機切割軌端，保證軌道端面距離牽引孔或魚尾板螺栓孔大于25mm并光滑平整垂直。

③閃光焊接每次對鋼軌形成約2cm損耗，焊縫應(yīng)位于線路方向兩根軌枕中部位置。當(dāng)焊縫位于軌枕上方或距離軌枕小于10cm時，使用鋸軌機進行鋸軌配置保證焊縫應(yīng)位于線路方向兩根軌枕中部位置。

4.軌端清理、除銹及打磨

①去除軌端所有油脂、油跡、污垢、疏松鱗銹、銹跡、潮氣，以及所有碾痕。清潔區(qū)應(yīng)從鋼軌末端延伸至少150mm。

②鋼軌除銹時端頭150mm范圍內(nèi)打磨至露出母材本色，鋼軌端頭、軌腰、軌頭必須打磨平整。除銹打磨時，順鋼軌方向縱向打磨，不得停留在同一部位長時間打磨，防止摩擦使母材溫度過高，形成淬火層。除銹打磨時對鋼軌的磨削量應(yīng)小于4mm。對于打磨除銹完成后的鋼軌應(yīng)在24小時內(nèi)焊接，超過24小時或重新生銹應(yīng)進行復(fù)打磨。

5.焊機就位

操作焊機行駛至焊接位置裝置鐵鞋，焊接前通過調(diào)整鋼軌的高低和水平位置進行對齊，鋼軌對齊以工作面為基準(zhǔn)。鋼軌調(diào)整完成后調(diào)整閃光焊機的焊極進行對齊。鉗口夾緊固定待焊接鋼軌后焊機自動對焦兩鋼軌位置，安裝推瘤刀，人工復(fù)查無誤后開始焊接。特別注意鋼軌對焦應(yīng)在軌頭上完成，除非焊縫與預(yù)應(yīng)力混凝土枕木的緊固件重疊。垂直對齊應(yīng)提供平整的行車踏面。鋼軌本身的任何差異均應(yīng)置于鋼軌底部以保證行車面平順。鋼軌對焦必須滿足行車面的水平偏置不得超過1mm，底部不得超過3.2mm。

6.閃光焊接

鋼軌經(jīng)夾緊穩(wěn)定對焦后，調(diào)整軌端面間距，保證鋼軌兩端面間距在1mm～3mm之間，方可焊接。焊接使用通過試焊優(yōu)化得到的焊接工藝參數(shù)焊接，參數(shù)輸入焊接程序控制器后自動控制焊接電流、電壓、位移、壓力等參數(shù)，BS80鋼軌焊接時長約100S。閃光焊接通過鋼軌預(yù)加熱、閃光加熱至鋼軌斷面融化為液態(tài)金屬后迅速施加縱向壓力使鋼軌兩端面頂鍛形成塑性變形融為一體，最后保持頂鍛壓力推瘤刀自動推切焊瘤，待溫度降低后鉗口松張放開焊接完成的鋼軌。起吊移動焊機離開軌道上方清除焊碴，清潔焊機，操作移動焊機至下一個焊縫繼續(xù)完成鋼軌閃光焊接。

7.焊縫粗打磨

粗打磨在軌道溫度降至常溫穩(wěn)定后使用砂輪機對焊縫和焊縫兩側(cè)的軌頭、軌腰軌底進行打磨，打磨時應(yīng)沿鋼軌縱向移動砂輪機打磨，不得橫向垂直軌道打磨。磨面應(yīng)平整且露出母材光澤，不得發(fā)黑發(fā)藍(lán)。粗磨后軌道閃光焊縫的粗糙度應(yīng)能滿足超聲波、磁粉、染料滲透等探傷需要。

8.焊縫精打磨

焊縫精打磨在一天氣溫較低時進行，嚴(yán)禁高溫精磨，精磨時焊縫溫度控制在60℃以下。測量軌道焊縫兩側(cè)500mm范圍內(nèi)軌道平直度用以確定適當(dāng)?shù)拇蚰チ?，最后使用仿型打磨機對焊縫兩側(cè)450mm范圍的軌道工作面和軌頭側(cè)面進行仿型打磨。仿型打磨時循序漸進，進尺不易過大，防止損傷軌道。精磨完成后軌道保持設(shè)計輪廓且平整光澤各項指標(biāo)符合規(guī)范要求，不得有明顯的壓痕、碰痕、劃傷等缺陷。

五、質(zhì)量控制要點

該施工工藝過程中軌道清理除銹打磨、焊機對位、閃光焊接、焊縫打磨每一步完成后安排專業(yè)技術(shù)人員進行檢查復(fù)核，嚴(yán)格執(zhí)行焊縫檢驗標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)不滿足檢驗要求焊縫，應(yīng)切除焊縫重新焊接。

1.目視檢查及平直度檢測

所有焊縫均應(yīng)進行目視檢查。焊縫應(yīng)無裂縫、撕裂、斷層、剪切拖曳、電氣接觸件或磨削燒傷。焊接接頭冷卻后，應(yīng)檢查表面處理后接頭的尺寸公差。

（1）在焊縫中心任意一側(cè)500mm點處測量的現(xiàn)場焊接焊縫表面和對齊限制必須滿足規(guī)范要求。

（2）軌腰區(qū)（頭部底面、軌腰、底部上面、兩側(cè)的角焊縫）進行表面處理后，應(yīng)不超過母材等高線4mm或更近。表面處理應(yīng)消除所有裂紋和孔隙。

（3）偏移情況或扭曲軌造成的所有凹痕均應(yīng)通過磨削消除，以調(diào)和差異。磨削阻力造成的焊縫上的所有鱗狀物均應(yīng)去除。對軌頭進行最后磨削后，距光滑表面的最大偏差不得大于±0.3mm。

2.染料滲透測試

所有經(jīng)表面處理的接頭均應(yīng)進行染料滲透測試，以檢測是否存在表面裂縫。如檢測到任何缺陷，則要對接頭進行更嚴(yán)格的超聲波檢測。

3.超聲波檢測（UT）

所有檢測和生產(chǎn)焊縫均應(yīng)按照ASTM E 164或同等國際標(biāo)準(zhǔn)進行超聲波檢測，以檢查是否存在任何熔合不足或氧化夾雜物等缺陷。

（1）閃光對接焊完成后，應(yīng)對焊接區(qū)進行適當(dāng)處理，便于放置探針，并避免雜散信號顯示在屏幕上。軌頭表面頂部處理后應(yīng)平整光滑。焊接法蘭至焊縫焊瘤兩側(cè)200mm的距離應(yīng)用鋼絲刷徹底清理干凈，確保沒有灰塵、污垢、表面凹凸現(xiàn)象等。

（2）一般方法

利用脈沖回波技術(shù)檢測焊縫，使用折射角為45°的橫波探頭檢測頭部，用折射角為70°的橫波探頭檢測焊接接頭的腰部和底部。根據(jù)規(guī)范或制造商清單中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，用指定增益調(diào)整對設(shè)備進行校正，從而顯示缺陷信號幅度的相關(guān)缺陷。

如軌頭不存在缺陷，屏幕上不會出現(xiàn)缺陷信號。如果有缺陷，電子束會表現(xiàn)為間斷點，并被接收探針接收到。缺陷尺寸的顯示可以由缺陷信號的幅度和探針的橫向范圍做出。

探測回波按照最大回波高度分為四級。通過在焊接區(qū)兩側(cè)進行測試，回波從同一缺陷處獲得，當(dāng)為不同缺陷時，則歸類為較低等級。等級1最大回波高度20%≥H>10%，主要用于鋼軌頭部和底部；等級2最大回波高度40%≥H>20%，主要用于鋼軌腰部；等級3最大回波高度80%≥H>40%，等級4最大回波高度H>80%。

4.磁粉實驗（MPT）

對型式測試焊縫和百分之一的接頭應(yīng)按照ASTM E 709進行磁粒試驗，以確保焊接程序不會對最終焊接性能產(chǎn)生實質(zhì)影響。測試結(jié)果應(yīng)無任何有害缺陷。

5.緩慢彎曲測試（SBT）

對兩千分之一的接頭進行橫向斷裂負(fù)荷試驗。試樣應(yīng)長1300mm，焊縫在中間，用距中間1000mm的圓筒軸承支撐。應(yīng)在焊縫中間施加垂直集中負(fù)荷。集中負(fù)荷應(yīng)緩慢增加至530kN，持續(xù)記錄下?lián)隙?。在該?fù)荷下，應(yīng)無開裂或病害跡象。然后增加負(fù)荷，直到焊縫無法達到以下標(biāo)準(zhǔn)：

（1）斷裂處的最小力至少為590kN；

（2）斷裂處的撓度不低于15mm。

6.宏觀腐蝕試驗（MET）

對兩千分之一的接頭進行宏觀腐蝕試驗。樣本應(yīng)采用縱斷面切開和宏觀腐蝕。宏觀腐蝕的斷面應(yīng)無斷裂、熔合不足或焊接滲透不足的跡象。氣孔和夾渣等內(nèi)部缺陷的總面積不得超過10m2，最大單個氣孔或夾渣缺陷直徑不得超過2mm。

7.硬度試驗

對兩千分之一的接頭進行布氏硬度試驗，方法為在測試焊縫頭部頂面和側(cè)面軌道上的焊接區(qū)、熱影響區(qū)、基層金屬，用3000kg負(fù)荷和10mm球體支持10秒鐘。所獲得的測量值應(yīng)記錄下來，并以圖表和數(shù)字形式表示出來。

8.焊縫失效及矯正措施

對于焊機自檢和通過上述檢測方未通過測試的任何焊縫都要進行切除重焊，分析焊縫失效原因，用改良的技術(shù)和參數(shù)重新焊接。直至焊縫通過檢測。

六、工藝優(yōu)點

1.施工進度快：相鄰焊頭間距小，定制運輸平板車采用遙控手柄操作，操作靈活便捷能夠快速焊接就位，創(chuàng)紀(jì)錄完成一天138個移動閃光焊縫接頭，平均每天完成110個移動閃光焊縫接頭。

2.施工成本低：減少了牽引車頭和燃料的投入，設(shè)計定制內(nèi)置電動馬達平板車運輸閃光焊機，節(jié)約了施工成本。

七、結(jié)語

通過科技攻關(guān)研制電動平板運輸車減少了牽引車頭的投入并且使閃光焊機移動更加靈活迅速，降低了施工成本，加快了施工進度。采用BS80型鋼軌移動式閃光對焊快速焊接施工工藝低成本、高質(zhì)量、快速地完成了鐵路升級改造工作，后續(xù)的動態(tài)檢測中，焊接質(zhì)量、軌道線型、軌道平順性優(yōu)良率均達到100%。