基于閃光焊和鋁熱焊的鋼軌焊接接頭不平順研究

鐘 浩

(中鐵物總運(yùn)維科技有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

無縫線路鋪設(shè)工藝主要包括軌道鋪設(shè)、鋼軌焊接和鋼軌鎖定三個(gè)環(huán)節(jié)，其中鋼軌焊接是實(shí)現(xiàn)無縫線路最重要的部分，是影響無縫線路正常運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。鋼軌的焊接接頭是整個(gè)無縫線路中最薄弱的部位，為確保無縫線路能正常運(yùn)行，就必須要保證鋼軌焊接接頭的整體質(zhì)量。至今已經(jīng)基本成熟的鋼軌焊接方法主要有鋁熱焊、閃光焊、氣壓焊以及電弧焊四種，這幾種焊接方式均可以滿足高速鐵路和重載鐵路的現(xiàn)場(chǎng)使用要求。雖然現(xiàn)有的鋼軌焊接方法各不相同，但是其焊縫質(zhì)量總是與所采用的施工工藝、焊接設(shè)備以及操作手法息息相關(guān)，特別是設(shè)備的精準(zhǔn)控制和操作人員的焊接水平[2，3]。國內(nèi)外對(duì)鋼軌焊接接頭進(jìn)行了大量理論與試驗(yàn)研究，Steenbergen等[4-6]研究了輪軌動(dòng)作用關(guān)系對(duì)焊接接頭產(chǎn)生的影響，采用了彈簧質(zhì)量的方式，得出焊接接頭的不平順與所受的最大輪軌作用成函數(shù)關(guān)系，同時(shí)也證明了列車的運(yùn)行速度和輪軌最大作用力與焊接接頭不平順之間的關(guān)系。郭俊[7]建立了輪軌接觸的有限元模型，研究了輪軌的沖擊損傷、輪軌制動(dòng)損傷以及輪軌的磨損損傷機(jī)理。翟婉明等[8]應(yīng)用自主開發(fā)的VICT仿真軟件，模擬提速對(duì)列車的鋼軌不平順的動(dòng)力效應(yīng)，根據(jù)研究結(jié)果對(duì)我國線路焊接不平順的維修規(guī)范提出了一些建議。溫澤峰等[9，10]建立了鋼軌的輪軌接觸三維彈塑性有限元模型，分別將列車的速度、軸重、材料的強(qiáng)化模量等基本參數(shù)考慮進(jìn)仿真模型，對(duì)不同工況下鋼軌沖擊過程中的應(yīng)力分布情況進(jìn)行了分析。

目前對(duì)于焊接接頭損傷的研究基本是以模擬實(shí)驗(yàn)與有限元仿真為主，直接對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用的焊接接頭的研究較少。本文選取現(xiàn)場(chǎng)閃光焊和鋁熱焊作為研究對(duì)象，從鋼軌焊縫前后廓形、不平順以及接觸光帶等方面對(duì)這兩種焊接工藝進(jìn)行了全面對(duì)比分析。

1 兩種焊接方式的對(duì)比分析

本文選取成都局川黔線進(jìn)行閃光焊和鋁熱焊測(cè)量，測(cè)量指標(biāo)包括鋼軌廓形、鋼軌不平順以及表面接觸光帶寬度。圖1為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量點(diǎn)分布情況說明，“0”位置為焊縫位置，分別往兩端各測(cè)試5個(gè)點(diǎn)，間距為100 mm。

圖1 焊縫前后廓形分布點(diǎn)

1.1 鋼軌廓形分析

圖2、圖3分別為川黔線上兩種焊縫前后廓形對(duì)比分析。從圖2、圖3中可以看出：在鋼軌關(guān)鍵區(qū)域±25 mm之間，閃光焊廓形前后一致性較好，最大偏差在0.3 mm左右；而鋁熱焊前后廓形最大偏差值可達(dá)1.5 mm，并且偏差區(qū)間波動(dòng)較大，說明閃光焊鋼軌廓形一致性明顯好于鋁熱焊。為進(jìn)一步分析兩種焊接方式鋼軌廓形一致性情況，對(duì)兩種焊接方式進(jìn)行了最大偏差值統(tǒng)計(jì)，如圖4所示。從圖4中可以看出：閃光焊前后最大偏差較小，偏差值在0.2 mm～0.4 mm范圍內(nèi)；而鋁熱焊最大偏差值在0.4 mm～1.5 mm之間，閃光焊的前后一致性明顯優(yōu)于鋁熱焊。

圖2 鋁熱焊焊縫前后廓形對(duì)比

圖3 閃光焊焊縫前后廓形對(duì)比

圖4 兩種焊接方式焊縫關(guān)鍵區(qū)域的最大偏差值對(duì)比

1.2 焊縫前后平直度分析

為研究鋼軌焊縫前后不平順情況，對(duì)鋼軌閃光焊和鋁熱焊進(jìn)行了1 m焊縫平直度測(cè)試，具體結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖5、圖6中可以看出：焊縫不平順表現(xiàn)為凸焊縫和凹焊縫，鋼軌鋁熱焊不平順幅值明顯高于閃光焊不平順幅值，鋁熱焊平直度波動(dòng)范圍較大。為進(jìn)一步分析焊縫平直度，對(duì)平直度進(jìn)行箱形圖分析，如圖7所示。從圖7可以看出：鋁熱焊不平順幅度普遍偏大，1 m范圍內(nèi)波動(dòng)較大；而閃光焊相對(duì)波動(dòng)范圍較小，表現(xiàn)為更加平順，說明閃光焊平直度要優(yōu)于鋁熱焊平直度。

圖5 鋁熱焊焊縫前后鋼軌平直度

圖6 閃光焊焊縫前后鋼軌平直度

圖7 軌道焊縫平直度箱形圖分析

1.3 焊縫前后接觸光帶分析

為研究焊縫前后鋼軌接觸光帶情況，對(duì)焊縫前后接觸光帶進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，兩種焊接方式的接觸光帶分別如圖8、圖9所示。從圖8、圖9中可以看出：鋁熱焊的接觸影響區(qū)域最大可達(dá)前后500 mm，而閃光焊只有300 mm的影響區(qū)域，這與鋼軌表面不平順和廓形有關(guān)。圖10為兩種焊接方式接觸光帶的統(tǒng)計(jì)分析。由圖10可知：鋁熱焊接觸光帶影響區(qū)域?yàn)榍昂?00 mm，而閃光焊接觸寬帶影響區(qū)域?yàn)榍昂?00 mm，說明閃光焊的鋼軌廓形一致性和接觸光帶影響區(qū)域都要優(yōu)于鋁熱焊。

圖8 鋁熱焊焊縫前后鋼軌接觸光帶

圖9 閃光焊焊縫前后鋼軌接觸光帶

圖10 兩種焊接方式接觸光帶影響情況分析

2 結(jié)語

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)閃光焊和鋁熱焊對(duì)比分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 在鋼軌廓形方面，鋼軌焊接接頭閃光焊前后廓形一致性明顯優(yōu)于鋼軌鋁熱焊，閃光焊外觀質(zhì)量要好于鋁熱焊。

(2) 在不平順方面，閃光焊要明顯優(yōu)于鋁熱焊，其不平順變化幅度較小，箱形圖整體區(qū)間較小。

(3) 在接觸光帶方面，鋁熱焊前后光帶不一的情況不超過500 mm，閃光焊為300 mm，說明其只是對(duì)焊接區(qū)域局部范圍有影響。