75 kg/m鋼軌移動閃光焊焊接技術(shù)研究與實(shí)施

曹志國 倪嘉楠

(南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

75kg/m鋼軌移動閃光焊焊接技術(shù)研究與實(shí)施

曹志國 倪嘉楠

(南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

隨著運(yùn)量與軸重的增加，鋁熱焊和氣壓焊的焊接接頭質(zhì)量已不能滿足現(xiàn)場的使用要求。本文提出采用閃光接觸焊和感應(yīng)熱處理技術(shù)完成試驗(yàn)線路的工地焊接。焊接接頭經(jīng)過1年的使用考核，滿足質(zhì)量要求。

重載線路；鋼軌；閃光接觸焊；正火

1 項(xiàng)目來源及研究內(nèi)容

目前我國重載鐵路鋼軌的工地焊接方式為氣壓焊和鋁熱焊，隨著運(yùn)量及軸重的不斷增加，工地焊接接頭傷損日趨嚴(yán)重，焊接接頭平直度較差，接頭低塌最大的超過1mm，且工地焊接接頭的折斷率較高，嚴(yán)重影響了重載列車的安全運(yùn)營。據(jù)此，神華集團(tuán)委托南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司(以下簡稱戚所公司)對特定軌種的75kg/m鋼軌采用閃光接觸焊技術(shù)進(jìn)行工地焊接技術(shù)的研究，探討取代現(xiàn)行的氣壓焊和鋁熱焊技術(shù)可行性。

針對朔黃鐵路主要采用的75kg/mU78CrV鋼軌，戚所公司在60kg/m鋼軌移動閃光焊焊接工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合目前國外重載鐵路的發(fā)展現(xiàn)狀，對設(shè)備進(jìn)行選型與研制，并對75kg/m鋼軌移動閃光焊焊接工藝和熱處理工藝進(jìn)行研究，通過TB/T1632—2005的型式檢驗(yàn)及試驗(yàn)線段的工地焊接，來驗(yàn)證閃光接觸焊技術(shù)的可行性。

2 設(shè)備選型與研制

2.1 焊接設(shè)備

焊接設(shè)備選用戚所公司自主研發(fā)的LR1200型移動閃光接觸焊機(jī)組(見圖1)，配備LR1200型焊機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1)運(yùn)用條件：海拔高度不超過2 000m，環(huán)境溫度0～+40 ℃；

(2)結(jié)構(gòu)性能：外形尺寸(長×寬×高)：14.338m×2.778m×3.69m，整機(jī)質(zhì)量41t，發(fā)動機(jī)額定功率400kW，可焊鋼軌最大截面積10 000mm2。

圖1 LR1200型閃光接觸焊機(jī)組

由于目前國內(nèi)外對75kg/m鋼軌采用移動閃光焊接尚屬空白，基于LR1200型移動閃光接觸焊機(jī)組，對LR1200型焊機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，研制與75kg/m鋼軌相配套的鉗口、推瘤刀和刀座。

2.1.1 鉗口設(shè)計(jì)

鉗口的作用是把電流導(dǎo)通到被焊工件(鋼軌)的焊接部位上,所以鉗口必須具備良好的導(dǎo)電性、較高的熱強(qiáng)度和耐磨性能。75kg/m鋼軌夾緊鉗口的設(shè)計(jì)主要要求是夾緊弧面要與鋼軌軌腰接觸良好，貼合更緊密，增加導(dǎo)電性。75kg/m鋼軌的夾緊鉗口如圖2所示。

2.1.2 推瘤刀及刀座設(shè)計(jì)

焊機(jī)頂鍛階段完成后接頭處會產(chǎn)生焊瘤，需通過推瘤刀對焊瘤進(jìn)行加工(即推瘤)，此目的既可以減少焊接后人工打磨余量，又可以使焊接接頭外形成型美觀。由于75kg/m鋼軌的截面比60kg/m鋼軌的大，其所需頂鍛力和推瘤力也相應(yīng)加大，因此75kg/m鋼軌用推瘤刀及刀座設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是提高強(qiáng)度，防止出現(xiàn)彎曲變形問題。75kg/m鋼軌的推瘤刀及刀座如圖3所示。

圖2 鉗口

圖3 推瘤刀及刀座

2.2 熱處理設(shè)備

鋼軌焊接完成后由于熱影響使焊接接頭過熱區(qū)的金屬顯微組織晶粒粗大，力學(xué)性能大幅度下降，反映焊接接頭綜合性能的落錘試驗(yàn)難以通過現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中的要求，嚴(yán)重影響無縫線路的安全使用。

現(xiàn)階段，我國鐵路建設(shè)單位和工務(wù)養(yǎng)護(hù)單位進(jìn)行現(xiàn)場接頭熱處理時(shí)人為因素較多，在應(yīng)用過程中易出現(xiàn)未正透或正過頭現(xiàn)象，其質(zhì)量不穩(wěn)定。

此研究中采用了戚所公司與鐵科院合作開發(fā)的焊后熱處理設(shè)備[1](見圖4)對鋼軌接頭進(jìn)行焊后熱處理，與傳統(tǒng)火焰方式相比較，綜合熱處理方式采用感應(yīng)渦流加熱，通過改變正火頻率，可快速提高加熱速度，并能避免鋼軌內(nèi)部加熱不到位的問題。感應(yīng)加熱采用非接觸式紅外探頭測量正火溫度，由于感應(yīng)加熱沒有火焰干擾，因此測溫準(zhǔn)確，溫度一旦達(dá)到要求，即可停止加熱，從而保證了正火溫度的重現(xiàn)性和可控性。整個(gè)過程通過計(jì)算機(jī)控制，無需人工干預(yù)，保證正火質(zhì)量的穩(wěn)定。

具體參數(shù)如下：(1)運(yùn)用條件：海拔高度不超過2 000m，環(huán)境溫度-10～+40 ℃；(2)結(jié)構(gòu)性能：外形尺寸(長×寬×高)14.338m×2.778m×3.69m，發(fā)動機(jī)功率250kW，加熱時(shí)間150～300s。

圖4 焊后熱處理設(shè)備

3 焊接及正火工藝參數(shù)研究

3.1 母材

朔黃鐵路采用的是攀鋼集團(tuán)有限公司研制的75kg/mU78CrV熱處理鋼軌，在小半徑曲線鋪設(shè)使用，其耐磨性能明顯優(yōu)于U75V熱處理鋼軌，其化學(xué)成分符合TB/T2344—2012《43kg/m～75kg/m熱軋鋼軌訂貨技術(shù)條件》的規(guī)定：

w(C)=0.72%～0.82%；w(Si)=0.50%～0.80%；w(Mn)=0.70%～1.05%；w(P)≤0.025%；w(S)≤0.025%；w(V+Nb+Ti+Cr+Ni+Mo)≤0.70%；w(Cu)≤0.15%；w(Sn)≤0.040%；w(Sb)≤0.020%；w(Cu+10Sn)≤0.35%。

鋼軌抗拉強(qiáng)度、耐磨性及硬度隨著含碳量的增加而增加，含碳量是影響鋼軌焊接工藝的主要因素，含碳量高，激發(fā)閃光時(shí)就需要較大的接觸電壓。為了獲得良好的加熱效果，采用快速送進(jìn)及較長時(shí)間的軟規(guī)范加熱方式[2]，這一點(diǎn)在調(diào)整工藝參數(shù)時(shí)有參考價(jià)值。

3.2 焊接工藝參數(shù)的研究

通過對鋼軌化學(xué)成分及力學(xué)性能的分析，以脈動閃光焊工藝為主體，前期加熱采用預(yù)熱閃光焊工藝，兩者相結(jié)合作為本次參數(shù)調(diào)試的基準(zhǔn)。焊接工藝參數(shù)是指焊接時(shí)為保證焊接質(zhì)量而選定的各物理量的總稱，也稱焊接規(guī)范。LR1200型焊機(jī)的焊接工藝參數(shù)包括位移、時(shí)間、電壓、電流、速度、頂鍛量等，這些工藝參數(shù)選擇正確與否，直接影響著焊縫形狀和尺寸、焊接質(zhì)量及生產(chǎn)率。

針對重載鋼軌及現(xiàn)場需要克服500m長軌拉力的情況，可提高輸出壓力參數(shù)百分比(由50%升至60%)，增加夾緊油缸與頂鍛油缸輸出壓力，但頂鍛壓力提高將影響整個(gè)焊接過程，脈動電流及頂鍛量也都會相應(yīng)升高。母材含碳量提高，鋼軌的可焊范圍就變窄，調(diào)試工藝時(shí)初設(shè)為前期脈動投入大熱量，低速加熱閃平燒化，延長大電流頂鍛時(shí)間以保證接頭溫度，配以大頂鍛量完成焊縫間原子彌散結(jié)合實(shí)現(xiàn)焊接。

對影響焊接接頭質(zhì)量的參數(shù)逐個(gè)進(jìn)行分析，最終找到適合的一組參數(shù)，完成整個(gè)焊接。整個(gè)焊接接頭過程曲線如圖5所示。

圖5 焊接接頭過程曲線

3.3 正火工藝參數(shù)的研究

焊后熱處理設(shè)備采用中頻加熱方式，通過磁場產(chǎn)生渦流進(jìn)行加熱，通過改變正火頻率，可快速提高加熱速度，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制整個(gè)加熱過程。

移動式鋼軌接頭熱處理系統(tǒng)可形象地觀察鋼軌加熱溫度、頻率、加熱時(shí)間、功率及正火日期。正火操作系統(tǒng)細(xì)分為10個(gè)階段，使得鋼軌不同截面厚度均能均勻受熱，每個(gè)階段可單獨(dú)設(shè)定溫度及時(shí)間。正火操作系統(tǒng)記錄試件數(shù)據(jù)并繪制曲線(見圖6)。通過紅外測溫儀實(shí)時(shí)采集鋼軌加熱溫度來控制正火裝置動作，待溫度合適后，自動關(guān)閉中頻電源，開始快速噴風(fēng)以滿足TB/T1632.2—2005標(biāo)準(zhǔn)中對鋼軌硬度指標(biāo)的要求。

圖6 正火記錄曲線

通過觀察比較鋼軌落錘后的端面，調(diào)整各個(gè)階段的參數(shù)，最終確定了合適的一套工藝參數(shù)，采用該工藝參數(shù)完成的焊接接頭最終通過了TB/T1632—2005標(biāo)準(zhǔn)中的型式檢驗(yàn)。

4 移動閃光焊工地焊接施工

試驗(yàn)段為一條曲線，其曲線參數(shù)如下：

起訖里程：K66+160.84～K66+777.34;半徑為600m；長度為616.5m，緩和曲線140m，超高75mm，坡度為10.8‰。

焊接施工采用25m鋼軌線下焊接與線上鎖定焊接方案。線下焊接：將25m鋼軌在線下焊接成長軌條。將25m鋼軌預(yù)先放置在砟肩，然后逐個(gè)焊接。在1個(gè)封鎖點(diǎn)(4h)內(nèi)可焊接8～10個(gè)接頭，鋼軌的熱處理、精磨在下個(gè)封鎖點(diǎn)內(nèi)完成。整個(gè)長軌條焊接完成后，開始進(jìn)行線上鎖定焊接。線上鎖定焊接：在天窗點(diǎn)換鋪長軌條，并將長軌條聯(lián)入無縫線路，在長軌條的始、終端與已鋪相鄰單元軌條直接焊連。

從2013年10月15日到2013年11月5日，采用軌道車+非自行式移動焊軌車+材料車+熱處理作業(yè)車+軌道車的列車編組，總共在10個(gè)封鎖點(diǎn)內(nèi)完成了試驗(yàn)段的現(xiàn)場施工。

5 結(jié)束語

戚所公司采用LR1200型焊機(jī)、感應(yīng)正火設(shè)備在朔黃線上完成600m試驗(yàn)段的焊接，這是國內(nèi)首次將閃光接觸焊技術(shù)應(yīng)用在75kg/m鋼軌重載線路上，通過一年多應(yīng)用，鋼軌焊接接頭的磨耗量、傷損率均較氣壓焊、鋁熱焊大幅降低，焊接質(zhì)量得到了用戶的肯定，為重載鐵路的升級提供了強(qiáng)有力支持。

[1] 常安全，張宇超.既有線鋼軌焊接接頭焊后綜合處理系統(tǒng)的研制[J].軌道交通裝備與技術(shù)，2014(5)：1-3.

[2] 劉豐收，周清躍，張銀花，等.重載鐵路用U77MnCr鋼軌的試驗(yàn)研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2009(5)：16-20.□

(編輯：林素珍)

2095-5251(2016)01-0009-03

2015-03-10

曹志國(1979-)，男，本科學(xué)歷，高級工程師，從事鐵路養(yǎng)路機(jī)械研究與開發(fā)工作。

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