賀 頌 徐偉人 上海鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所

我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，對鐵路運輸提出了更高的要求。重載已經(jīng)成為鐵路貨運發(fā)展的必然趨勢，從而對鋼軌的性能也提出了更高的要求。特別是在大秦和神黃這類運煤專線上，每日的貨運量巨大，原有的鋼軌已無法滿足近乎苛刻的使用條件，磨耗非常嚴重。為此，北京鐵路局、太原鐵路局和呼和浩特鐵路局等單位在一些重載線路上開始鋪設(shè)特制的PG4鋼軌。目前，已經(jīng)實現(xiàn)了PG4鋼軌的工廠焊，但現(xiàn)場焊還大多采用氣壓焊或鋁熱焊，所以，用LR1200焊軌車進行現(xiàn)場焊接PG4鋼軌，實現(xiàn)焊接接頭的同質(zhì)等強，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

1 LR1200焊軌車簡介

YHG-LR1200焊軌車是由昆明中鐵生產(chǎn)的自行式鋼軌閃光焊接專用設(shè)備，主要由走行系統(tǒng)和焊接系統(tǒng)組成，自帶動力可雙向行駛。焊接系統(tǒng)采用南車戚墅堰機車車輛工藝研究所生產(chǎn)的LR1200鋼軌閃光對接焊機，又可分為焊機機頭、電氣控制系統(tǒng)、焊接管理系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成部分。

1.1 LR1200鋼軌閃光對接焊機的特點

（1）焊機機頭為懸掛式，通過夾持鋼軌軌腰進行焊接。

（2）焊機可產(chǎn)生較大的頂鍛力，頂鍛力最大達到1200kN。

（3）夾緊油缸具有增壓結(jié)構(gòu)，水平動作，保證夾緊力不受鉗口磨損影響。

（4）焊機行程較大，達150mm。

（5）焊機有常規(guī)推瘤和保壓推瘤兩種推瘤方式。

（6）采用可編程序控制器和液壓系統(tǒng)實施對焊接的自動控制，可實現(xiàn)連續(xù)閃光焊或脈動閃光焊。

（7）焊接管理系統(tǒng)可以記錄焊接過程的壓力、電流、位移和電壓等焊接數(shù)據(jù)，可顯示、打印焊接曲線或焊接表格，并可自動判別焊接質(zhì)量，保存焊接歷史數(shù)據(jù)。

（8）液壓系統(tǒng)的最大工作壓力達到22MPa，通過比例溢流閥遠程調(diào)控工作壓力。

2 PG4鋼軌簡介

PG4鋼軌由攀鋼于2008年研制成功，是針對國內(nèi)重載線路的一種新軌種。它具有強度級別高、硬度高、耐磨性能好、抗疲勞性好等優(yōu)點，最適應(yīng)重載無縫線路、運輸量大、小半徑曲線無縫線路使用。PG4鋼材化學(xué)成分見表1。

表1 鋼軌化學(xué)成分

由于在鋼材中含碳量增加，又加入了合金元素Cr，推遲了珠光體轉(zhuǎn)變的時間，使得鋼軌在出廠熱處理后較易獲得高硬度特性。PG4鋼軌的強度和硬度，明顯高于U75V，使用壽命達到U75V熱軋鋼軌的2倍以上。但是鋼軌的斷后伸長率減小、韌塑性有所下降、可焊性降低。在實際生產(chǎn)應(yīng)用中，PG4鋼軌表現(xiàn)為沖擊韌性差，脆斷，給用LR1200焊軌車進行PG4焊接工藝調(diào)試增加困難。PG4與U75V的力學(xué)性能見表2。

表2 熱軋鋼軌拉伸及踏面硬度[1]

3 PG4鋼軌焊接工藝調(diào)試

LR1200焊軌車的閃光焊接的全過程由預(yù)閃、脈動閃光、連續(xù)閃光、頂鍛、保壓、推瘤等六個主要階段組成。預(yù)閃階段的目的是實現(xiàn)端面的閃平和預(yù)加熱；脈動閃光階段是保證鋼軌焊接具有足夠熱量和達到足夠熱區(qū)寬度的關(guān)鍵階段。這階段由于應(yīng)用脈動閃光工藝，鋼軌之間的縫隙很小，電流較大，而鋼軌的飛濺量很小，絕大部分的熱量保留在鋼軌的兩側(cè)斷面，是主要的加熱階段；連續(xù)閃光階段時端面間形成激烈的閃光，產(chǎn)生良好的保護氣氛，大大減少鋼軌端面被空氣氧化的機會，同時焊件端面溫度得到進一步均勻，形成完整的液態(tài)金屬覆蓋膜，為頂鍛作準(zhǔn)備；在頂鍛階段，對焊件迅速施加足夠大的頂鍛力，使液態(tài)金屬快速從焊件端面擠出，封閉端面間隙，同時使接頭產(chǎn)生足夠的塑性變形，形成共同結(jié)晶；保壓階段進一步促進焊接頭再結(jié)晶的形成，獲得致密的熱鍛造組織形態(tài)；推瘤階段，把頂鍛出來的焊瘤推凸掉。

在焊接工藝參數(shù)調(diào)試中，由于PG4的可焊性較差，所需要的加熱量要比U75V、U71Mn等其他軌種更大，所以脈動階段的熱量積累一定要充分，為連續(xù)閃光階段和頂鍛階段打下良好的熱量基礎(chǔ)，否則容易出現(xiàn)冷斷口，表現(xiàn)為斷口平齊，如圖1所示。為此，我們通過增加了階段1和階段2的焊接時間，使加熱量增加了20%。

圖1 平齊斷口

另外，由于PG4的合金元素不易熔化，為了在頂鍛前兩端面形成完整的液態(tài)金屬保護膜并在縫隙線兩側(cè)形成一定的溫度梯度，從而防止焊接缺陷的形成，需要在頂鍛前加大鋼軌端面熱量輸入，提高閃光激烈程度。為此，我們在焊接后期適當(dāng)?shù)靥岣唠A段4、階段5和階段6的前進速度，并且設(shè)定的前進速度逐階段地升高，同時，在這些階段中的焊接電流大小應(yīng)當(dāng)保持適中，既不出現(xiàn)短路，也不出現(xiàn)斷路。

典型的PG4鋼軌閃光焊焊接曲線圖如圖2所示

圖2 典型的PG4鋼軌閃光焊焊接曲線圖

鋼軌的焊接質(zhì)量主要由焊接頭的落錘、靜彎、疲勞、金相等試驗項目來加以檢驗，其中鋼軌的落錘檢驗非?？量?，是焊接型式試驗的重中之重。像PG4這種高碳鋼軌，在焊接完成后，焊接接頭與熱影響區(qū)之間存在較大的焊接殘余應(yīng)力，接頭晶粒粗大，必須通過正火處理來消除焊接殘余應(yīng)力、同時細化鋼軌晶粒，提高抗落錘能力。

鋼軌焊接接頭正火要求一般如下：

（1）焊接接頭正火前鋼軌的溫度小于500℃；

（2）鋼軌焊接接頭的加熱溫度應(yīng)嚴格控制在規(guī)定范圍內(nèi)；

（3）鋼軌各部位的加熱溫度應(yīng)基本一致；

（4）正火加熱的熱影響區(qū)寬度必須大于焊接的熱影響區(qū)；

不同鋼種、不同焊接方法和不同焊接工藝的焊頭，具有不同的最佳正火溫度。最佳正火溫度應(yīng)是在生產(chǎn)線上能實際應(yīng)用的一個溫度范圍。當(dāng)溫度過高時，奧氏體晶粒嚴重漲大，出現(xiàn)過熱組織；當(dāng)正火溫度過低時，部分珠光體和鐵素體沒有發(fā)生奧氏體轉(zhuǎn)變，晶粒度沒有發(fā)生變化，會出現(xiàn)正不透現(xiàn)象。由于PG4鋼材材質(zhì)的特殊性，對正火溫度特別敏感，現(xiàn)場氧乙炔正火作業(yè)最好配備測溫設(shè)備準(zhǔn)確地控制正火溫度，PG4最佳正火溫度在950℃左右，同時，正火時擺幅大些，正火范圍寬些。

4 結(jié)束語

2012年，在北京鐵路局沙河焊軌基地，用新出廠的LR1200自行式焊軌車，通過不斷調(diào)整、摸索，累計焊接了60個接頭，通過了60kg/mPG4落錘檢驗。適當(dāng)?shù)靥岣吆附忧捌诘臒崃枯斎牒秃附雍笃诘募铀偎俣?，焊接出來的接頭灰斑缺陷小、質(zhì)量穩(wěn)定性高，加以正確的焊后正火熱處理，能夠通過包括落錘項目的所有焊接型式檢驗。