楊云堂

（中鐵一局集團(tuán)新運(yùn)工程有限公司，陜西咸陽(yáng)712000）

1 基于綠色環(huán)保的鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接方法

軌道焊接技術(shù)是中國(guó)無(wú)縫線路建設(shè)中的關(guān)鍵保障環(huán)節(jié)之一，目前無(wú)縫線路建設(shè)中常用的焊接方法有閃光焊、氣壓焊、鋁熱焊3種。2010年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：閃光焊接頭約占我國(guó)無(wú)縫線路接頭總數(shù)的87%，氣壓焊接頭約占接頭總數(shù)的10%，鋁熱焊接頭約占接頭總數(shù)的3%[1-2]。經(jīng)過(guò)近幾年的發(fā)展，由于鋼軌閃光焊焊接生產(chǎn)效率高、接頭的斷軌率低，鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接閃光焊所占比例已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)87%。為分析比較鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接方法在焊接生產(chǎn)效率、接頭質(zhì)量、綠色環(huán)保等方面的綜合性能，在此對(duì)各種鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接方法進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1 鋁熱焊

鋁熱焊采用鋁熱反應(yīng)產(chǎn)生的熱量加熱鋼軌和填充材料，由于焊接接頭為鑄造組織，且焊接過(guò)程的預(yù)熱、焊縫預(yù)留間隙等受人為因素影響，焊接接頭的綜合機(jī)械性能是所有鋼軌焊接方法中最差的，但該種方法不需要大功率電源，對(duì)環(huán)境的影響是3種常用現(xiàn)場(chǎng)焊方法中最小的，且搬運(yùn)攜帶方便，特別適合因空間位置受限而無(wú)法焊接的場(chǎng)合以及斷軌的搶修焊接。

1.2 氣壓焊

氣壓焊是利用氧-乙炔焰產(chǎn)生的熱量進(jìn)行加熱，將被焊的兩個(gè)鋼軌端面加熱到熔融狀態(tài)或塑性狀態(tài)而連接到一起的焊接方法。氣壓焊具有一次性投資小、無(wú)需大功率電源、焊接時(shí)間短、焊接質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，但氣壓焊為保護(hù)焊接高溫區(qū)域，使用的火焰必須是還原性火焰，而還原性火焰中含有燃燒不完全產(chǎn)生的CO氣體，并且焊接接頭質(zhì)量易受工作環(huán)境及操作人員的操作水平影響，由于采用外部熱源加熱且外部熱源很難做到對(duì)稱加熱，導(dǎo)致鋼軌焊接接頭的外形質(zhì)量即平順性要求比閃光焊差。

1.3 閃光焊

鋼軌閃光焊采用大電流流過(guò)工件產(chǎn)生電阻熱加熱鋼軌的專用大功率焊接設(shè)備，利用電阻熱熔化鋼軌，形成合適的溫度場(chǎng)，通過(guò)液橋穩(wěn)定而劇烈的爆破來(lái)保護(hù)高溫區(qū)域，再經(jīng)過(guò)頂鍛擠出過(guò)熱金屬和有害物質(zhì)完成焊接。該種焊接方法需要大功率電源，而現(xiàn)場(chǎng)焊接基本都靠大功率發(fā)電機(jī)組供電，由于鋼軌閃光焊過(guò)程中液橋的形成和爆破是端面加熱和保護(hù)必須的，而液橋的不斷形成和爆破使得鋼軌閃光焊過(guò)程中的發(fā)電機(jī)組負(fù)載為沖擊負(fù)載，由于需用功率大，且沖擊負(fù)載使發(fā)電機(jī)組總是處于瞬時(shí)過(guò)載狀態(tài)，發(fā)電機(jī)的油煙和有害氣體排放就多，從而影響人的身體健康。但該種焊接方法因?yàn)閮?nèi)部熱源加熱，具有熱影響區(qū)窄、焊接質(zhì)量高而穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)焊接中占主導(dǎo)地位。

由以上分析可知，鋼軌現(xiàn)場(chǎng)閃光焊與其他焊接方法相比，優(yōu)勢(shì)明顯，但其自身的加熱方式使得焊接過(guò)程中的排放偏大。與軌道交通領(lǐng)域的其他裝備一樣，現(xiàn)場(chǎng)鋼軌閃光焊焊接裝備也經(jīng)歷了從引進(jìn)、消化吸收到再創(chuàng)新的過(guò)程。目前，國(guó)產(chǎn)鋼軌現(xiàn)場(chǎng)閃光焊焊接裝備的性能在各個(gè)方面都能滿足高速、重載、地鐵、有軌電車軌道的焊接，并已走向國(guó)際市場(chǎng)。但不管是進(jìn)口還是國(guó)產(chǎn)鋼軌閃光焊設(shè)備，其配置的大功率發(fā)電機(jī)組在現(xiàn)場(chǎng)鋼軌焊接時(shí)都存在排放大的問(wèn)題：不僅存在顆粒物排放，還因燃燒不完全存在有害氣體如CO等的排放，在無(wú)縫線路建設(shè)特別是城市軌道交通的地鐵建設(shè)中影響著施工安全和現(xiàn)場(chǎng)施工人員的身心健康。因此，研究現(xiàn)場(chǎng)鋼軌閃光焊低排放技術(shù)具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2 低排放現(xiàn)場(chǎng)鋼軌閃光焊接技術(shù)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)鋼軌閃光焊焊接裝備排放情況及產(chǎn)生原因

目前在國(guó)內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)鋼軌焊接大量采用鋼軌閃光焊方法，其焊接接頭的質(zhì)量由以下方面保證：

（1）鋼軌焊接接頭合理的溫度場(chǎng)分布。該溫度場(chǎng)分布影響閃光焊后期閃光的穩(wěn)定性和劇烈程度，從而影響鋼軌閃光焊焊接接頭高溫區(qū)域的保護(hù)；決定了頂鍛時(shí)鋼軌高溫端面有害物質(zhì)排出的難易；決定了頂鍛變形量的大小。

（2）鋼軌的合適的頂鍛變形量。決定焊接完成后焊接接頭的力學(xué)性能；和溫度場(chǎng)分布一起決定頂鍛時(shí)鋼軌高溫端面有害物質(zhì)的排出。

（3）鋼軌焊接接頭頂鍛前鋼軌端面保護(hù)的狀況。通過(guò)合理的溫度場(chǎng)建立和匹配的動(dòng)夾送進(jìn)速度，得到穩(wěn)定而劇烈的液橋爆破。

由于國(guó)內(nèi)鋼軌閃光焊標(biāo)準(zhǔn)要求通過(guò)落錘試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)鋼軌閃光焊最先從基地焊接裝備的引入開始，而基地鋼軌閃光焊通過(guò)落錘試驗(yàn)的工藝基本采用寬熱場(chǎng)、大頂鍛量方式[3-4]，因此，現(xiàn)場(chǎng)鋼軌閃光焊從引進(jìn)到國(guó)產(chǎn)化直到現(xiàn)在也基本采用這種工藝參數(shù)調(diào)試模式，該模式的工藝參數(shù)特點(diǎn)及問(wèn)題如下：

（1）在焊接過(guò)程中采用大短路電流、快送進(jìn)速度，而現(xiàn)場(chǎng)鋼軌閃光焊是采用發(fā)電機(jī)組供電，焊接過(guò)程中的短路、斷路狀態(tài)交替進(jìn)行，發(fā)電機(jī)組負(fù)載為沖擊載荷，要求發(fā)電機(jī)的輸出功率特別是瞬時(shí)輸出功率要大，而發(fā)電機(jī)組容量不可能配置太大，因此，發(fā)電機(jī)始終工作在瞬時(shí)過(guò)載狀態(tài)。

（2）從焊接接頭灰斑缺陷的排出來(lái)看，文獻(xiàn)[5]提出，將帶電頂鍛的時(shí)間增加至1.5～2.0 s有利于灰斑缺陷的排出。

采用上述模式的典型鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝及焊接曲線如圖1所示。

圖1 原高排放的焊接工藝

由圖1b可知，在低壓1階段設(shè)置的動(dòng)夾送進(jìn)速度達(dá)到2.2 mm/s，焊接電流設(shè)置也大。焊接時(shí)低壓階段的焊接電流波形如圖1a所示，短路電流大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，需要發(fā)電機(jī)瞬時(shí)輸出功率大且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)電機(jī)組排放的油煙大，有害氣體多。

基于增加帶電頂鍛時(shí)間有利于灰斑缺陷的擠出的觀點(diǎn)，在進(jìn)行焊接工藝調(diào)試時(shí)均采用長(zhǎng)頂鍛時(shí)間方式，如圖1b所示，帶電頂鍛時(shí)間設(shè)置為1.0 s，帶電頂鍛時(shí)焊接電流波形如圖1a所示，這種長(zhǎng)時(shí)間大電流短路導(dǎo)致發(fā)電機(jī)過(guò)載時(shí)間長(zhǎng)，過(guò)載大，使得帶電頂鍛時(shí)的油煙排放特別大。

2.2 低排放焊接工藝研究

2.2.1 調(diào)整加熱階段的工藝參數(shù)，減小短路電流和短路時(shí)間

減小閃光焊高壓及低壓1階段短路電流，縮短短路持續(xù)時(shí)間，為此，工藝調(diào)試時(shí)的工藝參數(shù)調(diào)整包含以下幾個(gè)方面：減小焊接1、2、3的電流設(shè)置；減小送進(jìn)速度；增加回拉速度。經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，通過(guò)落錘試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)如圖2b所示。

圖2 新型鋼軌現(xiàn)場(chǎng)閃光焊焊接工藝

對(duì)比圖2a與圖1a可知：

（1）圖1a的低壓階段短路電流達(dá)到720 A，短路持續(xù)時(shí)間基本在1 s以上，有的甚至達(dá)到2 s，這只是低壓階段的情況，因鋼軌焊接過(guò)程包含高壓、低壓、加速、頂鍛及帶電頂鍛幾個(gè)階段，高壓階段電壓為 390～400 V，短路電流達(dá)到 820～900 A，因此高壓階段加熱需要的功率輸出約為553～568 kVA，對(duì)發(fā)電機(jī)的功率要求更大，而發(fā)電機(jī)配置為440 kVA，嚴(yán)重過(guò)載，并且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，因此，發(fā)電機(jī)組油煙和有害氣體排放大。

（2）由圖2a可知，新型焊接工藝采取的措施是降低焊接過(guò)程中的短路電流和短路持續(xù)時(shí)間，并降低高壓階段的焊接電壓，低壓階段最長(zhǎng)短路持續(xù)時(shí)間約為0.3 s，短路電流約為600 A，高壓階段電壓降到350～370 V，高壓短路電流約為700 A，且大部分持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于0.3 s，因此，高壓階段短路加熱需要的功率輸出約為364～448 kVA，且焊接短路持續(xù)的時(shí)間明顯縮短。由計(jì)算結(jié)果可知，即使加上回路損耗等，發(fā)電機(jī)過(guò)載仍很小，且持續(xù)時(shí)間很短，因此，發(fā)電機(jī)組的油煙和有害氣體排放大大減小。

2.2.2 減小焊接頂鍛時(shí)的帶電頂鍛時(shí)間和頂鍛電壓

在焊接工藝的調(diào)試方面，減少鋼軌焊接接頭的灰斑缺陷的工藝措施有兩種：①通過(guò)加熱階段的工藝調(diào)試，使頂鍛前的焊接接頭端面形成穩(wěn)定而劇烈的閃光，使焊接接頭端面在頂鍛前保護(hù)很好，基本不存在氧化物，并且保證了頂鍛前端面的平整性；②端面在頂鍛前存在氧化物，通過(guò)合適的頂鍛工藝擠出端面氧化物：加大帶電頂鍛時(shí)間、加大頂鍛量，合理控制頂鍛速度。

基于上述分析，如果鋼軌現(xiàn)場(chǎng)閃光焊加熱階段的工藝調(diào)試使得端面保護(hù)較好，后面的帶電頂鍛就只是一種輔助措施，可減小帶電頂鍛電流和帶電頂鍛時(shí)間，按此思路反復(fù)調(diào)試，通過(guò)落錘試驗(yàn)的焊接工藝參數(shù)如圖2b所示。對(duì)比圖2b與圖1b可知，圖2b中的帶電頂鍛時(shí)間0.6 s，電壓365 V，頂鍛電流約為800 A，所需的功率輸出為505 kVA，過(guò)載不大，且過(guò)載時(shí)間很短；而圖1b中的帶電頂鍛時(shí)間為1.8 s，電壓398 V，頂鍛電流接近1 000 A，所需的功率輸出為689 kVA，該種工藝超過(guò)發(fā)電機(jī)組額定功率近50%，且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。因此，采用短時(shí)小電流帶電頂鍛方式可大大降低帶電頂鍛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)組的過(guò)載，減少發(fā)電機(jī)煙塵和有害氣體的排放。

綜上所述，新型焊接工藝減小了焊接各階段的短路電流和短路持續(xù)時(shí)間，不僅改善了加熱時(shí)鋼軌的端面平整度和保護(hù)效果，減小了鋼軌加熱時(shí)端面的氧化，同時(shí)也有利于頂鍛時(shí)有害物質(zhì)的排出，從而進(jìn)一步降低帶電頂鍛的電流和持續(xù)時(shí)間，顯著降低鋼軌焊接過(guò)程中發(fā)電機(jī)煙塵和有害氣體的排放。

2.3 其他綠色環(huán)?，F(xiàn)場(chǎng)焊方法

2.3.1 采用儲(chǔ)能裝置解決焊軌瞬時(shí)功率需求，減小發(fā)動(dòng)機(jī)組排放

鋼軌現(xiàn)場(chǎng)閃光焊焊接時(shí)，對(duì)于發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，焊機(jī)是一個(gè)沖擊負(fù)載，發(fā)電機(jī)組的油煙和有害氣體排放大是瞬時(shí)負(fù)載過(guò)大造成的，為此提出通過(guò)在柴油機(jī)輸出軸加飛輪儲(chǔ)能的方式，在焊接斷路期間飛輪儲(chǔ)能，在焊接斷路期間飛輪釋放能量，從而使柴油機(jī)的輸出帶載更加均衡。

2.3.2 增加尾氣凈化裝置，降低排放

針對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中碳煙顆粒物（PM）以及有害氣體（HC、CO、NOx）的排放是在高溫缺氧環(huán)境下生成的特點(diǎn)，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)急加速過(guò)程或重負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)大量產(chǎn)生，因此采取物理過(guò)濾和化學(xué)吸收的聯(lián)合凈化方式：柴油機(jī)尾氣通過(guò)此尾氣凈化器的進(jìn)氣口進(jìn)入，并通過(guò)由多組陶瓷碳煙微粒捕集器（DPF）并聯(lián)組成的凈化單元將碳煙微粒捕捉，降低尾氣中碳煙顆粒物的濃度；采用DOC氧化HC和CO，并將NO氧化成NO2，從而達(dá)到改善工作環(huán)境、保護(hù)施工人員健康的目的。

目前，國(guó)內(nèi)多家單位已在研究該類尾氣凈化裝置，其中成都艾格科技有限責(zé)任公司聯(lián)合發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)廠家研發(fā)的新型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣凈化器于2017年10月26日～30日在重慶軌道交通四號(hào)線江北段AG79移動(dòng)式焊軌機(jī)組上進(jìn)行加裝，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)和檢測(cè)，達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。已正式投入項(xiàng)目軌道焊接施工。加裝前后的固體顆粒物（PM）值、氣態(tài)污染物采集見表1、表2[6]。

由表1、表2可知，固體顆粒物和氣態(tài)污染物在尾氣凈化裝置加裝后大大降低，極大改善了施工條件。

表1 固體顆粒物（PM）值采集

表2 氣態(tài)污染物采集

3 結(jié)論

對(duì)比分析鋁熱焊、閃光焊和氣壓焊等現(xiàn)場(chǎng)鋼軌焊接方法，鋁熱焊現(xiàn)場(chǎng)排放最少，鋼軌現(xiàn)場(chǎng)閃光焊方法排放最高，但由于閃光焊具有其他焊接方法不可比擬的優(yōu)越性，在鋼軌現(xiàn)場(chǎng)焊接中占據(jù)越來(lái)越重要的地位。詳細(xì)分析現(xiàn)場(chǎng)鋼軌閃光焊排放大的原因，提出了通過(guò)調(diào)整焊接加熱及頂鍛過(guò)程中的短路電流及其持續(xù)時(shí)間的解決辦法，取得了較好效果。并介紹了通過(guò)增加輔助裝置減少固體顆粒物和氣態(tài)污染物排放的方法。