潘沛浪PAN Pei-lang

（中鐵十二局集團(tuán)有限公司，太原 030024）

0 引言

鋪設(shè)無(wú)縫線(xiàn)路是適應(yīng)高速運(yùn)輸發(fā)展，保持列車(chē)平穩(wěn)運(yùn)行，減小列車(chē)對(duì)鋼軌沖擊，延長(zhǎng)鋼軌使用壽命的有效方法，對(duì)鋼軌焊接接頭的性能提出了更高的要求。

不同交貨狀態(tài)的鋼軌其硬度、材質(zhì)、精度等不盡相同，在高速鐵路中對(duì)不同的股道（如正線(xiàn)、到發(fā)線(xiàn)）、不同大小的曲線(xiàn)半徑線(xiàn)路要求鋪設(shè)不同類(lèi)型的鋼軌。因此在施工過(guò)程中經(jīng)常遇到不同交貨狀態(tài)的鋼軌進(jìn)行對(duì)焊，特別是硬度較大的熱處理鋼軌與精度較高的高速鋼軌焊接接頭質(zhì)量如何控制是問(wèn)題關(guān)鍵所在。

1 工程概況

南沿江城際鐵路屬于長(zhǎng)三角城際軌道交通網(wǎng)的第三層次“核心區(qū)域線(xiàn)路”，是長(zhǎng)三角核心區(qū)域的骨干城際線(xiàn)；是滬漢蓉快速客運(yùn)通道的重要組成部分，承擔(dān)項(xiàng)目沿線(xiàn)與華中、西南地區(qū)的長(zhǎng)途跨線(xiàn)客流。南沿江城際鐵路的建設(shè)，可以提高滬寧通道的客運(yùn)能力，解決通道內(nèi)交通需求與供給之間的矛盾，緩解沿江公路、鐵路的交通壓力。

南沿江城際鐵路鋪設(shè)攀鋼，U71Mn 熱處理鋼軌、高速鋼軌（U71MnG 熱軋鋼軌）和低速鋼軌（U71Mn 熱軋鋼軌）三種鋼軌，U71Mn 熱處理鋼軌主要用于曲線(xiàn)段，高速鋼軌主要用于正線(xiàn)，低速鋼軌主要用于到發(fā)線(xiàn)和聯(lián)絡(luò)線(xiàn)。線(xiàn)路中就有多種焊接接頭，本文主要對(duì)熱處理鋼軌和高速鋼軌焊接接頭的焊接工藝參數(shù)及焊接質(zhì)量保障進(jìn)行分析研究。

2 移動(dòng)閃光焊接技術(shù)原理

移動(dòng)閃光焊接是一種將鋼軌兩端面輕微接觸并形成許多接觸點(diǎn)，電流通過(guò)接觸點(diǎn)而局部加熱，使接觸點(diǎn)熔化、蒸發(fā)和爆破，液態(tài)金屬微粒不斷從接頭處噴射出來(lái)，形成火花急流（閃光），當(dāng)對(duì)接端部都熔融時(shí)加壓接合的方法。

移動(dòng)閃光焊是使用閃光焊機(jī)在工地上進(jìn)行鋼軌焊接，獨(dú)立的車(chē)載式發(fā)電機(jī)組是焊機(jī)及配套設(shè)備的動(dòng)力源。閃光焊機(jī)焊接之前，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同種類(lèi)、型號(hào)的鋼軌進(jìn)行工藝參數(shù)調(diào)試并焊接試件。根據(jù)《中華人民共和國(guó)鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T-1632.2-2014》規(guī)定進(jìn)行型式試驗(yàn)，型式試驗(yàn)項(xiàng)目包括落錘、疲勞、沖擊、拉伸、硬度等。試件通過(guò)型式檢驗(yàn)并出具合格報(bào)告后閃光焊機(jī)才能進(jìn)行鋼軌焊接。

3 移動(dòng)閃光焊接工藝參數(shù)

影響焊接接頭質(zhì)量的主要工藝參數(shù)較多，但是可以按照閃平、脈動(dòng)閃光和加速閃光三個(gè)階段來(lái)逐步調(diào)整。三個(gè)焊接階段的電壓、電流、鋼軌前進(jìn)和后退速度以及時(shí)間等工藝參數(shù)的有機(jī)配合，才能獲得質(zhì)量良好的焊接接頭，移動(dòng)閃光焊接工藝參數(shù)見(jiàn)圖1。

圖1 移動(dòng)閃光焊接工藝參數(shù)圖

3.1 閃平階段調(diào)整

“階段1”為閃平階段，主要目的是使鋼軌端面達(dá)到整體閃光。開(kāi)始焊接時(shí)由于兩個(gè)端面存在事實(shí)上的不平整，因此，接觸只能是在局部發(fā)生，又由于接觸面的溫度較低，很容易出現(xiàn)短路。閃平階段需要防止5 秒以上的短路，同時(shí)又要防止燒化位移的距離過(guò)小，在動(dòng)靜架快速前進(jìn)后退轉(zhuǎn)換時(shí)，穩(wěn)定性有一定變化，需適當(dāng)提高焊接電壓并保持前進(jìn)和后退速度中速，同時(shí)時(shí)間控制在25s 以?xún)?nèi)，對(duì)于該組焊接參數(shù)控制位移量在7mm 以?xún)?nèi)（普通鋼軌為8mm），以便有效實(shí)現(xiàn)本階段后期全端面接觸和均勻加熱。

3.2 脈動(dòng)閃光階段調(diào)整

“階段2”至“階段4”為脈動(dòng)閃光階段，目的是使鋼軌端面兩端一定區(qū)域獲得足夠的熱量，為下一階段做準(zhǔn)備。由于前一階段已經(jīng)將鋼軌端面完全燒到位，表面已經(jīng)可以達(dá)到全端面接觸。在這種情況下利用直接短路來(lái)加熱，效率可以大大提高。但是如果一次性長(zhǎng)時(shí)間短路會(huì)使得焊機(jī)以及發(fā)電機(jī)的負(fù)載過(guò)大，同時(shí)不利于加熱均勻。解決這一問(wèn)題的方法是采用適當(dāng)短路同時(shí)再主動(dòng)拉開(kāi)的方法，操作時(shí)采用快速接觸又快速離開(kāi)。所以這個(gè)階段焊接電壓應(yīng)當(dāng)大幅度連續(xù)下降，提高前進(jìn)速度和后退速度。對(duì)于該組焊接參數(shù)前進(jìn)速度應(yīng)達(dá)到1.9mm/s 以上（普通鋼軌為1.7mm/s），后退速度達(dá)到1.3mm/s 以上（普通鋼軌為1.2mm/s）。同時(shí)由于焊接位移量很小，以焊接時(shí)間為主要控制節(jié)點(diǎn)，整體時(shí)間不應(yīng)大于78s（普通鋼軌為70s）。

3.3 加速閃光階段調(diào)整

“階段5”至“加速燒化階段”為加速閃光階段，該階段電壓和位移速度設(shè)置要合理，應(yīng)適當(dāng)控制位移速度。保證不出現(xiàn)明顯的短路，一旦發(fā)生短路，應(yīng)該及時(shí)調(diào)整參數(shù)，避免出現(xiàn)由于焊縫保護(hù)不好而出現(xiàn)灰斑。前期由于位移速度降低較快，因此，該階段設(shè)置的周期很細(xì)，為求閃光盡量連續(xù)，“階段5”至“階段8”要適當(dāng)提高焊接電壓。

“加速燒化階段”是為了保護(hù)頂鍛前的鋼軌端面，保證全斷面處于密集的閃光中，使得沿著鋼軌輪廓區(qū)域起到隔絕外部被氧化的情況。該階段調(diào)整電壓和送進(jìn)速度是關(guān)鍵，需要適當(dāng)降低電壓，不宜出現(xiàn)大電流（大的爆破導(dǎo)致的弧坑，易成為灰斑形成位置）。同時(shí)分階段逐步提升送進(jìn)速度，對(duì)于該組焊接參數(shù)送進(jìn)速度控制在0.35mm/s-0.8mm/s以?xún)?nèi)（普通鋼軌為0.3mm/s-0.75mm/s）。

由于鋼軌中存在Si、Mn、Al 等合金元素，這些元素在焊接時(shí)容易被高溫氧化而形成夾雜物，頂鍛時(shí)未被排擠干凈而殘留，在焊縫截面上便會(huì)形成灰斑?；野呤卿撥夐W光焊特有的現(xiàn)象，不能被完全消除，只能通過(guò)調(diào)整焊接工藝參數(shù)將灰斑減少到最低程度?；野咧怀霈F(xiàn)在焊縫截面，與周?chē)饘儆忻鞔_界限，形態(tài)平坦和無(wú)規(guī)則，呈光亮或灰色?；野叽笮∫彩菣z測(cè)焊機(jī)工藝參數(shù)是否合格的標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)制斷開(kāi)的兩個(gè)焊接接頭截面見(jiàn)圖2，從斷口形貌來(lái)看，焊縫處存在極少的灰斑，且單個(gè)灰斑面積（不大于10mm2）和總的灰斑面積（不大于20mm2）都不大，符合鐵標(biāo)（TB/T1632.2-2014 中的第3.5 條）要求。

圖2 焊接接頭截面圖

4 焊接接頭力學(xué)性能分析

4.1 靜彎性能

根據(jù)TB/T 1632.2-2014 中“質(zhì)量要求第4 條”：“軌頭受壓：F≥1450kN，不斷；軌頭受拉：F≥1300kN，不斷”。經(jīng)靜彎試驗(yàn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合要求，詳見(jiàn)表1。

表1 焊接接頭靜彎性能數(shù)據(jù)

4.2 疲勞性能

根據(jù)TB/T 1632.2-2014 中質(zhì)量要求第5 條：疲勞試驗(yàn)支距為1.0m，F(xiàn)min=95kN，F(xiàn)max=470kN，3 根“2×106次不斷”。經(jīng)疲勞試驗(yàn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合要求，詳見(jiàn)表2。

表2 鋼軌焊接接頭疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4.3 沖擊性能

根據(jù)TB/T 1632.2-2014 中質(zhì)量要求第7 條，經(jīng)沖擊試驗(yàn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合要求，詳見(jiàn)表3。

表3 鋼軌焊接接頭沖擊試驗(yàn)結(jié)果

4.4 拉伸性能

根據(jù)TB/T 1632.2-2014 中質(zhì)量要求第6 條，經(jīng)拉伸試驗(yàn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合要求，詳見(jiàn)表4。

表4 鋼軌焊接接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4.5 硬度性能

根據(jù)TB/T 1632.2-2014 中質(zhì)量要求第8 條，經(jīng)硬度試驗(yàn)，各項(xiàng)數(shù)據(jù)符合要求，詳見(jiàn)表5。

表5 鋼軌焊接接頭硬度數(shù)據(jù)

5 鋼軌焊接施工控制要點(diǎn)

鋼軌焊接接頭部位與母材比，主要是抗拉強(qiáng)度、硬度、疲勞強(qiáng)度和耐磨性能等力學(xué)性能相對(duì)降低，因此焊接接頭是無(wú)縫線(xiàn)路的薄弱部位。受列車(chē)碾壓和沖擊，如打磨不合格，會(huì)造成線(xiàn)路軌枕空吊板，加大了對(duì)焊接接頭的沖擊破壞。同時(shí)焊接現(xiàn)場(chǎng)施工工藝及外界環(huán)境等因素也會(huì)影響鋼軌焊接接頭的服役壽命。因此為保障焊接接頭質(zhì)量，在施工過(guò)程中應(yīng)控制好以下工藝：

5.1 焊接接頭外觀(guān)精整

鋼軌焊接接頭焊后精整主要有粗磨和精磨兩個(gè)工序。粗磨主要是恢復(fù)接頭區(qū)域鋼軌輪廓，精磨是保證接頭及相鄰區(qū)域踏面和工作邊的平順狀態(tài)，提高列車(chē)通過(guò)時(shí)的平穩(wěn)性。

焊接接頭區(qū)域在焊后粗磨時(shí)，要求按鋼軌輪廓打磨，恢復(fù)接頭位置鋼軌輪廓形狀，在軌底和軌腳邊緣打磨時(shí)，盡量使焊筋邊緣與母材連接部位圓滑平順過(guò)渡，減少由于焊筋與母材結(jié)合處結(jié)構(gòu)形態(tài)而萌生的疲勞裂紋，造成鋼軌斷裂等危害。鋼軌焊接接頭精磨主要針對(duì)軌頂踏面和軌頭工作邊兩個(gè)部分的平直度控制。因?yàn)檫@兩個(gè)部位是鋼軌與車(chē)輪接觸部位，直接影響輪軌接觸狀態(tài)。一般采用仿型打磨方式，使焊接接頭處輪廓與母材一致。

5.2 焊接頂鍛量

焊接頂鍛力=焊接頂鍛拉力（焊接頂鍛時(shí)瞬間頂鍛拉力）—鋼軌縱向阻力（現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)鋼軌縱向移動(dòng)時(shí)受摩擦阻力）。

焊接頂鍛量受頂鍛力影響較大，頂鍛量對(duì)于焊接接頭質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生一定影響。頂鍛量過(guò)小焊縫液態(tài)金屬擠出量不足，接頭強(qiáng)度受一定影響。在現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)，焊接頂鍛拉力固定的情況下，減小鋼軌縱向阻力，以提高接頭強(qiáng)度。減小鋼軌縱向阻力主要是在施工中做好拆除扣件、墊放滾筒、做好曲線(xiàn)側(cè)翻防護(hù)等措施，以保證待焊鋼軌處于自由伸縮狀態(tài)。

5.3 焊接外部環(huán)境

氣溫低于0℃時(shí)工地焊接不宜進(jìn)行。氣溫低于10℃時(shí)，焊前應(yīng)用火焰預(yù)熱軌端0.5m 長(zhǎng)度范圍，預(yù)熱溫度應(yīng)均勻，鋼軌表面預(yù)熱溫升為35℃～50℃，焊后應(yīng)采取保溫措施。針對(duì)施工中可能出現(xiàn)的氣溫驟降、強(qiáng)風(fēng)及降雨等氣候，提前調(diào)查氣象條件、收集氣象資料，并編制相應(yīng)的針對(duì)措施。采購(gòu)、加工、裝備對(duì)應(yīng)設(shè)備（預(yù)熱烤槍、風(fēng)擋、雨棚、遮雨布等），提高環(huán)境適應(yīng)能力。

6 結(jié)語(yǔ)

①線(xiàn)路中熱處理鋼軌和高速鋼軌的焊接接頭，須對(duì)移動(dòng)閃光焊焊機(jī)工藝參數(shù)調(diào)試，使試驗(yàn)接頭達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中的灰斑及落錘指標(biāo)要求。

②焊接接頭的力學(xué)性能都符合標(biāo)準(zhǔn)要求。包括靜彎、疲勞、沖擊、拉伸和硬度等性能。

③根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況和鋼軌焊接施工的特點(diǎn)，提出了若干鋼軌焊接過(guò)程中質(zhì)量保障的控制要點(diǎn)。