萬 軼

(中國中鐵八局，四川 成都 610036)

隨著高速無砟軌道與跨區(qū)間無縫線路的飛速發(fā)展，鋼軌焊接已成為線路工程質(zhì)量的關(guān)鍵性環(huán)節(jié)之一。由于鋼軌焊接接頭質(zhì)量關(guān)系到鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩托б?，因此，確保鋼軌焊接質(zhì)量對(duì)鐵路跨越式發(fā)展具有重要的意義。

結(jié)合遂渝無砟軌道跨區(qū)間無縫線路的施工經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)鋪設(shè)上道的100m長(zhǎng)定尺鋼軌現(xiàn)場(chǎng)接觸焊施工，研究鋼軌焊接質(zhì)量的影響因素，積累無砟軌道鋼軌合理施工的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

1 鋼軌現(xiàn)場(chǎng)接觸焊試驗(yàn)

1.1 移動(dòng)接觸焊設(shè)備

無砟軌道長(zhǎng)鋼軌焊接施工的設(shè)備是從國外引進(jìn)的K922集裝箱型移動(dòng)閃光焊作業(yè)車。該焊軌作業(yè)車由焊機(jī)及發(fā)電機(jī)組電源的集裝箱平板車組成，同時(shí)還配有焊軌和正火作業(yè)輔助機(jī)具、材料、油料、工具等的裝載車，以及牽引用軌道車。焊軌作業(yè)車在前，焊接機(jī)頭朝向焊軌的前進(jìn)方向。

K922型焊軌機(jī)具有以下特點(diǎn):具有連續(xù)和脈動(dòng)閃光焊工藝，焊接參數(shù)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，具有焊接質(zhì)量自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及全部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，可以打印每次焊接的詳細(xì)數(shù)據(jù)，水平方向的氣缸能確保每個(gè)焊條的卡緊力一致。焊機(jī)頂鍛力及焊接變壓器功率的增加，有利于提高合金鋼軌、淬火軌等的焊接質(zhì)量?？梢栽诰€路上焊接長(zhǎng)軌條，也可以在無縫線路上完成焊縫閉合、修復(fù)或更換鋼軌等多種任務(wù)，做到一機(jī)多用。

正火作業(yè)機(jī)具使用特制的移動(dòng)氣壓焊火焰正火設(shè)備，包括有60 kg/m鋼軌用加熱器、氣體控制箱、乙炔過濾器、正火架、冷卻水循環(huán)泵及水箱和連接管線。準(zhǔn)備工作中有必要檢查是否有足夠瓶裝氧氣和乙炔氣;檢查是否備有備用的混合氣體膠管。

由于氣候條件影響鋼軌的焊接和焊頭正火效果，在雨季焊軌時(shí)應(yīng)在焊軌的集裝箱前端支撐防雨棚，防止雨水淋濕焊機(jī)機(jī)頭及焊頭;中雨和大雨不宜焊軌;在雷區(qū)施工時(shí)要采取防雷擊措施。刮風(fēng)會(huì)影響焊接質(zhì)量，實(shí)踐證明大風(fēng)會(huì)引起焊縫出現(xiàn)灰斑等缺陷。防風(fēng)的有效措施是焊接開始前用阻燃布或石棉布制成圍欄，圍住機(jī)頭四周，防止氣流竄入鋼軌焊接區(qū)域。

1.2 焊機(jī)調(diào)試

K922焊軌機(jī)焊機(jī)調(diào)試采用定尺長(zhǎng)度為25m的60kg/m U75V鋼軌進(jìn)行試焊，通過落錘試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整焊接狀態(tài)，并不斷優(yōu)化工藝參數(shù)。焊機(jī)狀態(tài)調(diào)整正常后進(jìn)行焊接接頭的型式檢驗(yàn)。在焊機(jī)調(diào)試時(shí)，主要有超聲波探傷法不易探測(cè)的灰斑缺陷?；野吲c多個(gè)參數(shù)(如低壓階段的電壓、加速階段閃光的穩(wěn)定性、頂鍛量與頂鍛速度等 )的匹配密切相關(guān)，都需要通過焊接參數(shù)的精心調(diào)節(jié)，如合理預(yù)設(shè)燒化量、頂鍛力、頂鍛速度、加速閃光末期速度、帶電頂鍛時(shí)間等，以得到最優(yōu)的焊接工藝參數(shù)。參數(shù)一旦確定就不再改動(dòng)。

1.3 焊接工藝與質(zhì)量控制

(1)接觸焊焊前端面、軌腰導(dǎo)電處都需要除銹，保證打磨光潔度。當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)焊機(jī)在走軌和夾持的過程中，軌底縫隙過大時(shí)，需要調(diào)整焊機(jī)，從兩面觀察軌底對(duì)中情況，以免軌底熱量不足。

(2)對(duì)接觸焊來說，一旦參數(shù)確定，焊接過程雖然不受人為因素的影響，但焊機(jī)工作過程中會(huì)出現(xiàn)帶電頂鍛消失、頂鍛過程中電流電壓不對(duì)稱的軟故障，其穩(wěn)定程度必須采用參數(shù)采集系統(tǒng)加以檢測(cè)，才能對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并切除存在焊接缺陷的焊頭。

(3)焊后正火和仿形打磨。焊后正火使鋼軌的晶粒細(xì)化，消除過熱組織，從而提高鋼軌焊頭金屬伸長(zhǎng)率 (δs)和沖擊韌性(Aku)，但正火不能消除鋼中的夾雜物，經(jīng)過對(duì)接觸焊焊接頭沖擊韌性研究表明:U75V閃光焊接頭850℃正火，其低溫沖擊韌性最好。在實(shí)際過程中，火焰正火由于存在熱量散失等客觀因素，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況要求和焊接條件選擇合適的正火溫度，一般現(xiàn)場(chǎng)火焰正火選擇900℃能滿足要求。

實(shí)踐證明，鋼軌焊接接頭的軌面硬度必須與母材匹配，否則會(huì)在使用中出現(xiàn)焊接接頭的低塌，造成軌道線路的不平順。在正火過程中，隨著鋼軌奧氏體化加熱溫度的提高，冷卻后硬度提高，韌塑性下降。為了使火焰加熱熱處理后的焊接接頭有較高的軌面硬度和較好的軌底韌塑性能，應(yīng)使軌頭的加熱溫度高于軌底。試驗(yàn)表明，當(dāng)兩者差50℃ ～80℃時(shí)效果較好。

仿形打磨前，要用直線度電子測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)焊縫兩側(cè)各500 mm范圍內(nèi)的平直度，并確定踏面和內(nèi)側(cè)工作面的磨削量。用MMA一14A型精磨機(jī)(帶自動(dòng)測(cè)量裝置)精磨。精磨前，要確定磨石進(jìn)給量。精磨過程中，注意觀察精磨進(jìn)度，并及時(shí)調(diào)整仿形角度。精磨完畢，用測(cè)量系統(tǒng)檢測(cè)焊縫兩側(cè)各500 mm范圍內(nèi)的平直度，若直線度超出0～0.3 mm/m范圍，需重新精磨，直至滿足下表要求。

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2 焊接接頭的性能檢驗(yàn)

采用K922集裝箱型移動(dòng)閃光焊作業(yè)車和火焰正火設(shè)備，對(duì)攀鋼生產(chǎn)的U75V100 m長(zhǎng)定尺鋼軌進(jìn)行焊接和焊后正火。按照鋼軌焊接技術(shù)條件TB/T1632－2005的要求，分別對(duì)焊接接頭踏面硬度、縱斷面硬度、拉伸、沖擊、金相組織進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如下。

2.1 硬度及其分布

2.1.1 踏面硬度

按照鋼軌焊接技術(shù)條件的要求，對(duì)焊接接頭踏面硬度進(jìn)行測(cè)定。焊接接頭的踏面硬度測(cè)定結(jié)果見圖1。由試驗(yàn)結(jié)果可知，經(jīng)焊后熱處理的焊接接頭，其軌面的硬度略高于母材的硬度。

2.1.2 縱斷面硬度

按照焊接接頭技術(shù)條件要求對(duì)焊頭縱斷面進(jìn)行硬度測(cè)定，取樣部位和測(cè)試位置如圖2所示，測(cè)點(diǎn)間距5 mm。測(cè)定結(jié)果見硬度分布圖3。

圖1 軌頂面硬度曲線

圖2 焊頭縱斷面硬度試驗(yàn)取樣(mm)

2.1.3 與母材硬度的比較

焊接接頭踏面和縱向硬度與母材硬度的比較見表2。從表中可以看出，經(jīng)過焊后熱處理的焊接接頭軌頭踏面硬度平均值、測(cè)試線1(軌頭部位)及測(cè)試線2(軌腰部位)硬度平均值與母材硬度的比值在0.97～1.02范圍，達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定大于0.9的要求。焊接接頭測(cè)試線3(軌底部位)的硬度平均值與母材硬度比值為0.83。焊接接頭軌頭、軌腰、軌底軟點(diǎn)硬度平均值與母材硬度比值基本達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。焊接接頭的硬度檢測(cè)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期要求。

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2.2 拉伸性能

按照鋼軌焊接接頭技術(shù)條件的要求，對(duì)焊接接頭拉伸性能進(jìn)行測(cè)定。由結(jié)果可知，焊后經(jīng)熱處理的焊接接頭軌頭、軌腰部位的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與母材的比值均大于0.90，軌底部位的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度與母材的比值雖小于0.90，但均達(dá)到新技術(shù)條件的要求。伸長(zhǎng)率指標(biāo)中軌頭、軌底部位與母材的比值均大于0.70，軌腰部位伸長(zhǎng)率與母材的比值小于0.70，但軌頭、軌腰和軌底伸長(zhǎng)率平均值均大于6.0%，滿足新焊接技術(shù)條件的要求。焊接接頭軌頭部位的強(qiáng)度指標(biāo)為母材的1.03，軌底部位的塑性指標(biāo)(伸長(zhǎng)率)為母材的1.3。焊接接頭軌頭強(qiáng)度與母材匹配，有利于減少使用中出現(xiàn)低接頭，軌底塑性好有利于焊接接頭的安全使用。從拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用特制的焊后熱處理設(shè)備以及所選的工藝參數(shù)達(dá)到預(yù)期要求。

圖3 縱斷面硬度分布

2.3 沖擊性能

按照焊接技術(shù)條件的要求，對(duì)焊接接頭沖擊性能進(jìn)行測(cè)定。由結(jié)果可知，焊接接頭經(jīng)過焊后熱處理軌頭、軌腰、軌底各部位沖擊功平均值分別為19.0J、8.5J、21.0J，與母材的比值分別為1.1、0.89和1.3。由此可見，經(jīng)過本項(xiàng)目焊后熱處理的焊接接頭的沖擊韌性不僅達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，其中軌頭和軌底部位還高于母材，這對(duì)提高焊接接頭的使用安全性具有重要的作用。

2.4 超聲波檢驗(yàn)

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對(duì)焊接接頭進(jìn)行焊縫超聲波探傷。使用CTS－26A超聲波探傷儀和全斷面組合探頭對(duì)每個(gè)焊縫進(jìn)行無損探傷，探頭共有50個(gè)。探傷前，清理焊縫兩側(cè)各40 cm范圍內(nèi)的銹斑、焊渣等;將焊縫兩側(cè)各40 cm范圍的鋼軌均勻涂滿機(jī)油，并安置好探傷儀探頭，確保探頭與鋼軌間緊密接觸。作業(yè)前，探傷儀利用標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行標(biāo)定，確定探傷靈敏度。先用探傷儀22dB頻率對(duì)焊頭的軌頭、軌腰及軌底進(jìn)行超聲波穿透掃描，如果發(fā)現(xiàn)焊頭存在缺陷，再用26dB對(duì)缺陷放大掃描，確認(rèn)缺陷的性質(zhì)、位置和面積，并將探傷結(jié)果做好記錄。

3 結(jié)論

K922集裝箱型移動(dòng)接觸焊作業(yè)車在無砟軌道上對(duì)100 m長(zhǎng)定尺鋼軌進(jìn)行焊接，焊接接頭通過了型式檢驗(yàn)，說明采用的焊接工藝參數(shù)是合理可行的，焊接是成功的。焊接接頭的性能達(dá)到了預(yù)期的要求，即焊接接頭軌頭的硬度和強(qiáng)度與母材匹配(為母材的1.03倍)，軌頭和軌底的韌塑性良好(軌頭和軌底的沖擊韌性高于母材，軌底的伸長(zhǎng)率高于母材)。在實(shí)際焊接中，我們發(fā)現(xiàn)焊機(jī)影響焊接質(zhì)量有以下兩個(gè)因素:

(1)工藝參數(shù)調(diào)定是一個(gè)系統(tǒng)的過程。必須對(duì)各個(gè)參數(shù)進(jìn)行綜合的分析，最終使其達(dá)到一個(gè)互相融合和互相匹配，才能獲得優(yōu)質(zhì)接頭和穩(wěn)定的焊接質(zhì)量。

(2)焊接系統(tǒng)壓力的變化對(duì)于焊接過程的影響從激發(fā)閃光開始到頂鍛結(jié)束，從夾緊力到頂鍛力，從內(nèi)部質(zhì)量到落錘質(zhì)量，都將由系統(tǒng)壓力決定。在現(xiàn)有資料中，研究較少，是一個(gè)值得探索的問題。

［1］周躍清.鋼軌的材質(zhì)性能及相關(guān)工藝［M］.北京:中國鐵道出版社，2005

［2］楊來順.鋼軌焊接工［M］.北京:中國鐵道出版社，2000

［3］盧祖文.鐵路軌道結(jié)構(gòu)及維修［M］.北京:中國鐵道出版社，2002