劉曉磊 周 濤 王亞峰 史 康 張 俊

(1.中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011；2.中鐵十一局集團第三工程有限公司 湖北 十堰 442012)

現(xiàn)場鋼軌閃光焊接后，焊縫區(qū)域晶粒粗化，塑性、韌性下降，容易產(chǎn)生鋼軌焊接接頭低塌等問題[1]，需將鋼軌焊接接頭加熱到奧氏體化溫度(一般為850 ℃～930 ℃)后，迅速進行強制噴風(fēng)冷卻，以提高焊接接頭的塑性、韌性、硬度等性能。目前現(xiàn)場施工大多采用火焰正火，火焰正火的鋼軌表面和內(nèi)部溫差較大，難以均勻分布且加熱效果易受到火孔分布、火孔狀態(tài)的影響，火焰正火存在安全隱患，尤其在地鐵隧道中，存在氣瓶掉落爆裂傷人、漏氣等安全隱患。鋼軌感應(yīng)正火是在感應(yīng)線圈通入交變電流，在鋼軌上產(chǎn)生渦流從而加熱鋼軌，其加熱速度快且均勻，可實現(xiàn)正火自動控制和溫度檢測，安全風(fēng)險小，越來越受到施工單位的青睞。

本文研制了一款滿足現(xiàn)場鋼軌正火施工，具有正火保壓、自適應(yīng)夾緊對中、線圈平移對位功能的鋼軌感應(yīng)正火機，且該正火機在線上正火時無須支墊鋼軌。

1 正火機整體結(jié)構(gòu)

YZH-120Q型鋼軌感應(yīng)正火機，主要由開合式感應(yīng)線圈、自適應(yīng)夾緊對中裝置、線圈平移裝置、變壓器、外殼、操作系統(tǒng)等組成(見圖1)。

圖1 正火機結(jié)構(gòu)圖

工作時，正火機操作系統(tǒng)發(fā)出操縱信號，通過電磁閥控制夾緊臂的夾緊/張開、感應(yīng)線圈的張開/閉合、感應(yīng)線圈的前進/后退，自動正火時電氣控制系統(tǒng)按設(shè)定的工藝向正火機各個執(zhí)行器發(fā)出控制信號，通過溫度等傳感器采集正火數(shù)據(jù)信號，實施反饋控制[2]。

2 正火機結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 開合式感應(yīng)線圈

對感應(yīng)線圈的要求：(1)滿足現(xiàn)場長鋼軌施工要求，需采用開合式線圈；(2)滿足焊接接頭正火要求，感應(yīng)線圈寬度應(yīng)大于焊縫熱影響區(qū)寬度；(3)滿足線上施工鋼軌免支墊，線圈開閉全過程最低點距離鋼軌軌底面應(yīng)不大于60 mm。

通過對閃光焊接接頭(未正火)進行取樣：鋼軌全縱斷面(1#、2#)，軌角縱斷面(3#、4#)，熱影響區(qū)顯影如圖2所示。

圖2 閃光焊接頭試件熱影響區(qū)宏觀顯影

經(jīng)過大量取樣分析，閃光焊接接頭熱影響區(qū)寬度一般在30～60 mm，因此正火加熱寬度應(yīng)覆蓋熱影響區(qū)，焊縫加熱寬度應(yīng)不小于60 mm。為了滿足現(xiàn)場長鋼軌施工及線上施工免支墊鋼軌的要求，感應(yīng)線圈設(shè)計為開合式，且在線圈開閉過程中，線圈最低點與鋼軌軌底的距離不大于60 mm。

感應(yīng)線圈采用大電流、低電壓的雙線圈并聯(lián)開合式(見圖3)，采用空心方銅管折彎而成。通過油缸將線圈頂部電極塊壓緊在變壓器電極上，線圈底部電極塊互相壓緊形成閉合回路，線圈內(nèi)部通水冷卻。通過油缸的伸縮實現(xiàn)線圈繞銷軸旋轉(zhuǎn)且最低點距離鋼軌軌底面為52 mm。為使線圈電極塊與變壓器電極有更大的接觸導(dǎo)電面積，線圈的上導(dǎo)電塊設(shè)計為彈性支撐結(jié)構(gòu)。

圖3 線圈閉合狀態(tài)

2.2 自適應(yīng)夾緊對中裝置

線圈閉合后與鋼軌輪廓間距是影響正火質(zhì)量的關(guān)鍵，待正火鋼軌在平直線路、曲線線路的位置狀態(tài)不同，因此保持線圈與鋼軌的對中性和與鋼軌輪廓的間距尤為重要。自適應(yīng)夾緊對中裝置采用鉗形的夾緊對中結(jié)構(gòu)，夾緊油缸位于增力端，通過夾緊油缸的伸縮運動帶動夾緊臂實現(xiàn)對鋼軌的夾緊對中[3]。夾鉗上設(shè)置有彈性支撐結(jié)構(gòu)，夾鉗夾緊鋼軌時一對夾鉗彈性支撐(見圖4)的豎直分力Fy將鋼軌頂在定位塊上，水平分力Fy實現(xiàn)自適應(yīng)的受力平衡，保證了夾緊對中性和線圈與鋼軌輪廓間距。

圖4 彈性支撐結(jié)構(gòu)

夾緊力FJ為：FJ=FY·H1/H2，其中H1/H2為夾緊臂的杠桿比，F(xiàn)Y為夾緊油缸輸出的力，為了防止正火時鋼軌縱向承受拉伸力，經(jīng)計算，夾緊力FJ=100 kN。

2.3 線圈平移裝置

閃光焊接接頭焊縫的寬度約20～30 mm，通過起重機起吊正火機對位焊縫，但并不能準確地對準焊縫。為對位準確、操作方便，線圈還需要平移對位，設(shè)計的線圈平移裝置(見圖1)滿足了平移對位要求。線圈平移油缸活塞桿伸出最大行程時，機構(gòu)到達最右端；活塞桿縮回最小時，機構(gòu)到達最左端，總行程為50 mm，可滿足線圈平移對位的要求。

3 正火機操作系統(tǒng)

正火機操作系統(tǒng)采用觸摸屏式人機交互，能夠?qū)崟r顯示正火溫度、頻率等參數(shù)。操作系統(tǒng)由PLC分布式控制系統(tǒng)(見圖5)和實時監(jiān)控系統(tǒng)(見圖6)兩部分組成，PLC分布式控制系統(tǒng)控制感應(yīng)線圈夾緊、張開、前進、后退，夾鉗的夾緊對中，軌底角和軌頭溫度的檢測等。

圖5 分布式控制系統(tǒng)原理圖

正火機的分布式IO主要由DI、DO、AI、電源分配模塊等四部分組成，采用西門子ET200eco系統(tǒng)，觸摸式按鈕與DI相連，輸入夾鉗夾緊/張開、線圈夾緊/張開、線圈前進/后退、限位開關(guān)等控制信號；溫度傳感器和限位傳感器與AI相連，輸入軌頭和軌底的溫度控制信號；電磁閥與DO相連，控制閥執(zhí)行動作；信號通過profinet總線與PLC控制系統(tǒng)進行通信。

正火機內(nèi)部空間狹窄且照明不足，選擇支持POE供電攝像頭和TPLINK的TL-SG1005P交換機，與工控機和觸摸屏組成實時監(jiān)控系統(tǒng)(見圖6)，負責(zé)正火線圈對位焊縫的實時監(jiān)測，方便人工對位。

圖6 實時監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

4 正火參數(shù)調(diào)試

為使鋼軌焊接接頭晶粒度和力學(xué)性能滿足TB/T 1632的要求，需進行正火工藝調(diào)試，使軌頭加熱溫度為(900±20) ℃，軌頭軌腳溫差≤50 ℃(軌腳測溫位置在軌腳邊緣向內(nèi)10 mm范圍內(nèi))。

正火工藝參數(shù)由電流、頻率、溫度、正火時間、噴風(fēng)時間等組成。正火頻率越高加熱速度越快，但加熱不均勻；而頻率越低加熱速度越慢，但加熱較均勻，因此設(shè)計了可自動切換頻率的正火工藝，先低頻加熱到設(shè)定的溫度后自動切換至高頻加熱，這樣既保證了加熱的均勻性，又提高了工作效率。調(diào)試以60 kg/m、鞍鋼U75V鋼軌為例，利用軌頭溫度與正火時間雙控模式開展工藝參數(shù)調(diào)試。通過對各個參數(shù)的調(diào)試，軌頭設(shè)定890 ℃,平均縮短正火時間8 s，軌腳溫度分布理想，滿足溫差≤50 ℃的調(diào)試思路。

取樣后經(jīng)檢測焊接接頭焊縫顯微組織為鐵素體+珠光體，晶粒度達到了8級(見表1)

表1 顯微組織和晶粒度實驗結(jié)果

噴風(fēng)壓力為0.3 MPa，鋼軌軌頭和軌腰硬度均在母材硬度的95%和110%之間，寬度W≤20 mm(見圖7)。

圖7 軌頭硬度檢測結(jié)果

正火后的試件落錘和斷口情況如表2所示。

表2 鞍鋼U75V、60 kg/m鋼軌焊接接頭試件正火情況

5 應(yīng)用情況

2019年9月，YZH-120Q型鋼軌感應(yīng)正火機應(yīng)用于中鐵十一局上海地鐵15號線A標段(見圖8)，鞍鋼U75V、60 kg/m鋼軌正火后各項指標檢測合格，取得了符合TB/T 1632—2014的《檢測報告》。

圖8 正火后的焊接接頭

經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表明，YZH-120Q型鋼軌感應(yīng)正火機正火質(zhì)量穩(wěn)定、效率高，滿足現(xiàn)場長軌作業(yè)施工要求；正火保壓功能克服了施工中鋼軌應(yīng)力變化對接頭產(chǎn)生的影響；自適應(yīng)夾緊對中、線圈對位功能保證了鋼軌正火質(zhì)量，線上作業(yè)實現(xiàn)了鋼軌免支墊。