现代有轨电车槽型轨铝热焊接技术与应用

殷立达 朱文杰 王帮焱 崔成林 高松福

(1.北车建设工程有限责任公司 北京 100078;2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所 北京 100081)

现代有轨电车槽型轨铝热焊接技术与应用

殷立达1朱文杰1王帮焱1崔成林2高松福2

(1.北车建设工程有限责任公司 北京 100078;2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所 北京 100081)

以沈阳市浑南新区现代有轨电车工程为例，研究针对槽型钢轨所采用的铝热焊接技术。由于槽型钢轨轨头存在凹槽，与常用钢轨差别较大，以往没有成熟的槽型钢轨焊接方法。根据59R2槽型钢轨的断面特点，设计了一个与凹槽相吻合的砂块，将该砂块填充在槽型钢轨的凹槽内，并开发了相应的砂型结构，从而解决了采用铝热焊接方法焊接槽型钢轨时凹槽焊接难以处理、焊接后打磨不易的难题。通过试验，测试59R2槽型钢轨铝热焊接头静弯强度、疲劳性能、硬度、金相组织等指标;测试结果表明，这些测试指标均能满足技术要求。实践证明，槽型钢轨铝热焊接技术应用于沈阳现代有轨电车轨道焊接，施工速度快，焊接接头质量可靠。

现代有轨电车;槽型钢轨;铝热焊接;焊接接头;性能研究

1 研究背景

现代有轨电车具有节能、环保、投资少、建设周期短、景观效果好的优点［1－2］，是城市轨道交通发展的新方向［3－6］。

沈阳市浑南新区现代有轨电车项目是我国首次大规模建设的现代有轨电车轨道交通线网。线路轨道采用槽型钢轨铺设，焊接为无缝线路，以减小车辆运行时的振动和噪声，增加旅客舒适性。现代有轨电车轨道需要将铺设的25 m钢轨焊接在一起，但是由于槽型钢轨轨顶凹槽的存在，焊接难度大。目前，我国没有针对槽型钢轨成熟的铝热焊接技术。

根据钢轨铝热焊接基本原理和槽型钢轨断面特点，设计了适合于槽型钢轨的铝热焊接技术，并进行接头性能测试和槽型钢轨铝热焊接技术的现场应用。

2 槽型钢轨铝热焊接技术

2.1 钢轨铝热焊接技术原理

钢轨铝热焊接就是将铝粉、氧化铁和其他合金添加物配制成的铝热焊剂放在特制的反应坩埚中，用高温火柴点燃引发铝热反应。在反应过程中，生成大量的热熔化合金添加物，与反应生成的铁形成为钢液，由于其密度大，沉于坩埚底部;反应生成的熔渣较轻而浮在上部。在很短时间内，高温的铝热钢水熔化坩埚底部的自熔塞，浇注到与钢轨外形尺寸一致的由砂型和局部预热待焊钢轨形成的封闭空腔中;同时铝热钢液本身又作为填充金属，与熔化的钢轨共同结晶、冷却，将两段钢轨焊成整体［7］，其原理如图1所示。

图1 钢轨铝热焊接原理

2.2 槽型钢轨铝热焊接设计

槽型钢轨顶面有一个凹槽，如图2所示。但是，目前钢轨铝热焊接技术仅适合于钢轨顶部平直条件下的焊接，无法实现钢轨顶部存在凹槽时钢轨焊接。如果采用现在砂型结构，焊接完成后凹槽内会留有大量的焊接金属。由于凹槽空间狭小，极难进行凹槽内多余金属的打磨，为了免去凹槽内焊接金属的打磨，通过在槽型钢轨凹槽内设置一个U型砂型块的方法，如图3所示，实现对槽型钢轨的焊接。

图2 槽型钢轨

图3 轨顶设置的砂块模型及实物

在原有钢轨铝热焊接砂型结构的基础上，在槽型钢轨的凹槽内设置一个与其形状相吻合的耐高温砂块。在焊接完成后，砂块与焊接金属可轻易剥离，用手锤即可实现清理，从而保证焊接完成后轨顶面凹槽的形状，实现对槽型钢轨的焊接，而且凹槽内部也无需打磨，解决了凹槽内部打磨困难的难题。图4所示为焊接完成后接头表面。

图4 焊接后接头形貌

2.3 槽型钢轨铝热焊接工艺

2.3.1 钢轨准备和调节

焊接前检查待焊钢轨端部情况，并使用钢丝刷或者角磨机清理钢轨两个端头。

将待焊轨缝两端钢轨3个以上轨枕上的扣件、橡胶垫板等拆除，调节两端钢轨之间的间隙至28～30 mm。通过调节使两轨底和两轨头侧面平齐，焊缝起拱高度为1.5～2 mm。

2.3.2 装卡砂型

清理砂型的浮砂。通过研磨U型砂块使其与钢轨的U型槽紧密贴合。安装砂型及砂型卡具，封泥。

2.3.3 预热、点火及浇注

将预热器加热嘴底部与轨顶面间的距离调节到65±1 mm。点燃并调节火焰，焰心长度调节至24～26 mm。预热至两钢轨端面通红，温度达到800～1 000℃。预热进行至最后时，立即将装有焊剂的坩埚放置到砂型上方。点燃高温火柴，将坩埚盖盖上。焊剂反应结束后，钢水会自动注入型腔内，焊剂反应形成的熔渣会流入接渣斗中。

2.3.4 开箱和推瘤

浇注结束后6 min，将砂型侧模及底板托拆除。浇注结束后8.5 min，将焊后轨头多余部分用推瘤机进行推瘤。

2.3.5 打磨和探伤

在推瘤完成后，可以立即进行粗打磨。粗打磨后应进行接头表面清理，以便于探伤工作的进行。探伤合格接头应进行精打磨。

3 接头性能

依据沈阳市现代有轨电车轨道系统专用槽型钢轨铝热焊接技术条件，进行59R2槽型钢轨铝热焊接头的性能检验。检验项目有静弯、断口、疲劳、硬度、拉伸和金相组织检验，静弯检验采用YY－200A液压式压力试验机进行，硬度检验采用HBE3000布氏硬度计和HRV－150AT光学洛氏硬度计进行，疲劳检验采用PMS－500屏显式液压脉动疲劳试验机进行。检验结果如下。

3.1 静弯试验

静弯试验的支距为1 m，焊缝居中，焊缝中心承受集中载荷，接头加载直至断裂。其中8根轨头受压，2根轨头受拉，共测试10根钢轨接头。

焊接接头在轨头受压状态下静弯载荷分别为1 136、1 130、1 125、1 131、1 138、1 136、1 127 和1136 kN，其中最小承受载荷为1 125 kN;在轨头受拉状态下，静弯载荷分别为1 213、1 219 kN。这证明接头焊合良好，能够承受较大的载荷。此外，接头挠度均大于15 mm，证明接头具有一定的韧性，可靠性良好。

3.2 疲劳试验

焊接接头疲劳试验支距为1.0 m，载荷Fmin=60 kN，Fmax=300 kN。载荷作用于支距中央的焊缝处，轨头向上。试验频率f=5 Hz，应力循环系数 r=0.2。

连续测试3根钢轨铝热焊接头，所有接头均循环加载2×106次，未断裂，说明接头具有良好的抗疲劳断裂性能。

3.3 拉伸性能

对焊接接头试件取样进行拉伸试验，取样位置如图5所示。焊接接头拉伸试样直径为6 mm，试验结果见表1。

图5 拉伸试样的取样位置

表1 焊接接头的拉伸试验结果 MPa

接头轨头和轨底部位抗拉强度高，均大于820 MPa。接头在这些部位焊合良好，且焊缝金属性能高。接头轨腰上部抗拉强度相对较低，为802 MPa，证明接头在轨腰部位焊缝金属性能相对较差，这是由于钢轨轨腰部位断面较小、焊缝凝固收缩时易在轨腰部位产生细微的凝固缺陷。

3.4 硬度试验

3.4.1 焊缝硬度

对焊接接头试件取样测试焊缝硬度。焊缝硬度试验在轨顶面焊缝中心横向位置(见图6)进行，检测3点布氏硬度，计算平均硬度值，记为焊缝硬度;在焊缝两侧母材上按图示位置分别检测3点，计算平均硬度值，记为母材平均硬度HB。

图6 焊缝布氏硬度试验位置

焊缝金属硬度为291 HB，而母材金属硬度为304 HB，可见焊缝硬度与母材硬度匹配良好，有助于保证长时间运行后，焊缝和钢轨母材有相近的磨耗量，保证接头平顺。

3.4.2 软化区宽度

对焊接接头试件取样测试软化区宽度。取焊接接头纵向断面(见图7)，在一条距轨顶面4 mm的纵向线上检测洛氏硬度，从两侧熔合线开始逐渐延伸至未受热影响的母材20 mm处，测点间距为2 mm，采用HRC标尺。

图7 软化区宽度试验及显微组织取样位置

将所得到的硬度测量值记录在图8上，在未受影响的钢轨母材上测量不少于10点硬度值，计算平均硬度值，以直线的形式标在硬度曲线图上(见图8中线1)。将线1向下平移1.5硬度值，即得到软化区宽度测量线(见图8中线2)。两侧软化区宽度测量结果分别是9.0和 7.0 mm。

图8 软化区宽度测量结果

3.5 显微组织

对焊接接头试件取样测试显微组织，取样位置见图7的阴影部位，箭头指向面为观察面，轨头2处，轨底1处。

试验结果如图9，焊缝和热影响区显微组织为珠光体和少量铁素体，未见异常组织。微观上接头金属组织正常，性能稳定，对保证接头性能稳定是有利的。

4 应用与讨论

沈阳浑南新区现代有轨电车项目线路设计总长60 km，轨道铺设采用欧标59R2槽型钢轨，钢轨焊接全部采用钢轨铝热焊接方法。钢轨铝热焊接技术具有接头质量稳定，施工设备简单，作业时间短，焊接占用空间小的特点，可实现施工现场多工作面同时施工，极大地保证了工程质量和施工进度，为现代有轨电车无缝轨道的建设提供保障。

图9 焊缝金属显微组织

［1］上海市城市综合交通规划研究所.现代有轨电车在上海发展研究［R］.上海：上海市城市综合交通规划研究所，2007.

［2］刘翠艳，方力，郭志方，等.对我国城市有轨电车技术发展的思考［J］.城市轨道交通研究，2000(1)：21 －23.

［3］东南大学交通学院.有轨电车在南京地区的适应性研究［R］.南京，2007.

［4］王建.试论有轨电车与轻轨系统的相互关系［J］.城市交通，2004(3)：25－27.

［5］杨敏，陈学武，王炜.城市快速公交(BRT)应用的可行性分析［J］.现代城市轨道交通，2006(4)：81－84.

［6］程文毅，郭谨，刘剑锋.轻轨技术的发展及其在我国的应用前景［J］.山西科技，2006(1)：17－19.

［7］高松福，崔成林，高振坤，等.起重轨道钢轨铝热焊接技术［J］.起重运输机械，2008(5)：46 －49.

Analysis and Application of Thermit Welding Technology for Groove Rail of Modern Trams

Yin Lida1Zhu Wenjie1Wang Bangyan1Cui Chenglin2Gao Songfu2
(1.CNR Construction Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100078;2.Metal and Chemical Institute of China Academy of Railway Science，Beijing 100081)

Shenyang Hunnan modern tram project is the first modern tram rail transit network in China.Groove rail was adopted in the line project for laying CWR track.However，due to the groove in the rail head，no mature rail welding method was available for groove rail.According to the characteristics of 59R2 groove rail section，a sand block which matches the shape of groove of the rail was designed to solve the difficult problem of groove welding and grinding.Test of slow bend strength，fatigue performance，hardness，metallographic structure，etc.were performed on 59R2 groove rail welding joints，and the results showed that all the performance can meet the technical requirements.The groove rail thermit welding technology was applied in Shenyang modern tram rail welding project and demonstrated its stable quality and convenient construction.

modern tram;groove rail;thermit welding;welding joint;performance study

U482.1 TG457

A

1672－6073(2014)02－0122－04

10.3969/j.issn.1672 －6073.2014.02.031

2013－07－23

2013－08－07

殷立达，男，高级工程师，从事现代轨道交通技术研究，yld1030@163.com

(

冯 超)