75 kg/m钢轨移动闪光焊焊接技术研究与实施

2016-03-21曹志国倪嘉楠

轨道交通装备与技术 2016年1期

关键词：钳口焊机闪光

曹志国倪嘉楠

(南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏常州 213011)

75kg/m钢轨移动闪光焊焊接技术研究与实施

曹志国倪嘉楠

(南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏常州 213011)

随着运量与轴重的增加，铝热焊和气压焊的焊接接头质量已不能满足现场的使用要求。本文提出采用闪光接触焊和感应热处理技术完成试验线路的工地焊接。焊接接头经过1年的使用考核，满足质量要求。

重载线路；钢轨；闪光接触焊；正火

1 项目来源及研究内容

目前我国重载铁路钢轨的工地焊接方式为气压焊和铝热焊，随着运量及轴重的不断增加，工地焊接接头伤损日趋严重，焊接接头平直度较差，接头低塌最大的超过1mm，且工地焊接接头的折断率较高，严重影响了重载列车的安全运营。据此，神华集团委托南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司(以下简称戚所公司)对特定轨种的75kg/m钢轨采用闪光接触焊技术进行工地焊接技术的研究，探讨取代现行的气压焊和铝热焊技术可行性。

针对朔黄铁路主要采用的75kg/mU78CrV钢轨，戚所公司在60kg/m钢轨移动闪光焊焊接工艺参数基础上，结合目前国外重载铁路的发展现状，对设备进行选型与研制，并对75kg/m钢轨移动闪光焊焊接工艺和热处理工艺进行研究，通过TB/T1632—2005的型式检验及试验线段的工地焊接，来验证闪光接触焊技术的可行性。

2 设备选型与研制

2.1 焊接设备

焊接设备选用戚所公司自主研发的LR1200型移动闪光接触焊机组(见图1)，配备LR1200型焊机，主要技术参数如下：

(1)运用条件：海拔高度不超过2 000m，环境温度0～+40 ℃；

(2)结构性能：外形尺寸(长×宽×高)：14.338m×2.778m×3.69m，整机质量41t，发动机额定功率400kW，可焊钢轨最大截面积10 000mm2。

图1 LR1200型闪光接触焊机组

由于目前国内外对75kg/m钢轨采用移动闪光焊接尚属空白，基于LR1200型移动闪光接触焊机组，对LR1200型焊机进行改进，研制与75kg/m钢轨相配套的钳口、推瘤刀和刀座。

2.1.1 钳口设计

钳口的作用是把电流导通到被焊工件(钢轨)的焊接部位上,所以钳口必须具备良好的导电性、较高的热强度和耐磨性能。75kg/m钢轨夹紧钳口的设计主要要求是夹紧弧面要与钢轨轨腰接触良好，贴合更紧密，增加导电性。75kg/m钢轨的夹紧钳口如图2所示。

2.1.2 推瘤刀及刀座设计

焊机顶锻阶段完成后接头处会产生焊瘤，需通过推瘤刀对焊瘤进行加工(即推瘤)，此目的既可以减少焊接后人工打磨余量，又可以使焊接接头外形成型美观。由于75kg/m钢轨的截面比60kg/m钢轨的大，其所需顶锻力和推瘤力也相应加大，因此75kg/m钢轨用推瘤刀及刀座设计的重点是提高强度，防止出现弯曲变形问题。75kg/m钢轨的推瘤刀及刀座如图3所示。

图2 钳口

图3 推瘤刀及刀座

2.2 热处理设备

钢轨焊接完成后由于热影响使焊接接头过热区的金属显微组织晶粒粗大，力学性能大幅度下降，反映焊接接头综合性能的落锤试验难以通过现行标准中的要求，严重影响无缝线路的安全使用。

现阶段，我国铁路建设单位和工务养护单位进行现场接头热处理时人为因素较多，在应用过程中易出现未正透或正过头现象，其质量不稳定。

此研究中采用了戚所公司与铁科院合作开发的焊后热处理设备[1](见图4)对钢轨接头进行焊后热处理，与传统火焰方式相比较，综合热处理方式采用感应涡流加热，通过改变正火频率，可快速提高加热速度，并能避免钢轨内部加热不到位的问题。感应加热采用非接触式红外探头测量正火温度，由于感应加热没有火焰干扰，因此测温准确，温度一旦达到要求，即可停止加热，从而保证了正火温度的重现性和可控性。整个过程通过计算机控制，无需人工干预，保证正火质量的稳定。

具体参数如下：(1)运用条件：海拔高度不超过2 000m，环境温度-10～+40 ℃；(2)结构性能：外形尺寸(长×宽×高)14.338m×2.778m×3.69m，发动机功率250kW，加热时间150～300s。

图4 焊后热处理设备

3 焊接及正火工艺参数研究

3.1 母材

朔黄铁路采用的是攀钢集团有限公司研制的75kg/mU78CrV热处理钢轨，在小半径曲线铺设使用，其耐磨性能明显优于U75V热处理钢轨，其化学成分符合TB/T2344—2012《43kg/m～75kg/m热轧钢轨订货技术条件》的规定：

w(C)=0.72%～0.82%；w(Si)=0.50%～0.80%；w(Mn)=0.70%～1.05%；w(P)≤0.025%；w(S)≤0.025%；w(V+Nb+Ti+Cr+Ni+Mo)≤0.70%；w(Cu)≤0.15%；w(Sn)≤0.040%；w(Sb)≤0.020%；w(Cu+10Sn)≤0.35%。

钢轨抗拉强度、耐磨性及硬度随着含碳量的增加而增加，含碳量是影响钢轨焊接工艺的主要因素，含碳量高，激发闪光时就需要较大的接触电压。为了获得良好的加热效果，采用快速送进及较长时间的软规范加热方式[2]，这一点在调整工艺参数时有参考价值。

3.2 焊接工艺参数的研究

通过对钢轨化学成分及力学性能的分析，以脉动闪光焊工艺为主体，前期加热采用预热闪光焊工艺，两者相结合作为本次参数调试的基准。焊接工艺参数是指焊接时为保证焊接质量而选定的各物理量的总称，也称焊接规范。LR1200型焊机的焊接工艺参数包括位移、时间、电压、电流、速度、顶锻量等，这些工艺参数选择正确与否，直接影响着焊缝形状和尺寸、焊接质量及生产率。

针对重载钢轨及现场需要克服500m长轨拉力的情况，可提高输出压力参数百分比(由50%升至60%)，增加夹紧油缸与顶锻油缸输出压力，但顶锻压力提高将影响整个焊接过程，脉动电流及顶锻量也都会相应升高。母材含碳量提高，钢轨的可焊范围就变窄，调试工艺时初设为前期脉动投入大热量，低速加热闪平烧化，延长大电流顶锻时间以保证接头温度，配以大顶锻量完成焊缝间原子弥散结合实现焊接。

对影响焊接接头质量的参数逐个进行分析，最终找到适合的一组参数，完成整个焊接。整个焊接接头过程曲线如图5所示。

图5 焊接接头过程曲线

3.3 正火工艺参数的研究

焊后热处理设备采用中频加热方式，通过磁场产生涡流进行加热，通过改变正火频率，可快速提高加热速度，由计算机系统控制整个加热过程。

移动式钢轨接头热处理系统可形象地观察钢轨加热温度、频率、加热时间、功率及正火日期。正火操作系统细分为10个阶段，使得钢轨不同截面厚度均能均匀受热，每个阶段可单独设定温度及时间。正火操作系统记录试件数据并绘制曲线(见图6)。通过红外测温仪实时采集钢轨加热温度来控制正火装置动作，待温度合适后，自动关闭中频电源，开始快速喷风以满足TB/T1632.2—2005标准中对钢轨硬度指标的要求。

图6 正火记录曲线

通过观察比较钢轨落锤后的端面，调整各个阶段的参数，最终确定了合适的一套工艺参数，采用该工艺参数完成的焊接接头最终通过了TB/T1632—2005标准中的型式检验。

4 移动闪光焊工地焊接施工

试验段为一条曲线，其曲线参数如下：

起讫里程：K66+160.84～K66+777.34;半径为600m；长度为616.5m，缓和曲线140m，超高75mm，坡度为10.8‰。

焊接施工采用25m钢轨线下焊接与线上锁定焊接方案。线下焊接：将25m钢轨在线下焊接成长轨条。将25m钢轨预先放置在砟肩，然后逐个焊接。在1个封锁点(4h)内可焊接8～10个接头，钢轨的热处理、精磨在下个封锁点内完成。整个长轨条焊接完成后，开始进行线上锁定焊接。线上锁定焊接：在天窗点换铺长轨条，并将长轨条联入无缝线路，在长轨条的始、终端与已铺相邻单元轨条直接焊连。

从2013年10月15日到2013年11月5日，采用轨道车+非自行式移动焊轨车+材料车+热处理作业车+轨道车的列车编组，总共在10个封锁点内完成了试验段的现场施工。