U75V钢轨现场移动接触焊质量控制技术研究

万 轶

(中国中铁八局，四川 成都 610036)

随着高速无砟轨道与跨区间无缝线路的飞速发展，钢轨焊接已成为线路工程质量的关键性环节之一。由于钢轨焊接接头质量关系到铁路运输的安全和效益，因此，确保钢轨焊接质量对铁路跨越式发展具有重要的意义。

结合遂渝无砟轨道跨区间无缝线路的施工经验，针对铺设上道的100m长定尺钢轨现场接触焊施工，研究钢轨焊接质量的影响因素，积累无砟轨道钢轨合理施工的技术经验。

1 钢轨现场接触焊试验

1.1 移动接触焊设备

无砟轨道长钢轨焊接施工的设备是从国外引进的K922集装箱型移动闪光焊作业车。该焊轨作业车由焊机及发电机组电源的集装箱平板车组成，同时还配有焊轨和正火作业辅助机具、材料、油料、工具等的装载车，以及牵引用轨道车。焊轨作业车在前，焊接机头朝向焊轨的前进方向。

K922型焊轨机具有以下特点:具有连续和脉动闪光焊工艺，焊接参数采用计算机自动控制，具有焊接质量自动监测系统及全部数据存储系统，可以打印每次焊接的详细数据，水平方向的气缸能确保每个焊条的卡紧力一致。焊机顶锻力及焊接变压器功率的增加，有利于提高合金钢轨、淬火轨等的焊接质量。可以在线路上焊接长轨条，也可以在无缝线路上完成焊缝闭合、修复或更换钢轨等多种任务，做到一机多用。

正火作业机具使用特制的移动气压焊火焰正火设备，包括有60 kg/m钢轨用加热器、气体控制箱、乙炔过滤器、正火架、冷却水循环泵及水箱和连接管线。准备工作中有必要检查是否有足够瓶装氧气和乙炔气;检查是否备有备用的混合气体胶管。

由于气候条件影响钢轨的焊接和焊头正火效果，在雨季焊轨时应在焊轨的集装箱前端支撑防雨棚，防止雨水淋湿焊机机头及焊头;中雨和大雨不宜焊轨;在雷区施工时要采取防雷击措施。刮风会影响焊接质量，实践证明大风会引起焊缝出现灰斑等缺陷。防风的有效措施是焊接开始前用阻燃布或石棉布制成围栏，围住机头四周，防止气流窜入钢轨焊接区域。

1.2 焊机调试

K922焊轨机焊机调试采用定尺长度为25m的60kg/m U75V钢轨进行试焊，通过落锤试验结果调整焊接状态，并不断优化工艺参数。焊机状态调整正常后进行焊接接头的型式检验。在焊机调试时，主要有超声波探伤法不易探测的灰斑缺陷。灰斑与多个参数(如低压阶段的电压、加速阶段闪光的稳定性、顶锻量与顶锻速度等 )的匹配密切相关，都需要通过焊接参数的精心调节，如合理预设烧化量、顶锻力、顶锻速度、加速闪光末期速度、带电顶锻时间等，以得到最优的焊接工艺参数。参数一旦确定就不再改动。

1.3 焊接工艺与质量控制

(1)接触焊焊前端面、轨腰导电处都需要除锈，保证打磨光洁度。当操作人员发现焊机在走轨和夹持的过程中，轨底缝隙过大时，需要调整焊机，从两面观察轨底对中情况，以免轨底热量不足。

(2)对接触焊来说，一旦参数确定，焊接过程虽然不受人为因素的影响，但焊机工作过程中会出现带电顶锻消失、顶锻过程中电流电压不对称的软故障，其稳定程度必须采用参数采集系统加以检测，才能对焊接质量进行判断，及时发现并切除存在焊接缺陷的焊头。

(3)焊后正火和仿形打磨。焊后正火使钢轨的晶粒细化，消除过热组织，从而提高钢轨焊头金属伸长率 (δs)和冲击韧性(Aku)，但正火不能消除钢中的夹杂物，经过对接触焊焊接头冲击韧性研究表明:U75V闪光焊接头850℃正火，其低温冲击韧性最好。在实际过程中，火焰正火由于存在热量散失等客观因素，应根据实际工况要求和焊接条件选择合适的正火温度，一般现场火焰正火选择900℃能满足要求。

实践证明，钢轨焊接接头的轨面硬度必须与母材匹配，否则会在使用中出现焊接接头的低塌，造成轨道线路的不平顺。在正火过程中，随着钢轨奥氏体化加热温度的提高，冷却后硬度提高，韧塑性下降。为了使火焰加热热处理后的焊接接头有较高的轨面硬度和较好的轨底韧塑性能，应使轨头的加热温度高于轨底。试验表明，当两者差50℃ ～80℃时效果较好。

仿形打磨前，要用直线度电子测量系统检测焊缝两侧各500 mm范围内的平直度，并确定踏面和内侧工作面的磨削量。用MMA一14A型精磨机(带自动测量装置)精磨。精磨前，要确定磨石进给量。精磨过程中，注意观察精磨进度，并及时调整仿形角度。精磨完毕，用测量系统检测焊缝两侧各500 mm范围内的平直度，若直线度超出0～0.3 mm/m范围，需重新精磨，直至满足下表要求。

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2 焊接接头的性能检验

采用K922集装箱型移动闪光焊作业车和火焰正火设备，对攀钢生产的U75V100 m长定尺钢轨进行焊接和焊后正火。按照钢轨焊接技术条件TB/T1632－2005的要求，分别对焊接接头踏面硬度、纵断面硬度、拉伸、冲击、金相组织进行检验，结果如下。

2.1 硬度及其分布

2.1.1 踏面硬度

按照钢轨焊接技术条件的要求，对焊接接头踏面硬度进行测定。焊接接头的踏面硬度测定结果见图1。由试验结果可知，经焊后热处理的焊接接头，其轨面的硬度略高于母材的硬度。

2.1.2 纵断面硬度

按照焊接接头技术条件要求对焊头纵断面进行硬度测定，取样部位和测试位置如图2所示，测点间距5 mm。测定结果见硬度分布图3。

图1 轨顶面硬度曲线

图2 焊头纵断面硬度试验取样(mm)

2.1.3 与母材硬度的比较

焊接接头踏面和纵向硬度与母材硬度的比较见表2。从表中可以看出，经过焊后热处理的焊接接头轨头踏面硬度平均值、测试线1(轨头部位)及测试线2(轨腰部位)硬度平均值与母材硬度的比值在0.97～1.02范围，达到了标准规定大于0.9的要求。焊接接头测试线3(轨底部位)的硬度平均值与母材硬度比值为0.83。焊接接头轨头、轨腰、轨底软点硬度平均值与母材硬度比值基本达到标准规定的要求。焊接接头的硬度检测结果达到了预期要求。

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2.2 拉伸性能

按照钢轨焊接接头技术条件的要求，对焊接接头拉伸性能进行测定。由结果可知，焊后经热处理的焊接接头轨头、轨腰部位的抗拉强度、屈服强度与母材的比值均大于0.90，轨底部位的抗拉强度、屈服强度与母材的比值虽小于0.90，但均达到新技术条件的要求。伸长率指标中轨头、轨底部位与母材的比值均大于0.70，轨腰部位伸长率与母材的比值小于0.70，但轨头、轨腰和轨底伸长率平均值均大于6.0%，满足新焊接技术条件的要求。焊接接头轨头部位的强度指标为母材的1.03，轨底部位的塑性指标(伸长率)为母材的1.3。焊接接头轨头强度与母材匹配，有利于减少使用中出现低接头，轨底塑性好有利于焊接接头的安全使用。从拉伸试验结果可以看出，采用特制的焊后热处理设备以及所选的工艺参数达到预期要求。

图3 纵断面硬度分布

2.3 冲击性能

按照焊接技术条件的要求，对焊接接头冲击性能进行测定。由结果可知，焊接接头经过焊后热处理轨头、轨腰、轨底各部位冲击功平均值分别为19.0J、8.5J、21.0J，与母材的比值分别为1.1、0.89和1.3。由此可见，经过本项目焊后热处理的焊接接头的冲击韧性不仅达到了标准规定的要求，其中轨头和轨底部位还高于母材，这对提高焊接接头的使用安全性具有重要的作用。

2.4 超声波检验

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对焊接接头进行焊缝超声波探伤。使用CTS－26A超声波探伤仪和全断面组合探头对每个焊缝进行无损探伤，探头共有50个。探伤前，清理焊缝两侧各40 cm范围内的锈斑、焊渣等;将焊缝两侧各40 cm范围的钢轨均匀涂满机油，并安置好探伤仪探头，确保探头与钢轨间紧密接触。作业前，探伤仪利用标准件进行标定，确定探伤灵敏度。先用探伤仪22dB频率对焊头的轨头、轨腰及轨底进行超声波穿透扫描，如果发现焊头存在缺陷，再用26dB对缺陷放大扫描，确认缺陷的性质、位置和面积，并将探伤结果做好记录。

3 结论

K922集装箱型移动接触焊作业车在无砟轨道上对100 m长定尺钢轨进行焊接，焊接接头通过了型式检验，说明采用的焊接工艺参数是合理可行的，焊接是成功的。焊接接头的性能达到了预期的要求，即焊接接头轨头的硬度和强度与母材匹配(为母材的1.03倍)，轨头和轨底的韧塑性良好(轨头和轨底的冲击韧性高于母材，轨底的伸长率高于母材)。在实际焊接中，我们发现焊机影响焊接质量有以下两个因素:

(1)工艺参数调定是一个系统的过程。必须对各个参数进行综合的分析，最终使其达到一个互相融合和互相匹配，才能获得优质接头和稳定的焊接质量。

(2)焊接系统压力的变化对于焊接过程的影响从激发闪光开始到顶锻结束，从夹紧力到顶锻力，从内部质量到落锤质量，都将由系统压力决定。在现有资料中，研究较少，是一个值得探索的问题。

［1］周跃清.钢轨的材质性能及相关工艺［M］.北京:中国铁道出版社，2005

［2］杨来顺.钢轨焊接工［M］.北京:中国铁道出版社，2000

［3］卢祖文.铁路轨道结构及维修［M］.北京:中国铁道出版社，2002