基于闪光焊和铝热焊的钢轨焊接接头不平顺研究

钟 浩

(中铁物总运维科技有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

无缝线路铺设工艺主要包括轨道铺设、钢轨焊接和钢轨锁定三个环节，其中钢轨焊接是实现无缝线路最重要的部分，是影响无缝线路正常运行的关键[1]。钢轨的焊接接头是整个无缝线路中最薄弱的部位，为确保无缝线路能正常运行，就必须要保证钢轨焊接接头的整体质量。至今已经基本成熟的钢轨焊接方法主要有铝热焊、闪光焊、气压焊以及电弧焊四种，这几种焊接方式均可以满足高速铁路和重载铁路的现场使用要求。虽然现有的钢轨焊接方法各不相同，但是其焊缝质量总是与所采用的施工工艺、焊接设备以及操作手法息息相关，特别是设备的精准控制和操作人员的焊接水平[2，3]。国内外对钢轨焊接接头进行了大量理论与试验研究，Steenbergen等[4-6]研究了轮轨动作用关系对焊接接头产生的影响，采用了弹簧质量的方式，得出焊接接头的不平顺与所受的最大轮轨作用成函数关系，同时也证明了列车的运行速度和轮轨最大作用力与焊接接头不平顺之间的关系。郭俊[7]建立了轮轨接触的有限元模型，研究了轮轨的冲击损伤、轮轨制动损伤以及轮轨的磨损损伤机理。翟婉明等[8]应用自主开发的VICT仿真软件，模拟提速对列车的钢轨不平顺的动力效应，根据研究结果对我国线路焊接不平顺的维修规范提出了一些建议。温泽峰等[9，10]建立了钢轨的轮轨接触三维弹塑性有限元模型，分别将列车的速度、轴重、材料的强化模量等基本参数考虑进仿真模型，对不同工况下钢轨冲击过程中的应力分布情况进行了分析。

目前对于焊接接头损伤的研究基本是以模拟实验与有限元仿真为主，直接对现场使用的焊接接头的研究较少。本文选取现场闪光焊和铝热焊作为研究对象，从钢轨焊缝前后廓形、不平顺以及接触光带等方面对这两种焊接工艺进行了全面对比分析。

1 两种焊接方式的对比分析

本文选取成都局川黔线进行闪光焊和铝热焊测量，测量指标包括钢轨廓形、钢轨不平顺以及表面接触光带宽度。图1为现场测量点分布情况说明，“0”位置为焊缝位置，分别往两端各测试5个点，间距为100 mm。

图1 焊缝前后廓形分布点

1.1 钢轨廓形分析

图2、图3分别为川黔线上两种焊缝前后廓形对比分析。从图2、图3中可以看出：在钢轨关键区域±25 mm之间，闪光焊廓形前后一致性较好，最大偏差在0.3 mm左右；而铝热焊前后廓形最大偏差值可达1.5 mm，并且偏差区间波动较大，说明闪光焊钢轨廓形一致性明显好于铝热焊。为进一步分析两种焊接方式钢轨廓形一致性情况，对两种焊接方式进行了最大偏差值统计，如图4所示。从图4中可以看出：闪光焊前后最大偏差较小，偏差值在0.2 mm～0.4 mm范围内；而铝热焊最大偏差值在0.4 mm～1.5 mm之间，闪光焊的前后一致性明显优于铝热焊。

图2 铝热焊焊缝前后廓形对比

图3 闪光焊焊缝前后廓形对比

图4 两种焊接方式焊缝关键区域的最大偏差值对比

1.2 焊缝前后平直度分析

为研究钢轨焊缝前后不平顺情况，对钢轨闪光焊和铝热焊进行了1 m焊缝平直度测试，具体结果如图5、图6所示。从图5、图6中可以看出：焊缝不平顺表现为凸焊缝和凹焊缝，钢轨铝热焊不平顺幅值明显高于闪光焊不平顺幅值，铝热焊平直度波动范围较大。为进一步分析焊缝平直度，对平直度进行箱形图分析，如图7所示。从图7可以看出：铝热焊不平顺幅度普遍偏大，1 m范围内波动较大；而闪光焊相对波动范围较小，表现为更加平顺，说明闪光焊平直度要优于铝热焊平直度。

图5 铝热焊焊缝前后钢轨平直度

图6 闪光焊焊缝前后钢轨平直度

图7 轨道焊缝平直度箱形图分析

1.3 焊缝前后接触光带分析

为研究焊缝前后钢轨接触光带情况，对焊缝前后接触光带进行了统计，两种焊接方式的接触光带分别如图8、图9所示。从图8、图9中可以看出：铝热焊的接触影响区域最大可达前后500 mm，而闪光焊只有300 mm的影响区域，这与钢轨表面不平顺和廓形有关。图10为两种焊接方式接触光带的统计分析。由图10可知：铝热焊接触光带影响区域为前后500 mm，而闪光焊接触宽带影响区域为前后300 mm，说明闪光焊的钢轨廓形一致性和接触光带影响区域都要优于铝热焊。

图8 铝热焊焊缝前后钢轨接触光带

图9 闪光焊焊缝前后钢轨接触光带

图10 两种焊接方式接触光带影响情况分析

2 结语

经过现场闪光焊和铝热焊对比分析，可以得出以下结论：

(1) 在钢轨廓形方面，钢轨焊接接头闪光焊前后廓形一致性明显优于钢轨铝热焊，闪光焊外观质量要好于铝热焊。

(2) 在不平顺方面，闪光焊要明显优于铝热焊，其不平顺变化幅度较小，箱形图整体区间较小。

(3) 在接触光带方面，铝热焊前后光带不一的情况不超过500 mm，闪光焊为300 mm，说明其只是对焊接区域局部范围有影响。