郭瑞林

【摘要】隨著我國(guó)現(xiàn)代化高速鐵路的發(fā)展，無(wú)縫線路的運(yùn)用越來(lái)越多，列車速度越來(lái)越快，對(duì)鋼軌焊接接頭質(zhì)量的要求也越來(lái)越高。為了減少車輛段內(nèi)產(chǎn)生的噪音和震動(dòng)對(duì)附近居民的影響，越來(lái)越多的地鐵運(yùn)營(yíng)公司要求車輛段內(nèi)鋪設(shè)的50軌也要采用無(wú)縫線路技術(shù)，它對(duì)減少列車運(yùn)行阻力，提高列車運(yùn)行速度，延長(zhǎng)機(jī)車車輛使用壽命，降低線路維護(hù)費(fèi)用，減少列車經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的噪音和震動(dòng)有很大的作用。目前用于鋼軌焊接方法主要有三種，即閃光焊﹑氣壓焊和鋁熱焊，鑒于閃光焊焊接自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，工地25米鋼軌焊接越來(lái)越多的采用了移動(dòng)式閃光焊接的施工工藝，并且已經(jīng)形成了一套適宜于50Kg/m鋼軌的焊接工藝。

【關(guān)鍵詞】城市軌道;50Kg/m攀鋼U71Mn;焊接工藝

Study on welding technology of urban track 50Kg/m climbing steel U71Mn rail

Guo Rui-lin

（Institute of Welding， Southwest Jiaotong UniversityXianyangShanxi712000）

【Abstract】With the development of modern high-speed railway in China， the use of seamless lines is more and more， the speed of trains is faster and faster， and the quality requirement of welded joints for Rails is higher and higher. In order to reduce the impact of noise and vibration generated in the depot on nearby residents， more and more subway operators require that the 50 rails laid in the depot also use seamless line technology， which reduces the resistance of the train and improves the speed of the train. Extending the service life of locomotives and vehicles， reducing the cost of line maintenance， and reducing the noise and vibration generated by the train during passing have a great role. At present， there are three main methods for rail welding， namely flash welding， pneumatic welding， and aluminum hot welding. In view of the degree of automation and high production efficiency of flash welding， and the advantages of stable welding quality， more and more 25-meter rail welding on the site has been adopted. Mobile Flash welding construction process， And a welding process suitable for the 50Kg/m climbing U71Mn expressway has been formed.

【Key words】Urban track;50 Kg/m climbing steel U71Mn;welding process;Weldability

一般50Kg/m鋼軌都鋪設(shè)在車輛段的庫(kù)內(nèi)線，行車速度一般為3～5Km/h，道床形式一般采用一般整體道床、柱式檢測(cè)坑道床和壁式檢測(cè)坑道床三種道床形式，焊接施工相對(duì)于正線的60Kg/m鋼軌要復(fù)雜多變，圖1為在一般整體道床上面進(jìn)行鋼軌焊接作業(yè)（ 50Kg/m鋼軌焊接施工現(xiàn)場(chǎng)見圖1）。

1. 攀鋼U71Mn鋼軌化學(xué)成分及可焊性分析

（1）鋼軌的可焊性一般由“碳當(dāng)量”來(lái)衡量，即將鋼軌中各種化學(xué)元素對(duì)共晶點(diǎn)實(shí)際碳量的影響折算成碳的增減，這樣算出的含碳量稱為“碳當(dāng)量”，用CE表示，“碳當(dāng)量”的計(jì)算公式為：

CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

（2）鐵道標(biāo)準(zhǔn)TB/T 3276-2011及TB/T 2344-2012中鋼軌化學(xué)成分如下表1所示（鋼軌牌號(hào)及化學(xué)成分見表1）。

從表1中C、Mn元素的含量可以看出U71Mn為高碳中錳鋼，其“碳當(dāng)量”計(jì)算為：

CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15

=（0.65-0.75）+（0.70-1.20）/6

計(jì)算可得U71Mn鋼軌的“碳當(dāng)量”范圍約為0.77%～0.95%。

（3）一般當(dāng)“碳當(dāng)量”計(jì)算值大于0.4%～0.5%時(shí)，焊接性能較差，“碳當(dāng)量”計(jì)算值越大焊接性能越差，攀鋼U71Mn鋼軌的“碳當(dāng)量”計(jì)算值約為0.77%～0.95%，其鋼軌焊接性能很差。在實(shí)際的鋼軌焊接施工中為有效提高焊軌質(zhì)量，必須對(duì)鋼軌材料的可焊性，閃光焊機(jī)性能及工藝參數(shù)等因素進(jìn)行綜合分析比較，針對(duì)不同的軌型，鋼軌物理學(xué)性能和化學(xué)成分，通過(guò)焊接試驗(yàn)和分析確定合理的焊接工藝參數(shù)，才能在實(shí)際生產(chǎn)中提高焊頭合格率，提高焊接效率，保證焊接質(zhì)量。

2. 60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌的焊接工藝

（1）在實(shí)際的鋼軌焊接施工中，60軌使用量所占比重很大，所采用的焊接工藝研究也相對(duì)比較成熟。下圖為60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌使用UN5-150移動(dòng)式閃光焊軌機(jī)焊接試頭的工藝和對(duì)應(yīng)的焊接曲線圖（60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌UN5-150移動(dòng)閃光焊機(jī)焊接工藝參數(shù)表和曲線圖見圖2）。

3. 50Kg/m攀鋼U71Mn焊接工藝參數(shù)的調(diào)整

3.1將工機(jī)具全部更換為50Kg/m鋼軌焊接的工裝，首先使用上圖中顯示的60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌工藝參數(shù)試焊接時(shí)，整個(gè)階段位移燒化很快，端面溫度上升也很快，導(dǎo)致焊接圖形不穩(wěn)定。

3.2對(duì)比50Kg/m軌和60Kg/m軌的外形尺寸發(fā)現(xiàn)：

1-50Kg/m軌斷面面積60Kg/m軌斷面面積=15%

50Kg/m軌斷面面積比60Kg/m軌斷面面積小了15%（50Kg/m軌和60Kg/m軌外形尺寸對(duì)比表見表3，50Kg/m軌外形尺寸圖見圖3，60Kg/m軌外形尺寸圖見圖4）。

3.3在60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌工藝的基礎(chǔ)上，考慮到50Kg/m軌斷面面積減小了15%，所需要輸入的熱量也相應(yīng)減少，由焦耳定律：

所以此處所輸入的參數(shù)電壓和電流的乘積理論應(yīng)當(dāng)是原60Kg/m的電壓和電流乘積的85%，此處考慮到50Kg/m鋼軌軌頭、軌底、軌腰都比較薄弱，所以輸入?yún)?shù)的時(shí)候讓電壓和電流的乘積占到60Kg/m的電壓和電流乘積的80%左右，防止產(chǎn)生過(guò)燒現(xiàn)象，其他參數(shù)基本不變，對(duì)參數(shù)做如下初步設(shè)計(jì)調(diào)整（工藝參數(shù)調(diào)整對(duì)比表見表4）：

調(diào)整過(guò)后（后一列為調(diào)整后參數(shù)）用類似參數(shù)焊接6根試頭并全部進(jìn)行落錘試驗(yàn)，其中5根試頭四錘不斷且斷口合格，其中有1根第二錘斷裂，斷口中存在較大灰斑，參數(shù)包容性較差，不穩(wěn)定（工藝調(diào)整后的參數(shù)表、曲線圖和相對(duì)應(yīng)斷口照片見圖5）。

3.4結(jié)論一：

（1）通過(guò)降低各階段電壓值、電流值來(lái)減少熱量輸入，但是電壓和電流值又不能減少的太多，否則會(huì)出現(xiàn)閃光很柔和，熱場(chǎng)較寬，曲線圖中出現(xiàn)短路和斷路的情況，同時(shí)產(chǎn)生大量灰斑;

（2）斷面面積減小，機(jī)頭壓力和頂鍛量也要減小。50Kg/m鋼軌較60Kg/m鋼軌相比機(jī)頭壓力降低1MPa，頂鍛量減少2.2mm;

（3）預(yù)閃、高壓一、高壓二階段電壓和電流減小之后要適當(dāng)增大該階段的送進(jìn)和后退速度與之相匹配，否則會(huì)在閃光時(shí)爆出大坑導(dǎo)致斷口中出現(xiàn)超標(biāo)灰斑;

（4）前期熱量輸入減小之后，到后期的穩(wěn)定燒化階段總會(huì)出現(xiàn)電流密集或是短路和斷路現(xiàn)象，最終導(dǎo)致斷口中產(chǎn)生超標(biāo)灰斑。

分析：接頭中的熱量主要依靠前期的預(yù)閃、高壓一和高壓二階段產(chǎn)生，到后期的穩(wěn)定燒化階段主要起到閃平和保護(hù)端面的作用，最終順利進(jìn)入到頂鍛階段順利完成鋼軌的塑性變形過(guò)程。

在穩(wěn)定燒化階段要想實(shí)現(xiàn)較好的閃平和保護(hù)端面的作用，在電壓不變的情況下還得讓鋼軌焊接時(shí)的過(guò)梁頻繁而又不能很猛烈地爆破，需將穩(wěn)定燒化階段的電流再增大，送進(jìn)和后退速度也要增大，讓鋼軌的兩個(gè)端面頻繁接觸，才能使得在該階段過(guò)梁爆破頻繁而又不猛烈。所以再對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整如下（工藝參數(shù)調(diào)整對(duì)比表見表5）：

調(diào)整過(guò)后消除了焊接曲線圖中穩(wěn)定燒化階段的電流密集和斷路、短路現(xiàn)象，焊接曲線圖、抗錘性、斷口都滿足要求。

3.5結(jié)論二：

（1）穩(wěn)定燒化階段電壓不變?cè)龃箅娏髟鰪?qiáng)過(guò)梁爆破的劇烈程度，能更好地在鋼軌發(fā)生塑性變形之前在鋼軌兩端面之間形成真空狀態(tài)起到對(duì)端面的保護(hù)作用。

（2）穩(wěn)定燒化階段送進(jìn)、后退速度應(yīng)該與該階段的電流電壓和后期留在鋼軌上的熱量相匹配，快進(jìn)快退有助于后期的閃平和對(duì)端面的保護(hù)。

（3）低壓二和低壓三階段位移的增大可以燒掉前期在鋼軌端面形成的大坑，消除掉斷口中的灰斑。

（4）增大穩(wěn)定階段的電流和送進(jìn)、后退速度有助于消除掉焊接曲線圖中的電流密集現(xiàn)象和短路、斷路問(wèn)題（工藝穩(wěn)定后的參數(shù)表、曲線圖和對(duì)應(yīng)的斷口照片見圖6）。

（5）用同樣的辦法統(tǒng)計(jì)50Kg/m攀鋼U71Mn參數(shù)的預(yù)閃、高壓一、高壓二、低壓一、低壓二、低壓三、加速1、加速2共8個(gè)階段的：

平均電壓：（390+380+360+333+333+333+362+365）/8=357V;

平均電流一：（150+250+255+130+200+200+250+250）/8=211A;

平均電流二：（250+300+305+180+250+250+300+300）/8=267A;

平均電流三：（350+350+355+230+300+300+350+350）/8=323A;

平均前進(jìn)速度：（0.9+1.7+2.1+0.95+0.56+0.56+0.58+0.67）/8=1mm/s;

平均后退速度：（0.7+0.7+0.8+0.5+0.2+0.2+0.1+0.1）/8=0.41mm/s;

3.6由上述計(jì)算可知50Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌主要參數(shù)配置平均值，如表6所示（50Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌主要參數(shù)配置平均值見表6，對(duì)比50Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌和60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌主要參數(shù)的平均值見表7）。

3.7對(duì)比50Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌和60Kg/m攀鋼U71Mn鋼軌主要參數(shù)的平均值發(fā)現(xiàn)：50Kg/m鋼軌焊接參數(shù)的平均電流和平均電壓普遍要比60Kg/m鋼軌焊接參數(shù)低，而平均前進(jìn)速度和平均后退速度又比60Kg/m的鋼軌大。由于50Kg/m鋼軌的外形比較單薄，所需要的熱量輸入必然也要降低，輸入的熱量減少了但端面溫度還需要達(dá)到熱塑性變形的要求，所以平均前進(jìn)速度和平均后退速度又需要偏大一些，在焊接過(guò)程中實(shí)現(xiàn)快進(jìn)快退達(dá)到提高端面溫度的目的。

4. 正火工藝參數(shù)調(diào)整

考慮到50Kg/m鋼軌尺寸偏小，所需要的熱輸入也相應(yīng)減小，所以在正火時(shí)氧氣、乙炔流量要小一些，經(jīng)實(shí)驗(yàn)總結(jié)后乙炔流量為3.4，氧氣流量為2.9，正火時(shí)間在4分30秒左右，軌頭中心線溫度達(dá)到920℃±10℃。通過(guò)落錘試驗(yàn)觀察斷口，晶粒細(xì)膩，滿足要求。

5. 結(jié)束語(yǔ)

文中通過(guò)對(duì)比分析出攀鋼U71Mn的50Kg/m鋼軌接頭焊接工藝與60Kg/m鋼軌接頭焊接工藝的異同，為以后50Kg/m鋼軌接頭的焊接工藝調(diào)整思路提供便捷。隨著城市軌道交通的發(fā)展，車輛段檢修庫(kù)內(nèi)50Kg/m鋼軌的焊接量會(huì)越來(lái)越大，50Kg/m鋼軌焊接工藝的應(yīng)用具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的推廣和應(yīng)用前景。

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