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客运专线无缝线路的钢轨焊接(图)

日期：2007-6-18 22:29:57 人气：85 [大中小]

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提要:客运专线要求高质量的钢轨焊接接头，其外观质量严于常速铁路钢轨焊头;焊头质量与钢轨、焊接方法、焊工素质、焊轨生产管理诸因素相关。本文对不同焊接方法的钢轨焊头质量进行比较，提出线路上应优选移动式闪光焊焊接钢轨，并提出基地焊接长定尺钢轨的参考工位工序配置。
关键词:客运专线;无缝线路;钢轨;焊接

　　无缝线路是钢轨连续焊接的轨道结构。首次焊接通常是在焊轨基地或焊轨厂将标准长度的钢轨焊成长钢轨;第二次焊接是在线路上将长钢轨焊成长轨条;第三次焊接是在轨道上完成长轨条的焊接。
　　客运专线的运行速度在200km/h以上，对焊接接头的特殊要求是:具有高的平顺性和直线度，其中高速铁路焊接接头轨顶lm长度垂直偏差应在0-0.2 Mm。

1 客运专线对钢轨的要求

1.1 钢轨长度
　　焊接用轨的定尺长度在欧洲已由36 m发展到长定尺，例如法国已生产72m-80m长定尺钢轨，德国的最长定尺钢轨达120m。日本1990年的工业标准JISE1101中，就将60kg/m钢轨的标准长度定尺到50mo法国TGV铁路将80m的长尺轨在焊轨厂闪光焊接成400m长钢轨，日本铁路在焊轨基地将50m长尺轨焊接成300m长钢轨，我国铁路焊轨厂长钢轨产品在300m-500ma。
　　铁道部2004年2月1日实施的铁路用热轧钢轨订货技术条件(TB/T2344-2003)中已将50m,100m长度(倍尺)钢轨列人标准轨定尺长度，鞍钢目前已具备生产50m长尺钢轨的能力，攀钢和包钢正在进行100m长尺钢轨生产的技术改造。
　　钢轨焊接后形成由焊缝和热影响区(HAZ)组成的焊头，其强度、塑性、韧性学力学性能出现不同程度降低，焊缝中也会出现焊接缺陷，是无缝线路钢轨的薄弱环节。倍尺长度钢轨可以减少焊接接头数量，从而减少线路上焊头引发的事故。例如，50m长度钢轨焊接成500m长钢轨，与25 m长度钢轨焊接相比较，可由19个焊头减少到9个焊头，100m长度钢轨焊接可减少到4个焊头。
　　焊接用钢轨最小长度对于不同运行速度的线路有不同要求，表1是德国联邦铁路的最小轨长要求。

　　日本新干线也要求焊接用钢轨的最短长度不应小于20m。
1.2 钢轨的断面尺寸偏差
　　欧洲高速铁路使用钢轨断面主要为UIC60，抗拉强度)880MPa;日本新干线使用60kg/m钢轨断面，抗拉强度)800MPa;我国客运专线确定为60kg/m轨型，抗拉强度)880MPa。
　　断面尺寸偏差直接影响焊接轨端面对正程度，偏差较大可出现焊头错位(错口)，导致外观质量缺欠，钢轨高度、轨头宽度、轨底宽度和断面不对称的尺寸偏差是影响焊接的主要因素。我国时速200km客运专线和时速300km高速铁路钢轨暂行技术条件中，对60kg/m钢轨上述尺寸允许偏差要求见表2a

　　通过秦沈客运专线国产钢轨进口法国钢轨几何尺寸抽检结果比较，法国钢轨较好，国产钢轨几何尺寸波动较大，并出现有超过允许偏差的钢轨。

1.3 钢轨的焊接性
　　焊接性是指结合性能和使用性能。使用性能(使用焊接性)是通过力学性能实验检查焊头是否达到检验标准的要求。我国铁道行业标准规定焊头试件应进行落锤、静弯、疲劳和焊头解剖后试样的硬度、拉伸、冲击和金相组织检验。在推荐标准TB/T1632-1991中要求的铝热焊接头落锤检验，是达不到标准要求;固定式焊光焊和移动气压焊接头分别要求连续25个试件和15个试件落锤合格，对于U71 Mn牌号钢轨焊头正火后是可以达到的，对于高碳、高硅的U75V(原PD3)牌号的钢轨是困难的。
　　国外铁路标准中，不要求钢轨焊头落锤检验，而是通过静弯、硬度、疲劳(确定疲劳强度)以及显微组织检验评定使用焊接性，其中静弯检验指标严于我国标准。
　　钢轨的使用焊接性与钢轨材质有关。不同钢厂生产的相同牌号钢轨焊接性是有差异的，因此更换供货厂商时也需要进行焊接型式试验。

2 钢轨的对焊方法及焊头特征

2.1 钢轨闪光对焊
　　闪光对焊是各国铁路无缝线路中使用最广泛、也是最主要的钢轨焊接方法，其焊接质量优良、力学性能接近钢轨母材。闪光焊有连续闪光焊、预热闪光焊和脉动闪光焊三种方式。
　　图1是连续闪光焊记录曲线。钢轨端面连续闪光，焊接电流产生的热量加热钢轨端头，最后实现挤压(顶锻)形成焊头。
　　连续闪光焊的焊缝中出现“灰斑”缺陷的几率多、面积和数量也较多，焊接高强耐磨轨的使用焊接性受到限制。
　　图2是预热闪光焊的记录曲线。焊接过程中，主要通过钢轨端面短路预热电流产生的热量加热钢轨端头，因此需要大功率的焊接电源。

　　图3是脉动闪光焊记录曲线。脉动焊接的主要特征是:送进油缸油压脉动，脉动加热过程闪光火花飞溅少。与连续闪光焊相比较，脉动闪光焊焊缝中出现，’灰斑”缺陷的几率低，适用焊接高强耐磨钢轨。

2.2 移动气压焊
　　日本铁路长轨条焊接主要使用移动气压焊，我国铁路也在使用。气压焊接是人工操作气压焊设备、用氧一乙炔火焰加热焊接轨端头并施工加顶锻挤压力，使其产生塑性凸起、轨头出现“镜面熔池”，随之高压顶锻形成接头。
　　良好的气压接头力学性能接近钢轨母材，但对焊接技术要求较高。焊接质量的稳定性和外观平顺性与焊工素质、压接机质量及焊接工况紧密相关。
　　“光斑”和“未焊合”是气压焊接头结合面上出现的主要缺陷，大面积“光斑”易造成线路上焊头断裂。

2.3 电弧焊
　　焊工使用电焊条或焊丝与钢轨端面产生电弧电热熔化，冷却后形成对焊焊头，是熔化焊方法。目前只有日本铁路干线上使用电弧焊，日本钢管(NKK)称其为强迫成型电弧焊，用于单元轨节的焊接。这种方法不仅焊接时间长，而且对焊接工艺、焊工技术要求很高，焊接质量稳定性较差。

2.4 铝热焊
　　常用于线路上钢轨对焊，其实质是冶金铸焊，焊头力学性能与交光焊相比较，各项检验指标均较低。法国TGV铁路2001年统计，自1983年开通运营后断轨80起，焊缝断裂占30%，其中90%是铝热焊头。各国铁路对铝热焊使用的情况不同，西欧使用较多，日本较少而且新干线上不再使用。从我国秦沈客运专线焊头检验数据统计显示，铝热焊头的塑性、韧性指标很难达到TB/T1632-1991标准中规定要求。
　　气孔、夹渣、裂纹、未熔合是铝热焊缝的主要缺陷，也是造成焊头断裂的直接原因。

2.5 我国铁路焊轨质状况
　　铁道部运输局基础部在2002年3月发布的全路钢轨焊接质量报告中，对存在的问题、原因进行了分析，并提出要求。
共性问题:
　　(1)钢轨外形尺寸差异较大，造成焊头错口，使焊缝产生应力集中;
　　(2)钢轨成分波动范围较大，加大了最佳焊接工艺选择难度;
　　(3)焊接设备技术状态不良，引发各种类型焊接缺陷;
　　(4)焊接作业人员技术水平不高，缺乏系统的业务培训;
　　(5)焊接管理工作不严格，缺乏严格的质量管理体系。
无缝线路焊接伤损和折断数量见表3

　　从表中数据可算出固定式闪光焊重伤率0.1%，移动气压焊重伤率7.2%，铝热焊重伤率7.1%。
焊头伤损和折断的原因:
　　(1)焊接质量不良。焊缝内存在严重缺陷或出现马氏体组织，造成早期疲劳断裂。
　　(2)钢轨质量缺陷殃及焊头。
　　(3)线路状态不良和焊头外观质量差。焊头平顺性差和出现焊头低塌，加之轨道空吊板，增大列车的动力响应，加快了焊缝重伤和折断发生。

3 长钢轨的焊接

3.1 厂焊(基地焊)工序、工位的配置
　　长钢轨产品是在焊轨厂(或焊轨基地)加工制作，我国的长钢轨生产工序流程有:焊接轨吊卸、分类存放叶配轨、传送斗焊前检查、矫直斗轨端除锈斗焊接、推凸叶焊后热处理升焊头粗磨斗强制冷却叶矫直、检测叶外形精整(精磨)斗直线度检测叶探伤斗长轨吊运、存放斗长轨装车。
　　国外焊轨的工序工位少于我国。例如，比利时铁路布鲁塞尔焊轨厂(可焊接100m长定尺钢轨)不设置焊前矫直、粗磨、热处理(正火)、强制冷却、探伤工序，这是由于其钢轨外观尺寸和内在质量好，以及不进行焊头落锤检验之故，不设强制冷却工位是由于焊接工位至冷矫、精磨工位距离长达300m,焊后接头足以自然冷却到室温。
　　超声波探伤极难探出焊缝中“灰斑”缺陷，而“裂纹”、“过烧”缺陷由焊接工艺可消除，因此国外铁路很少设置焊头超声波探伤工序，个别国家设置有磁粉探伤。
　　秦沈客运专线焊接PD3热轧轨，焊轨基地车间内工位工序配置如下:

　　从热处理工位至矫直工位间隔125 m，焊头实际矫直温度仍高于室温，如果矫直结果达到lm长度垂直方向直线度在0-0.3 mm，精磨后冷却到环境温度仍会出现低接头。

3.2 影响焊头质.的关键工位-焊接，热处理，打磨
　　焊接-决定焊缝质量和外观质量。工艺参数应通过型式试验确定，保证焊缝具有足够的强度，不出现“过烧”缺陷，“灰斑”面积在规定范围之内。错口取决对正工况，钢轨断面尺寸偏差较大时应以轨头垂直中心找正，偏差小时以工作边找正，尺寸超差时重新配轨。
　　热处理-提高热轧轨焊头韧性(正头)或恢复热处理轨焊头丢失的强韧性(欠速淬火)。热处理不能消除焊缝中的质量缺陷。由于正火后接头硬度降低，易形成线路上低接头，因此正火工位必须配置喷风，快速冷却焊头。
　　打磨-恢复焊缝部位钢轨外形轮廓和钢轨平顺性。不正确的打磨可造成外观缺欠和质量缺陷，如外形亏损，马氏体白层。

3.3 长定尺轨焊接生产线工位
　　基地焊(或厂焊)长定尺轨(50m-100m)

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出处：本站原创作者：佚名

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