論文：淺談適宜與高海拔高寒地區(qū)無(wú)縫線路接觸焊接工藝的探討

1、PAGE PAGE 6淺談適宜于高海拔高寒地區(qū)無(wú)縫線路焊接工藝的探討摘 要 本文通過(guò)對(duì)無(wú)縫線路焊接的鋼軌的要求進(jìn)行分析，介紹了適宜于高海拔高寒地區(qū)鋪設(shè)無(wú)縫線路的幾種焊接工藝，對(duì)各個(gè)焊接工藝的原理、方法、工藝等作出了詳細(xì)的說(shuō)明，希望能對(duì)類似于青藏鐵路的高海拔高高寒地區(qū)鋪設(shè)跨無(wú)縫線路進(jìn)行焊接施工有一定的借鑒作用。關(guān)鍵詞：無(wú)縫線路 高寒 高海拔 焊接 探討 1.高海拔高寒地區(qū)鋪設(shè)無(wú)縫線路對(duì)鋼軌的要求對(duì)于高海拔高寒地區(qū)，鋪設(shè)無(wú)縫線路的鋼軌重量多為60kg/m級(jí)。我國(guó)鐵路在既有線上也大量鋪設(shè)CHN60（60kg/m）并已成為我國(guó)鐵路上的主要軌型。1.1鋼軌斷面國(guó)際鐵路聯(lián)盟、日本和我國(guó)60kg/m級(jí)鋼軌斷

2、面的主要參數(shù)如表1所示。表1 三種鋼軌斷面主要參數(shù)軌 型UIC60日本60CHN60軌高(mm)172174176底寬(mm)150145150頭高(mm)514948.5底高 (mm)315301305腰高(mm)165165165Ix (cm4)305530903217Wx頭 (cm2)335532123394Wx底(cm2)377439723960軌重(kg/m)603460860641.2鋼軌材質(zhì)目前我國(guó)生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度b達(dá)980Mpa的鋼軌鋼種有PD3、BNbRE等熱軋軌（非淬火軌），其主要力學(xué)指標(biāo)和UIC900A的相應(yīng)指標(biāo)列于表2，除延伸率5稍低外，其它指標(biāo)基本接近。表2 主要國(guó)內(nèi)外

3、鐵路鋼軌及國(guó)產(chǎn)軌化學(xué)成份及力學(xué)性能鋼 號(hào)CSiMnPS(Mpa)()注UIC900A0.60-0.800.10-0.500.80-1.300.040.0488010PD30.70-0.820.65-0.900.75-1.050.040.049808BNbRE0.70-0.820.60-0.900.90-1.200.040.03598081.3斷面尺寸偏差為了控制鋼軌焊接時(shí)由于軌端面之間的尺寸偏差所造成的接頭錯(cuò)位，軌頂面的尺寸偏差所造成的踏面不平順及軌底厚度偏差所造成的III型彈條扣壓力的變化，對(duì)鋼軌斷面、端面等相關(guān)尺寸的偏差作出表3所示的規(guī)定，這些規(guī)定是參考?xì)W洲EN“B”級(jí)指標(biāo)制訂的。表3 鋼

4、軌尺寸允許偏差項(xiàng) 目允許偏差(mm)鋼軌高度0.6軌頭寬度0.5軌頭頂部斷面0.6魚尾板安裝面斜度+1.0/-0.5魚尾板安裝面高度0.6軌腰厚度+1.0/-0.5軌底寬度1.0離軌底邊緣20mm的軌底厚度0.5軌底邊緣厚度+0.75/-0.5軌底凹陷0.3端面垂直度（垂直、水平方向）0.6斷面不對(duì)稱1.2長(zhǎng)度6螺栓孔直徑0.7螺栓孔位置0.71.4平直度和扭曲偏差鋼軌的平直度和扭曲度是影響軌道平順度的重要參數(shù)。對(duì)高速鐵路的鋼軌分別就鋼軌端部、軌身及鋼軌全長(zhǎng)的平直度、扭曲度有嚴(yán)格要求。2.鋼軌焊接方式的比較我國(guó)鐵路長(zhǎng)鋼軌焊接技術(shù)始于1957年。當(dāng)時(shí)由捷克鐵路引進(jìn)了電弧法焊接長(zhǎng)鋼軌技術(shù)。采用此法

5、焊成的長(zhǎng)鋼軌，鋪后效果較差，焊縫折斷率高，以致相繼拆除。隨后又從原民主德國(guó)引進(jìn)鋁熱焊技術(shù)，焊劑也是由原民主德國(guó)進(jìn)口的，焊接質(zhì)量也不夠穩(wěn)定。至1963年，氣壓焊機(jī)、電接觸焊機(jī)由鐵道科學(xué)研究院相繼研究成功。自此各鐵路局開始采用氣壓焊機(jī)、電接觸焊機(jī)焊接長(zhǎng)鋼軌。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，我國(guó)鐵路已相繼建成17個(gè)焊軌廠，并開始引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的電接觸焊機(jī)，如瑞士的GASS-80型、俄羅斯的K型電接觸焊機(jī)。至此氣壓焊法除工地焊接聯(lián)合接頭使用外，焊軌廠全面淘汰了氣壓焊法。長(zhǎng)鋼軌的焊接是鋪設(shè)無(wú)縫線路的重要環(huán)節(jié)，其幾何外形尺寸的平順和內(nèi)部質(zhì)量，是保證無(wú)縫線路正常運(yùn)行的關(guān)鍵，實(shí)踐證明，若鋼軌焊接質(zhì)量不良，將使線路維修工作

6、后患無(wú)窮，嚴(yán)重者尚危及行車安全。為提高焊后焊道幾何外形的整修質(zhì)量，除應(yīng)堅(jiān)持使用焊瘤推凸機(jī)外，還應(yīng)積極推廣使用鋼軌焊道整修專用精銑機(jī)或研磨機(jī)。3.高海拔高寒地區(qū)鋼軌焊接工藝的介紹目前，高海拔高寒地區(qū)鋼軌無(wú)縫線路鋼軌接頭焊接方式主要有三種。3.1氣壓焊接法匈牙利工程師于1936年在國(guó)營(yíng)鐵路上進(jìn)行了鋼軌氣壓焊接法試驗(yàn)，取得成功。該方法自1937年起在美國(guó)和加拿大鐵路也獲得了廣泛的應(yīng)用。由于氣壓焊接法設(shè)備簡(jiǎn)單，成本低廉，焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良，世界各國(guó)鐵路自1955年以來(lái)相繼采用，并得到了進(jìn)一步發(fā)展。3.1.1氣壓焊原理金屬構(gòu)件的氣壓焊接，是用氣體燃燒時(shí)產(chǎn)生的熱能，將對(duì)焊的金屬構(gòu)件的焊接端加熱到熔化狀態(tài)或塑性狀

7、態(tài)，再施以一定的頂鍛壓力，把施焊的金屬構(gòu)件的焊接端焊接起來(lái)。焊接熱源多采用氧-乙炔火焰。其焊接原理是相互焊接的金屬端面的熔體或塑體的原子之間，相互擴(kuò)散滲透再結(jié)晶，在兩個(gè)相互焊接的金屬面之間形成新的結(jié)晶，使兩金屬構(gòu)件融結(jié)成一體。氣壓焊接又可分為塑性焊接和熔化焊接。塑性焊接是將被焊金屬構(gòu)件的焊接端加熱到塑性狀態(tài)，在固定的頂鍛力作用下產(chǎn)生頂鍛量，當(dāng)頂鍛量達(dá)到一定量之后，而被焊金屬構(gòu)件即焊接成一個(gè)整體，然后去除金屬焊接面因頂鍛而形成的凸出量，進(jìn)行正火處理后即完成焊接。熔化焊接是將被焊的金屬構(gòu)件的焊接端加熱到熔化狀態(tài)，再施加壓力，將熔化的金屬及雜志擠出，兩金屬構(gòu)件即被焊接成一個(gè)整體，同樣去除凸出量，并進(jìn)

8、行正火處理。塑性焊接操作容易，且焊接質(zhì)量?jī)?yōu)良。因此，金屬構(gòu)件一般都采用塑性焊接法焊接。如鋼軌的焊接，采用氣壓焊接法時(shí)，即為塑性焊接。3.1.2氣壓焊接方法我國(guó)鐵路現(xiàn)行氣壓焊接法可分為兩種：一種是定位焊接，即將氣壓焊機(jī)安裝在焊軌廠的焊接車間進(jìn)行定位焊接，焊機(jī)體型較大；另一種是移動(dòng)焊接，焊機(jī)體型較小，重量較輕，便于在工地移動(dòng)焊接聯(lián)合接頭。此方法現(xiàn)在多用于焊接工地長(zhǎng)鋼軌聯(lián)合接頭，或跨區(qū)間無(wú)縫線路的接頭焊接。小型氣壓焊機(jī)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、體積小、重量輕的特點(diǎn)，在工地移動(dòng)、操作都比較方便。同時(shí)，移動(dòng)焊接法是流動(dòng)作業(yè)，焊接外部環(huán)境差，在焊接過(guò)程中易受到干擾和影響。3.1.3氣壓焊接工藝為保證焊接質(zhì)量，必須全面

9、了解焊接工藝，并按工藝施焊。焊接質(zhì)量與選軌、調(diào)直、端頭處理、加熱與頂鍛、焊頭修整、正火等項(xiàng)關(guān)系密切。氣壓焊的鋼軌焊接工藝依次為鋼軌固定、加熱、頂鍛、推凸、鏟渣等。3.2鋁熱焊法鋁熱焊一般是指利用金屬氧化物和鋁之間的氧化還原反應(yīng)所產(chǎn)生的熱量，進(jìn)行熔融金屬母材、填充接頭而完成焊接的一種方法。 3.2.1鋁熱焊示意圖 a）焊接前 b）澆注過(guò)程中 c） 澆注完畢坩鍋蓋坩鍋蓋焊劑 砂型鋼軌鋼水熔渣自熔塞 坩鍋 a b c 高溫火柴圖1 鋁熱焊示意圖3.2.2鋁熱焊的主要特點(diǎn)設(shè)備簡(jiǎn)單，投資省，焊接操作簡(jiǎn)便，無(wú)需電源。材質(zhì)寬容度大。焊接鋼軌時(shí)，大量高溫液態(tài)金屬在較短時(shí)間（秒左右）注入砂型型腔，使焊縫具有較高

10、熱容量，因而可使焊接區(qū)得到較小冷卻速度。對(duì)含碳量較高的鋼軌亦不會(huì)造成淬火傾向。接頭平順性好。鋁熱焊方法沒有頂鍛過(guò)程，焊接接頭的平順性僅取決于焊前鋼軌的調(diào)節(jié)精度。焊縫金屬為較粗大的鑄造組織，韌性、塑性較差。3.3接觸焊法我國(guó)鐵路的長(zhǎng)鋼軌焊接已廣泛采用了接觸焊法。接觸焊法，焊接質(zhì)量好，效率高世界各國(guó)普遍采用，發(fā)展較快。近年來(lái)我國(guó)鐵路各焊軌廠全面更新了接觸焊機(jī)，引進(jìn)瑞士制造的Gaas-80焊機(jī)，和烏克蘭制造的K系列焊機(jī)。3.3.1焊接原理接觸焊的基本原理是利用電流通過(guò)某一電阻時(shí)所產(chǎn)生的熱量熔接焊件，再經(jīng)頂鍛完成焊接。產(chǎn)生的熱量可由下面公式計(jì)算：Q=KI2Rt，公式中Q：焊件接觸面上產(chǎn)生的熱量；K：換

11、算系數(shù)，取0.24；I：通過(guò)焊件接觸面的電流（A）；R：焊件接觸面的電阻（）；t：焊件接觸面的接觸時(shí)間（s）。當(dāng)兩焊接鋼軌之間通過(guò)電流時(shí)，由于兩鋼軌接觸面之間存在著較大電阻，因電熱效應(yīng)使鋼軌迅速得到加熱。兩鋼軌的接觸面微觀存在凸凹不平，因此，首先接觸的凸點(diǎn)瞬間被加熱到融化狀態(tài)，從而在鋼軌接觸面之間形成多個(gè)液體金屬過(guò)梁。這些過(guò)梁在進(jìn)一步加熱中“爆炸”破壞，使熔化的金屬?gòu)匿撥壗佑|面的縫隙中飛濺出，形成閃光，同時(shí)鋼軌繼續(xù)加熱。通過(guò)加熱和持續(xù)閃光的作用，鋼軌端面的溫度逐漸均勻一致，形成一熔化金屬層，防止周圍氣體進(jìn)入。同時(shí)，迅速施加頂鍛力，迫使焊面相互擠壓，使閃光時(shí)形成的火口得到充分閉合，并擠出全部液態(tài)

12、金屬，將兩鋼軌聯(lián)成一體。3.3.2焊接工藝要求接觸焊接工藝參數(shù)較多，具體參數(shù)值也因機(jī)型而異，但各參數(shù)對(duì)質(zhì)量的影響有共性。一般選擇以下各參數(shù)控制焊接質(zhì)量。3.3.2.1伸出長(zhǎng)度伸出長(zhǎng)度指的是鋼軌從焊機(jī)鉗口伸出的長(zhǎng)度。伸出長(zhǎng)度不足，電極散熱慢，使溫度場(chǎng)變陡，加熱區(qū)變窄，以致產(chǎn)生塑性困難，增加了淬火傾向。伸出長(zhǎng)度過(guò)量，則溫度場(chǎng)變緩，加熱區(qū)變寬，頂鍛時(shí)容易破壞焊件的同軸性。鋼軌斷面增加，伸出長(zhǎng)度也應(yīng)相應(yīng)增加。一般50kg/m鋼軌的伸出長(zhǎng)度為（1351）mm，60kg/m鋼軌為（1381）mm。3.3.2.2閃光流量焊接鋼軌在預(yù)熱和連續(xù)閃光過(guò)程中，所消耗的鋼軌長(zhǎng)度，為閃光流量。其主要作用是清除焊接表面氧

13、化物和保證焊接面溫度均勻。閃光流量不足，焊道中易殘留雜質(zhì)。閃光流量過(guò)大，塑狀金屬流失，易形成冷焊，使頂鍛量減小，焊接面可能出現(xiàn)灰斑。鋼軌斷面增大，閃光流量也應(yīng)隨之增大。50kg/m鋼軌的閃光流量為（241）mm，60kg/m鋼軌為（301）mm。3.3.2.3閃光初速閃光初速指的是連續(xù)閃光以前動(dòng)端的移動(dòng)速度。它直接影響鋼軌焊接時(shí)的預(yù)熱溫度及加熱溫度。速度低則焊接時(shí)間短，鋼軌加熱區(qū)窄，易導(dǎo)致位焊透。速度高則焊接時(shí)間長(zhǎng)，加熱區(qū)寬，易導(dǎo)致過(guò)熱或過(guò)燒。一般50kg/m鋼軌的閃光初速為1.8-2.1mm/s，60kg/m鋼軌為1.0-1.4mm/s3. 3.2.4閃光末速閃光末速適度，可減少鋼軌端面被氧

14、化的可能性。閃光的末速要大于閃光的初速度。閃光末速以達(dá)到端部溫度均勻，火口不大為宜。閃光末速過(guò)小，閃光不連續(xù)，空氣易侵入，有氧化的危險(xiǎn)；閃光末速過(guò)大，電流激增，過(guò)梁尺寸和火口增大，斷面的溫度的不均勻的閃光末速為2.6-2.9mm/s,60kg/m鋼軌為2.1-3.1mm/s。3.3.2.5焊接時(shí)間焊接時(shí)間包括預(yù)熱、連續(xù)閃光和頂鍛的時(shí)間。焊接時(shí)間過(guò)短，會(huì)造成未焊透的缺陷。焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使加熱區(qū)增寬，易產(chǎn)生過(guò)熱和過(guò)燒的缺陷。影響焊接時(shí)間的主要因素如下：（1）變壓器的級(jí)數(shù)和次級(jí)電壓變壓器級(jí)數(shù)提高，次級(jí)電壓也提高，會(huì)導(dǎo)致焊接時(shí)間縮短，使加熱區(qū)變窄；若過(guò)量提高電壓，則焊接過(guò)程不穩(wěn)定，易導(dǎo)致焊不透、氣泡

15、及無(wú)光澤斑點(diǎn)的缺陷；電壓過(guò)低，將延長(zhǎng)焊接時(shí)間，易導(dǎo)致過(guò)熱、晶粒粗大、焊面疏松、裂縫等缺陷。（2）預(yù)熱時(shí)間預(yù)熱時(shí)間的改變，將導(dǎo)致焊接時(shí)間和加熱特性的改變。預(yù)熱時(shí)間短，則焊接時(shí)間延長(zhǎng)。反之，則焊接時(shí)間縮短。溫度梯度則相應(yīng)隨之變緩或變陡。（3）預(yù)熱間斷時(shí)間預(yù)熱間斷時(shí)間的長(zhǎng)短，也會(huì)改變焊接時(shí)間。間斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)延長(zhǎng)焊接時(shí)間，使加熱區(qū)變寬，頂鍛量加大。間斷時(shí)間過(guò)短，則會(huì)縮短焊接時(shí)間，使加熱區(qū)變陡。（5）有電頂鍛時(shí)間有電頂鍛時(shí)間過(guò)短，易導(dǎo)致端面產(chǎn)生氧化物。有電頂鍛時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，又會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱。（6）無(wú)電頂鍛時(shí)間無(wú)電頂鍛時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，頂鍛量增大。無(wú)電頂鍛時(shí)間過(guò)短，又使頂鍛擠壓不足。這些都會(huì)影響焊接質(zhì)量。（7）其他除上

16、述影響因素外，動(dòng)夾鉗送進(jìn)速度的高低、夾具與焊接外殼絕緣的好壞，都對(duì)焊接時(shí)間有影響，焊接中都應(yīng)予以注意。3.3.2.6接觸壓力焊接面的接觸壓力小，則電阻增大，加熱溫度變陡。接觸壓力大，則接觸電阻減少。電阻的過(guò)大過(guò)小都將影響焊接質(zhì)量。一般50kg/m鋼軌的接觸壓力應(yīng)達(dá)到50kN，60kg/m鋼軌應(yīng)達(dá)到60kN3.3.2.7夾緊壓力為使鋼軌在接觸或頂鍛時(shí)不打滑，焊接時(shí)夾鉗夾持鋼軌的夾持壓力，50kg/m鋼軌應(yīng)達(dá)到450kN，60kg/m鋼軌應(yīng)達(dá)到580kN。3.3.2.8頂鍛壓力頂鍛力的大小與鋼軌斷面的大小和加熱狀態(tài)有關(guān)。壓力過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致未焊透、氣泡、無(wú)光澤斑點(diǎn)等缺陷。隨著壓力的增加，焊接鋼軌的沖擊

17、性能及疲勞強(qiáng)度將提高，缺陷將減少。但頂鍛壓力過(guò)大，反而影響焊接鋼軌的機(jī)械性能。一般50kg/m鋼軌的頂鍛壓力應(yīng)達(dá)到240kN，60kg/m鋼軌應(yīng)達(dá)到320kN3.3.2.9開始加速50kg/m鋼軌和60kg/m鋼軌都應(yīng)選擇在伸長(zhǎng)量達(dá)到130mm時(shí)開始加速。焊接時(shí)必須嚴(yán)格按已定的工藝參數(shù)操作，因?yàn)楹附庸に噮?shù)是保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)。在實(shí)踐中有時(shí)也會(huì)發(fā)現(xiàn)某一工藝數(shù)適當(dāng)調(diào)整可能更好，但這項(xiàng)工作由主管技術(shù)員負(fù)責(zé)，并經(jīng)過(guò)調(diào)試修正。接觸焊鋼軌端面垂直偏差不得大于0.5mm，端頭不可銼光，僅在距軌端500-600mm處對(duì)軌面和軌底打磨、除銹、去垢，使之呈現(xiàn)金屬光澤。3.3.3接觸焊機(jī)主要技術(shù)特性接觸焊機(jī)與氣壓

18、焊機(jī)相比，機(jī)械構(gòu)造比較復(fù)雜，但操作簡(jiǎn)便，工作性能穩(wěn)定。兩種焊法的工藝線，除焊前工藝接觸焊將銼頭工藝改成除銹工藝外，焊后工藝線上的作業(yè)程序完全一致?，F(xiàn)將瑞士GAAS80型焊機(jī)和烏克蘭K型接觸焊機(jī)的技術(shù)特性比較說(shuō)明?；睾附娱L(zhǎng)軌基本要求是電源要求、場(chǎng)地要求。電源要求三相四線制的三相380V50Hz正旋交流電源。電力變壓器功率為500kVA，其中供電焊機(jī)的功率400kVA，其余功率帶動(dòng)門式吊車、卷?yè)P(yáng)機(jī)、矯直機(jī)等用電負(fù)荷以及生活、辦公用電。4.焊接方法比較接觸焊與其他焊接方法的比較優(yōu)點(diǎn)是：焊接的熱源是來(lái)自工件的內(nèi)部熱源，熱量集中，加熱時(shí)間短，焊接過(guò)程不需要填充金屬，冶金過(guò)程比較簡(jiǎn)單，熱影響區(qū)較小，易獲得質(zhì)量較好的焊接接頭。電阻焊的機(jī)械化、自動(dòng)化程度高，先進(jìn)的焊接設(shè)備配有計(jì)算機(jī)控制，焊接質(zhì)量波動(dòng)小，焊接生產(chǎn)率高。電阻