1 前言
在铁路无缝线路施工中,钢轨焊接为关键工序,焊接接头的质量对铁路线路安全极为重要｡我国东北和西北地区冬季平均气温达零下20°左右,对钢轨焊接质量影响较大｡因此,研究冬季移动式闪光焊轨质量控制要点,对于保证焊接质量有重要意义｡现场移动式闪光焊轨施工工序主要包括:外观检查及除锈､焊接､正火､粗磨､调直､细磨､精磨和探伤,本文结合近年来冬季焊轨施工经验,针对冬季寒冷气候条件下现场移动闪光焊轨施工质量控制的要点进行分析和总结,提出相关解决措施｡
2 焊前外观检查对焊接质量影响及要求
由于钢轨制造精度现场存放､铺设等原因､导致钢轨的外观(端面垂直度､断面不对称性､平直度等)存在一定的偏差或外部缺陷｡如果待焊钢轨的外观尺寸偏差大或外部缺陷较为严重,那么在焊接过程中容易造成接头的错牙､弯曲甚至裂纹等损伤｡因此,在焊接之前必须对断面1m范围内的待焊钢轨进行详细的外观检查,热影响区范围内不能存在裂纹划痕､坑点等缺陷,并保证钢轨端面垂直度不大于0.8㎜,两端面对正后错牙量不超过0.5㎜,且无旁弯､扭曲等缺陷,如果超标则需要采取端磨措施｡
3 除锈对焊接的影响分析及控制措施
(1)闪光焊是利用焊件内部电阻和接触电阻的热效率对焊件进行加热｡焊前除锈的目的是减小钢轨表面与焊机导电钳口之间的接触电阻｡防止夹紧钳口与轨顶面之间在顶锻时打滑｡在保证钢轨表面打磨质量的同时,使焊机的导电钳口相应保持清洁｡
热影响公式:Q=I²RT=U²T/R=,I表示焊接电流,R总电阻=2R接触+R闪光+R焊件｡
(2)由公式看出,R总减小,可以增加焊件的加热效率｡因为焊接的过程就是对焊件端面加热的过程,焊件端面的温度场形成是影响焊接内部质量的关键｡故焊前打磨工作不彻底,会使R总增大,通过端面液态过梁的电流密度减小,降低了焊件的加热效率｡
(3)如果待焊钢轨端面潮湿或者有雪迹,会增大接触电阻R接触,降低加热效率,影响端面温度的分布,轨腰存在水渍更加大了打滑的倾向性｡因此,距端面lm范围内应烤干,并将钢轨表面残留的水泥或其它污物清理干净后再进行除锈作业,要求端面及离端面750㎜范围内轨腰两侧面除锈,使其露出90%以上的金属光泽减小电阻R接触｡打磨时不得出现发黑发蓝和局部打亏现象,如果在此范围有凸出轨腰表面的厂标､生产日期等符号必须磨平｡
4 焊接过程对焊头质量影响分析及控制措施
4.1同环境下进行试验是检验质量的最佳方法
在冬季相同气候条件下进行钢轨焊接型式试验是检验质量的最佳方法,能够直接判断冬季寒冷环境对焊接质量的影响｡同时,能够验证严寒条件下焊接工艺的可靠性和包容性,也能够使焊机的机､电､液等系统与焊接工艺参数相互间磨合与适应,提前发现寒冷气候对焊机性能的影响程度,并可以总结冬季焊轨的相关经验｡
4.2焊接过程的稳定性对焊接质量的影响分析
(1)由于冬季气候寒冷对焊机动力输出单元､检测反馈单元､控制单元和执行单元的部件有一定影响,并可通过焊接过程能够得到反映,一般体现在焊接过程的不稳定､不连续｡尤其在焊机焊接过程各阶段转换之间,设备从一个相对适应的状态转换到另一个状态,就需要有一个较为激进的过程,但这时由于设备各系统受到气候影响,可能出现反应迟钝､灵敏性降低等现象,就会导致焊接过程异常,从而影响焊接过程的整体稳定性｡从焊接闪光效果看,可能存在焊轨过程停顿不连续,焊接火花爆破力忽强忽弱不稳定,焊接变压器声音很“吃力”不沉稳等现象｡从焊接曲线图看,位移曲线存在突变或台阶,曲线斜率不正常等;焊接电流曲线长时间集,电流密度不均等现象;油压曲线波动不平稳有突变现象｡
(2)因此,在冬季焊轨时如果焊接过程整体平稳,各阶段之间转换有序,且正常显示了各阶段的特征,没有出现异常现象,说明焊接质量受外界环境影响较小,或外界环境的影响被工艺参数的包容性和焊机性能所克服,未对焊接质量造成实质性的影响｡
4.3焊接参数的稳定性对焊接质量的影响分析
闪光焊接工艺可主要分为连续闪光焊工艺和脉动闪光焊工艺｡连续闪光焊的优点是焊接电流较小,故其焊接变压器的负载较小;缺点是对焊接接头的加热效率较低,加热宽度较窄,焊接时间长｡脉动闪光焊的优点是加热效率高,焊接时间明显较小,但由于短路时间较长,故其焊接变压器的负载很大｡脉动闪光焊工艺的加热效率明显高于连续闪光焊工艺,是提高焊接效率的有效方法｡因此,焊接钢轨时所采用的工艺不同,导致焊接参数变化也存在一定差异｡一般认为冬季焊轨时由于气温较低导致钢轨轨温很低,因此加热钢轨需要跟多的热量,通过热影响公式:Q=I²RT=U²T/R,可以看出如果需要获得更多的热量,就必须延长焊接时间､提高电压或减小电阻｡目前常见的现场移动式焊轨机型号有K922､UN-150､YHG1200等,在冬季焊轨时焊接参数的稳定性可以从以下几个方面把关:
4.3.1位移曲线反映了钢轨消耗量,对判断焊机和施工工况有着重要意义｡冬季施工由于轨温底容易导致出现热量不足,钢轨积雪潮湿也容易导致打滑,长钢轨冷缩时也会导致钢轨与垫板､滚筒间的摩擦阻力加大｡现场焊接曲线总位移比照型式试验曲线总位移最的大(小)值,如误差大于±4㎜,可能存在电极夹持处钢轨打滑､钢轨移动阻力大､焊接热量积累不足等问题｡同时,一般情况下顶锻力不宜超过60T,顶锻力过大也可能由于焊头热量积累不足或钢轨阻力较大｡
4.3.2电压曲线反映了钢轨加热过程中短路电流的变化,对焊接电流有直接影响｡冬季寒冷气候易导致内燃发电机组功率损耗加大,从而导致电压波动｡通常情况高压阶段焊接电压波幅应小于在60V,稳定阶段焊接电压波幅小于20V,发电机组的压降不宜超过30V｡
4.3.3电流曲线反映了钢轨加热过程中短路电流的变化,对钢轨的热量输人有直接影响｡冬季寒冷气候下焊轨需要更多的热量来补充低温钢轨加热的热量和冷空气散热快而损失的热量｡因此,各阶段的焊接电流尖峰应大于600A,如果焊接电流尖峰值偏小,容易导致热量输人不足｡稳定烧化阶段不宜出现长时间聚集的电流,长时间聚集电流导致闪光更加剧烈,从而带走更多热量｡加速烧化阶段不宜出现电流峰值超过600A的大电流和大于3S的短路电流,加速阶段为顶段做前期准备,因此出现大电流或长时间短路现象,容易造成焊接灰斑缺陷的产生,有关研究认为造成钢轨闪光焊接头力学性能下降的主要原因是焊缝存在灰斑缺陷,而轨底部位的灰斑又是导致焊接接头落锤试验断裂的主要原因｡顶锻前电流不能有严重下降现象,并且从加速烧化开始到顶锻前电流的最小值呈梯度上升的趋势顶段电流峰值一般不小于800A,以保证焊头顶段时所需要热量,同时在钢轨端面形成稳定激烈的闪光,汽化蒸气在闪光面上形成良好的保护层,覆盖在端面,使其不被氧化减少焊接缺陷｡顶锻前的电流曲线和位移曲线必须重合,若不重合认为是提前短路,提前短路极易造成焊接缺陷｡
4.3.4焊接阻抗对焊接电流有直接影响,冬季钢轨潮湿电阻增大对焊接质量有一定的影响,因此焊接阻抗一般不超过120μΩ为理想状态｡
4.3.5焊接总时间对保证焊接质量有重要影响,时间过短热量积累不够,时间过长容易导致热量过多或热影响区较宽,焊接焊接总时间误差宜保持在35秒之内｡
4.4冬季低温环境焊轨重要措施
4.4.1当气温低于10℃时,为保证焊接工艺的稳定性,
焊前对待焊钢轨1米范围内进行加热,待钢轨预热到30℃~50℃后方可焊接｡
4.4.2当气温低于10℃时,为保证焊接工艺的稳定性,为避免钢轨因冷缩造成对炽热焊头受拉的影响,当焊接结束后应采取保压措施,单元焊头宜保压2分钟,锁定焊头宜保压3分钟,以便用焊机油缸拉力来克服钢轨的温度应力｡
4.4.3冬季低温环境焊轨作业时,根据待焊钢轨长度适当调高焊机的泵站油压和减压阀油压,比型式试验时提高0.5~1Mpa焊机加装液压油油温加热装置,在焊接开始前将液压油加热到20℃~35℃,焊接开始后可关闭加热装置,也可在焊接前对焊机进行模拟测试,必要时用钢轨试头进行试焊,以期快速升高油温,使焊机达到正常工作状态｡焊机控制室内的温度应在5℃~25℃之间,不宜过低,以确保各电器元件的正常工作｡
4.4.4当气温低于10℃时,焊接完成(保压结束)后,应迅速用焊头保温罩保护焊接接头,保温约10分钟左右,避免在寒冷空气中炽热焊头因降温速率过快导致出现马氏体组织｡由于钢轨轨底角截面积小,在寒冷环境下降温速率比其他部位更快,因此保温时应重点保护轨底角｡
5 正火对焊头质量的影响及控制措施｡
5.1正火对焊头质量的影响分析
钢轨焊接完成后,焊缝及热影响区的温度很高,焊缝区最高可达到1300℃左右,导致晶粒粗大,降低了接头原有的塑性和韧性｡
｡如果对焊接接头不进行正火处理,其塑性和韧性比母材底,很难通过型检的各项检测标准｡焊接接头正火现场移动焊接通常采用火焰正火,经过正火处理后的焊头,细化了焊缝区晶粒,消除了不良组织,改善了焊接接头的塑性和軔性｡
5.2冬季正火作业质量控制重要措施｡
5.2.1正火前确保焊头温度应低于500℃｡根据CCT曲线图得知,焊缝正火加热时,组织是由珠光体向奥氏体转变的过程,冷却时其金相组织是由奥氏体向珠光体转变的过程｡因为焊头温度在500℃以下是,奥氏体组织才能彻底完全转变成较细的珠光体｡如果焊头温度高于500℃,奥氏体不能彻底的转变,会得到较粗大的珠光体｡若继续加热又是晶粒长大的过程,当其达到奥化温度时,晶粒过于长大｡当焊缝再次冷却到常温后,会得到较粗大的珠光体或过热组织,从而降低焊头的机械性能.
5.2.2搭设保温帐篷改变局部环境温度｡当环境温度低于10℃,正火工位搭建保温帐篷,在焊头周围制造出局部的常温环境,以确保满足正火工艺需要｡
5.2.3制作保温箱保证正火火焰的稳定｡冬季环境温度低于0℃时,火焰正火用的乙炔气体出口压力会较小,导致火焰不稳定从而影响对焊头的加热效果｡因此宜将乙炔瓶放在保温箱内保温,并将保温箱内温度须限制在20℃~30℃的安全值范围内｡
5.2.4严控正火温度保证正火效果｡正火过程中火焰以焊缝为中心左右均匀摆火,摆动幅度为60㎜~70㎜,频率为60~70次/分钟,将焊头温度加热至规定的要求(轨头表面温度应为920±10℃,轨底温度应为860±10℃)｡冬季寒冷地区应采取在保温棚内正火､调直､保温的法,但当正火过程中保温棚内气温逐渐上升,棚内温度达到常温时,可不用焊头保温罩进行保温｡但此种施工工艺须同时满足以下要求:首先,正火后降温阶段保温棚内环境气温要满足20℃以及以上温度;其次,正火后接头冷却速度(焊缝温度降至500℃)控制在0.5℃/s~3℃/s范围内,以轨顶温度920℃为例,折算成时间840s~140s范围内;最后,若接头温度在500℃以下需要撤去保温棚惊醒其他工序作业时,需用保温罩保温焊接头温度降至300℃以下,特别注意对轨底的保温措施｡
6 冬季调直质量控制措施
冬季由于气温低,钢轨冷脆性增强｡因此冬季焊轨施工调直作业宜在整活保温棚内进行,且在调直前保证焊接接头温度低于400℃｡在调直作业前应先测量轨顶面及工作边的平直度,然后采取多次微调的方法惊醒调直,调直后轨顶面平直度预留在+2.5㎜左右,工作边预留-0.3㎜~0.3毫米/m｡
7 焊头打磨作业控制措施
对轨底及轨底上表面进行打磨,由于钢轨外形尺寸偏差造成的焊接接头不平顺,可圆顺打磨方法进行修整,轨底面的打磨余量为0-0.5㎜｡不得将钢轨表面打亏,打磨不得出现发黑发蓝现象,严禁横向打磨,且粗磨完成后用角磨机进行抛光处理｡细磨采取边打磨边测量的方法,对焊缝两侧各450㎜范围内进行打磨,
考虑打磨焊头发热对平直度影响因素,轨顶面平直度应宜控制在0.5㎜/m左右
,工作边的平直度制在0.3㎜/m细磨时应平顺光滑､过渡圆顺,不得有明显的突出和棱角,同时应避免出现打磨面发蓝发黑和机械损伤｡
8 冬季探伤作业控制措施
数字超声探伤仪对工作环境温度有一定的要求,当冬季气温低于探伤仪器的正常工作温度时,对探伤仪采取保温措施,保证探伤仪器的灵敏性等性能｡
探伤时接头温度不应高于40℃,并对焊接接头进行全断面探伤｡
文章来源：
原文名称：浅析冬季移动闪光焊轨质量控制要点
作者信息：祁文晶（中铁一局集团新运工程有限公司 陕西咸阳 712000）
期刊信息：2019年7月建筑科技与管理学术交流会
