鋼軌閃光焊接頭平直度控制技術(shù)

高文會

(中國鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081)

我國新建和改建的百米鋼軌焊接基地采用閃光焊，焊軌基地生產(chǎn)線由鋼軌焊前檢查、焊前除銹、焊接和推凸、粗磨、焊后熱處理、焊接接頭矯直、焊接接頭精磨和成品檢驗等基本工序組成。保證鋼軌閃光焊接頭平直度達標(biāo)需全過程控制，從焊前檢查鋼軌、焊前除銹方式和深度、焊軌設(shè)備對中方式和精度控制、接頭錯邊控制、焊接接頭矯直、焊接接頭打磨、電子平直尺測量焊接接頭平直度的作業(yè)條件、方法和評判準(zhǔn)則等方面，進行了全面的論述，為焊軌基地控制鋼軌焊接接頭平直度提供參考。

1 焊前鋼軌檢查

焊前檢查鋼軌母材的幾何尺寸、軌端平直度和端部扭曲是保證鋼軌焊接接頭平直度的基礎(chǔ)，鋼軌焊接前，應(yīng)該逐根檢查，鋼軌合格才可焊接。

1.1 檢查鋼軌端部主要幾何尺寸

應(yīng)逐根檢查鋼軌端部幾何尺寸，軌端主要幾何尺寸相差較大時，焊接后容易出現(xiàn)接頭錯邊。當(dāng)鋼軌高度低于負偏差極限時，也可能是軌冠飽滿度不合格。以60 kg/m鋼軌為例，鋼軌技術(shù)條件規(guī)定的主要幾何尺寸偏差允許值見表1。鋼軌焊前檢查和選配工位，應(yīng)嚴(yán)格做到:①主要幾何尺寸偏差超過允許值的鋼軌不能焊接;②應(yīng)盡量配焊偏差方向相同的鋼軌，偏差量盡量接近;③依成品焊接長鋼軌的鋪設(shè)順序，首尾斷面的不對稱偏差應(yīng)盡量接近，為現(xiàn)場焊接聯(lián)合接頭創(chuàng)造條件。

1.2 檢查軌端平直度

軌端平直度偏差通常有三種情況:垂直向上(俗稱翹頭)、垂直向下(俗稱低頭)和側(cè)向彎曲，鋼軌技術(shù)條件對不同速度的鋼軌軌端平直度有不同的要求，見表2。焊前檢查鋼軌，應(yīng)逐根檢查軌端平直度，對平直度偏差超過允許值的鋼軌，應(yīng)進行矯直或鋸切。不能將超標(biāo)的軌端硬彎推遲到焊后進行集中矯直，因為軌端彎曲影響焊接工位的對中精度，另外在焊后矯直工位矯直母材彎曲可能會給接頭造成新的彎曲。

表1 60 kg/m鋼軌主要幾何尺寸偏差允許值 mm

表2 鋼軌端部平直度要求

1.3 檢查鋼軌端部扭曲

鋼軌端部扭曲可能導(dǎo)致焊接接頭扭曲錯邊，見圖1。采用扭轉(zhuǎn)尺逐根檢查，鋼軌端部扭曲應(yīng)不大于0.45 mm，不應(yīng)焊接扭曲超標(biāo)鋼軌。

2 焊前除銹

在鋼軌頂面與焊機電極接觸的情況下，除銹工位對焊接接頭平直度有很大影響。采用手持砂輪機對鋼軌頂面進行人工除銹，砂輪的跳動和用力不均會破壞鋼軌頂面的表面不平度，應(yīng)采用除銹機自動除銹，除銹機的狀態(tài)應(yīng)保持良好，除銹范圍、除銹效果應(yīng)滿足焊接要求。

焊前對鋼軌除銹的目的是增強鋼軌與電極接觸面的導(dǎo)電性，防止出現(xiàn)電極灼傷。在滿足焊接需要的前提下，應(yīng)盡可能減少除銹作業(yè)對鋼軌的磨耗量。當(dāng)采用鋼絲輪除銹時，其除銹方式是“刷”，刷過的鋼軌表面烏黑發(fā)亮，如果基于這種除銹效果的焊接參數(shù)通過了型式檢驗，說明該除銹效果能夠滿足焊接需要，用刷除銹對鋼軌磨耗量很小，不會破壞焊接接頭的平直度。砂帶除銹方式是打磨，磨過的鋼軌表面效果是呈金屬光澤，應(yīng)特別注意調(diào)整好砂帶的張緊力，防止磨耗量過大，否則，焊接接頭平直度會出現(xiàn)圖2所示情況。過度追求鋼軌頂面除銹后的金屬光澤，加大軌頂面磨削深度換取導(dǎo)電效果，不利于保證焊接接頭的平直度。

圖2 除銹作業(yè)磨耗量較大時對焊接接頭平直度的影響

3 保證對中精度

鋼軌夾緊后，GAAS80焊機會自動將兩待焊鋼軌的端面拉開2 mm的間隙，憑人手的觸覺控制待焊鋼軌表面之間的平行偏差是不可靠的。應(yīng)該依靠GAAS80設(shè)備調(diào)整，控制對中精度，設(shè)備定位基準(zhǔn)和接近開關(guān)等控制元件必須保持準(zhǔn)確靈敏，起拱滾輪、鋼軌夾持塊、電極等狀態(tài)必須良好，出現(xiàn)老化或偏磨應(yīng)及時更換。圖3是GAAS80焊機對中臂上的軌頭側(cè)面工作邊對齊定位基準(zhǔn)，當(dāng)鋼軌軌頭側(cè)面工作邊在非操作人員一側(cè)時，該對基準(zhǔn)使非操作人員一側(cè)的軌頭側(cè)面工作邊自動對齊;當(dāng)鋼軌的工作邊在操作人員一側(cè)時可以通過操作面板上的按鈕，選擇另外一對基準(zhǔn)，見圖4。

圖3 軌頭側(cè)面工作邊對齊定位基準(zhǔn)

圖4 操作面板上選擇工作邊

4 正確控制接頭錯邊

4.1 接頭錯邊的基本情況

接頭錯邊是焊接時兩根鋼軌由于沒有對正，使焊縫兩側(cè)鋼軌表面之間出現(xiàn)平行偏差，接頭錯邊是臺階。常見的錯邊有三種:豎向錯邊、水平錯邊和扭曲錯邊，或三種錯邊的組合。

4.2 接頭錯邊的危害

輪軌沖擊作用與接頭錯邊(或凸臺)高度的平方根成正比。隨著行車速度的提高，迎輪錯邊(車輪逆向通過錯邊接頭)的沖擊作用急增，輪軌產(chǎn)生強烈的沖擊作用，危害甚大，輪軌沖擊作用的各項指標(biāo)可為常規(guī)速度時的2～3倍。

4.3 接頭錯邊產(chǎn)生的原因

1)鋼軌不合格。待焊鋼軌的主要幾何尺寸不合格或存在較大差別時，容易產(chǎn)生接頭錯邊。不對稱度差別大最容易導(dǎo)致接頭錯邊。鋼軌端部扭曲可能導(dǎo)致焊接接頭扭曲錯邊。軌端硬彎也可能導(dǎo)致接頭錯邊。

2)焊機狀態(tài)不好。①焊機電極老化、表面不平、偏磨會導(dǎo)致鋼軌傾斜，出現(xiàn)扭曲錯邊;②焊機對中系統(tǒng)精度偏離，沒有及時調(diào)整好;③焊機鋼軌夾持塊磨損老化;④起拱滾輪磨偏。

3)操作不當(dāng)。在焊接工位，鋼軌對中作業(yè)時，鋼軌頂面或工作邊沒有對齊。

4.4 接頭錯邊的檢查與處理

焊接工位焊接后，焊接接頭未經(jīng)任何打磨就立即檢查接頭錯邊量，最大允許值應(yīng)符合表3規(guī)定。對于接頭錯邊量超過最大允許值的焊接接頭，應(yīng)在焊縫兩側(cè)各100 mm的位置切掉鋼軌焊接接頭。推薦采用數(shù)字式的波磨尺測量接頭錯邊量。

表3 接頭錯邊量最大允許值 mm

4.5 錯誤作法的糾正

1)鋼軌對中作業(yè)時，軌端硬彎導(dǎo)致焊機感應(yīng)器檢測不到鋼軌信號，焊機拒絕下步動作，作業(yè)人員不應(yīng)采用金屬工具強制感應(yīng)器發(fā)出已經(jīng)檢測到鋼軌的信號，而應(yīng)將鋼軌重新矯直或?qū)⒂矎濅徢械簟?/p>

2)接頭錯邊量超標(biāo)后，不應(yīng)采用熱矯直方式糾正。熱矯直糾正錯邊可能使①焊縫內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，②將焊縫紅熱金屬壓扁，造成錯邊消除的假象，③使接頭以外的鋼軌產(chǎn)生新的彎曲。正確的作法是切掉重焊。

3)接頭錯邊量超標(biāo)后，不能采用打磨將錯邊(臺階)磨掉。原因:打磨接頭錯邊只是將臺階從焊縫移到了鋼軌母材處，鋼軌表面之間的平行偏差依然存在，見圖5。正確的作法是在焊接工位，接頭錯邊量超過最大允許值時，切掉重焊。

圖5 打磨接頭錯邊

5 焊接接頭矯直

5.1 矯直作業(yè)條件

矯直作業(yè)前，必須保證焊接接頭符合以下條件:①焊前對鋼軌頂面的除銹，不得將鋼軌頂面磨虧;②接頭錯邊量不超過表3規(guī)定的最大允許值;③如果在矯直工位前方增設(shè)了采用仿形打磨機的預(yù)打磨工位，必須確保預(yù)打磨作業(yè)沒有磨到鋼軌頂面的母材;④焊接接頭經(jīng)過24 h以上的時效處理。

5.2 矯直工位平直度控制值

5.2.1 鋼軌頂面平直度

以焊縫為中心1 m范圍內(nèi)，鋼軌頂面的接頭平直度曲線應(yīng)呈上拋物線型，焊縫兩側(cè)鋼軌頂面平直度曲線的斜率應(yīng)該控制在0.26‰～0.66‰之間(圖6中的上限和下限之間)。測量曲線允許存在個別的高點或低點，不計推凸余量。

圖6 矯直工位控制的軌頂面平直度合格范圍(不計推凸余量)

同時滿足以下三個要點，可判斷矯直結(jié)果合格:①曲線呈上拋物線型，焊縫位置為拋物線頂點;②焊縫兩側(cè)100 mm位置的矢量值不小于0.1 mm;③焊縫兩側(cè)200 mm位置的矢量值不大于0.2 mm(見圖6中的豎直長劃線與上限交點的縱坐標(biāo))。

5.2.2 軌頭側(cè)面工作邊平直度

以焊縫為中心1 m范圍內(nèi)，軌頭側(cè)面工作邊平直度測量曲線應(yīng)基本水平或呈下凹形(不計推凸余量)，如圖7所示，測量曲線分布在上限和下限之間時合格。

圖7 矯直工位控制的軌頭側(cè)面工作邊平直度合格范圍(不計推凸余量)

5.3 錯誤作法的糾正

1)矯直前，不應(yīng)對軌頭焊筋進行預(yù)打磨，因為打磨焊筋很容易磨到兩側(cè)的鋼軌母材，接頭經(jīng)矯直后，母材磨虧處出現(xiàn)局部低塌，見圖8。焊接工位應(yīng)及時保養(yǎng)調(diào)整推凸刀，控制推凸余量，盡量不采用仿形打磨機進行預(yù)打磨;如果不得不進行預(yù)打磨，應(yīng)在矯直工位后進行。

圖8 預(yù)打磨將鋼軌頂面磨虧，矯直后的平直度

2)不應(yīng)用矯直的方法糾正接頭錯邊，因為橫向墊塊距離較近時，容易將接頭矯斷或矯裂。應(yīng)檢查矯直前平直度測量曲線，如果接頭錯邊量超過0.2 mm，將接頭判廢。

6 焊接接頭打磨

6.1 精磨條件

精磨作業(yè)前，必須保證焊接接頭符合以下條件:①軌頭推凸余量不超過1 mm;②接頭錯邊量不超過表3規(guī)定的最大允許值;③焊接接頭經(jīng)過了矯直，矯直后平直度在圖6所示范圍內(nèi)。

6.2 精磨方法

應(yīng)采用精磨機對焊接接頭進行外形精整(精磨)。精磨的對象主要是焊筋，精磨長度越短越好，最長不應(yīng)超過焊縫兩側(cè)各450 mm限度。限制打磨長度，目的是保留平直度測量基準(zhǔn)，超范圍打磨后，在1 m范圍內(nèi)測量平直度可能是合格的，但沒有消除軌道在方向上的整體不平順，見圖9。

圖9 超范圍打磨不能消除軌道整體在方向上的不平順

6.3 精磨工位平直度控制值

精磨以后的焊接接頭，焊筋已經(jīng)被打磨平整，在精磨工位上，測量以焊縫為中心1 m范圍內(nèi)的平直度，計入推凸余量，其測量結(jié)果(曲線)應(yīng)該在圖6所示范圍內(nèi)。

6.4 糾正錯誤方法

1)槽型打磨，輔助修磨。圖10所示的精磨效果是錯誤的，原因是精磨機的進刀深度沒有調(diào)整好，GESMAR公司的MAS150型精磨機進給量控制改成光控后，容易出現(xiàn)這種槽型打磨效果;采用聲控則不會出現(xiàn)槽型打磨現(xiàn)象。出現(xiàn)槽型打磨后，如果再采用人工修磨的方式將槽型端部的臺階打磨平，容易出現(xiàn)低接頭或超范圍打磨現(xiàn)象。正確作法是調(diào)整好精磨機砂輪的進給深度。出現(xiàn)槽型打磨效果后接頭判廢，不應(yīng)修磨。

2)砂輪“讓刀”。軌頂面平直度測量曲線如圖11所示時，是精磨機砂輪出現(xiàn)了“讓刀”現(xiàn)象，需要及時調(diào)整壓力。

圖10 槽型打磨

圖11 精磨時砂輪“讓刀”后的軌頂面平直度

7 采用電子平直尺測量焊接接頭平直度

采用電子平直尺測量鋼軌焊接接頭平直度可以保證測量結(jié)果客觀、準(zhǔn)確，電子平直尺能夠反映接頭的真實情況，間接考察焊接生產(chǎn)作業(yè)過程是否正確。

對電子平直尺測量結(jié)果進行評判，目前還沒有相關(guān)準(zhǔn)則，本文提出了測量條件、測量作業(yè)過程要求，分析了幾種常見外觀質(zhì)量失格的原因，提出了評判準(zhǔn)則。

7.1 測量條件

①測量前應(yīng)檢查鋼軌焊接接頭外形精整的長度，外形精整的長度不應(yīng)超過焊縫中心線兩側(cè)各450 mm限度;②應(yīng)在鋼軌溫度接近設(shè)計鎖定軌溫范圍時測量鋼軌焊接接頭平直度，記錄測量時的軌溫。

7.2 測量作業(yè)

①測量作業(yè)應(yīng)按照《SEC電子平直尺使用說明書》執(zhí)行，測量人員應(yīng)經(jīng)過專門的培訓(xùn);②測量作業(yè)應(yīng)輸入符合《鋼軌焊接接頭標(biāo)識規(guī)則》的接頭標(biāo)識號。

7.3 測量結(jié)果分析

結(jié)合生產(chǎn)實際，介紹最常見的四種平直度不合格曲線(矯直不合格、接頭錯邊超標(biāo)、低接頭和超范圍打磨)。

1)矯直不合格。見圖12，軌頂面平直度不合格原因是矯直不到位，圖12中的點劃線是矯直后、精磨前的平直度曲線，可見上拱量峰值接近1 mm(見點劃線交點處的縱坐標(biāo))，斜率達2‰，列車在快速運行時將會“砸”這個接頭，圖中實線顯示的上拱量最大值0.24 mm，貌似合格，其實是不合格的，因為這個0.24 mm是磨出來的，而不是矯出來的。當(dāng)采用鋼軌平尺加塞尺測量的平直度與電子平直尺測量結(jié)果相差較大時，很多屬于這種情況。圖13所示的軌頂面平直度，盡管峰值是0.2 mm，但因矯直和打磨作業(yè)錯誤，因此平直度也是不合格的。

2)接頭錯邊超標(biāo)見圖14，不合格原因是接頭頂面存在錯邊，錯邊量超標(biāo)并且處理方法不當(dāng)，這個接頭應(yīng)該在焊接工位就切掉重焊，不應(yīng)該用打磨方法糾正。

3)超范圍打磨。圖15所示測量曲線看起來很好，但這個接頭是不合格的，該接頭存在嚴(yán)重的超范圍打磨現(xiàn)象，見圖16。在以焊縫為中心1.5 m范圍內(nèi)把鋼軌磨得很光，1.5 m以外的鋼軌還是折線形(矯直不當(dāng))。所以，用SEC電子平直尺測量前必須首先檢查接頭打磨長度，對超范圍打磨的接頭直接判不合格。

圖12 矯直不合格

圖13 錯誤矯直產(chǎn)生的低接頭

圖14 用打磨方式處理超標(biāo)接頭錯邊的效果

圖15 超范圍打磨接頭測量的平直度曲線

7.4 評判準(zhǔn)則

①鋼軌焊接接頭在以焊縫為中心的1 m范圍內(nèi)，軌頂面平直度測量曲線應(yīng)呈上拋物線型，軌頭側(cè)面工作邊平直度測量曲線應(yīng)基本水平或呈下凹形;②對于擬鋪設(shè)到設(shè)計速度>200 km/h線路上的鋼軌焊接接頭，軌頂面平直度測量曲線應(yīng)處于圖6所示范圍內(nèi)(測量曲線位于上限與下限之間為合格);③對于擬鋪設(shè)到設(shè)計速度>200 km/h線路上的鋼軌焊接接頭，軌頭側(cè)面工作邊的平直度測量曲線應(yīng)處于圖7所示范圍內(nèi)(測量曲線位于上限與下限之間為合格);④測量曲線允許存在個別高點或低點。合格案例見圖17。

圖16 超范圍打磨的接頭照片

圖17 軌頂面平直度曲線合格案例

8 結(jié)語

鋼軌焊接接頭的平直度主要控制要點有:①焊前逐根檢查鋼軌，選用幾何尺寸、軌端平直度、端部扭曲不超標(biāo)的鋼軌;②焊前除銹采用機械化自動除銹，在滿足導(dǎo)電要求的前提下，盡量減少對軌面的磨削深度;③焊接工位認(rèn)真檢查、嚴(yán)格控制接頭錯邊，錯邊超標(biāo)的接頭堅決切掉，不應(yīng)采用打磨方法或熱矯直方法糾正超標(biāo)的接頭錯邊;④ 依靠焊機設(shè)備精度，保證焊接接頭的外觀精度;⑤在符合矯直條件的情況下，正確進行矯直作業(yè);⑥在符合精磨條件的情況下，正確進行精磨作業(yè)，精磨長度越短越好，不應(yīng)超范圍打磨;⑦正確采用電子平直尺測量焊接接頭平直度，依據(jù)評判準(zhǔn)則評價焊接接頭，正確分析失格原因;⑧哪個工位質(zhì)量檢查不合格，就應(yīng)在該工位解決，不應(yīng)在后續(xù)工位糾正。

［1］陳朝陽，張銀花，周清躍，等.我國不同鋼軌技術(shù)條件的對比研究［J］.鐵道建筑，2008(9):98-101.

［2］高建敏，翟婉明，徐涌，等.既有干線軌道不平順區(qū)段管理長度分析［J］.鐵道建筑，2009(5):105-108.