LR1200焊軌車PG4焊接工藝調試

賀 頌 徐偉人 上海鐵路局科學技術研究所

我國經濟的快速發展，對鐵路運輸提出了更高的要求。重載已經成為鐵路貨運發展的必然趨勢，從而對鋼軌的性能也提出了更高的要求。特別是在大秦和神黃這類運煤專線上，每日的貨運量巨大，原有的鋼軌已無法滿足近乎苛刻的使用條件，磨耗非常嚴重。為此，北京鐵路局、太原鐵路局和呼和浩特鐵路局等單位在一些重載線路上開始鋪設特制的PG4鋼軌。目前，已經實現了PG4鋼軌的工廠焊，但現場焊還大多采用氣壓焊或鋁熱焊，所以，用LR1200焊軌車進行現場焊接PG4鋼軌，實現焊接接頭的同質等強，具有非常重要的現實意義。

1 LR1200焊軌車簡介

YHG-LR1200焊軌車是由昆明中鐵生產的自行式鋼軌閃光焊接專用設備，主要由走行系統和焊接系統組成，自帶動力可雙向行駛。焊接系統采用南車戚墅堰機車車輛工藝研究所生產的LR1200鋼軌閃光對接焊機，又可分為焊機機頭、電氣控制系統、焊接管理系統、液壓系統、冷卻系統等組成部分。

1.1 LR1200鋼軌閃光對接焊機的特點

（1）焊機機頭為懸掛式，通過夾持鋼軌軌腰進行焊接。

（2）焊機可產生較大的頂鍛力，頂鍛力最大達到1200kN。

（3）夾緊油缸具有增壓結構，水平動作，保證夾緊力不受鉗口磨損影響。

（4）焊機行程較大，達150mm。

（5）焊機有常規推瘤和保壓推瘤兩種推瘤方式。

（6）采用可編程序控制器和液壓系統實施對焊接的自動控制，可實現連續閃光焊或脈動閃光焊。

（7）焊接管理系統可以記錄焊接過程的壓力、電流、位移和電壓等焊接數據，可顯示、打印焊接曲線或焊接表格，并可自動判別焊接質量，保存焊接歷史數據。

（8）液壓系統的最大工作壓力達到22MPa，通過比例溢流閥遠程調控工作壓力。

2 PG4鋼軌簡介

PG4鋼軌由攀鋼于2008年研制成功，是針對國內重載線路的一種新軌種。它具有強度級別高、硬度高、耐磨性能好、抗疲勞性好等優點，最適應重載無縫線路、運輸量大、小半徑曲線無縫線路使用。PG4鋼材化學成分見表1。

表1 鋼軌化學成分

由于在鋼材中含碳量增加，又加入了合金元素Cr，推遲了珠光體轉變的時間，使得鋼軌在出廠熱處理后較易獲得高硬度特性。PG4鋼軌的強度和硬度，明顯高于U75V，使用壽命達到U75V熱軋鋼軌的2倍以上。但是鋼軌的斷后伸長率減小、韌塑性有所下降、可焊性降低。在實際生產應用中，PG4鋼軌表現為沖擊韌性差，脆斷，給用LR1200焊軌車進行PG4焊接工藝調試增加困難。PG4與U75V的力學性能見表2。

表2 熱軋鋼軌拉伸及踏面硬度[1]

3 PG4鋼軌焊接工藝調試

LR1200焊軌車的閃光焊接的全過程由預閃、脈動閃光、連續閃光、頂鍛、保壓、推瘤等六個主要階段組成。預閃階段的目的是實現端面的閃平和預加熱；脈動閃光階段是保證鋼軌焊接具有足夠熱量和達到足夠熱區寬度的關鍵階段。這階段由于應用脈動閃光工藝，鋼軌之間的縫隙很小，電流較大，而鋼軌的飛濺量很小，絕大部分的熱量保留在鋼軌的兩側斷面，是主要的加熱階段；連續閃光階段時端面間形成激烈的閃光，產生良好的保護氣氛，大大減少鋼軌端面被空氣氧化的機會，同時焊件端面溫度得到進一步均勻，形成完整的液態金屬覆蓋膜，為頂鍛作準備；在頂鍛階段，對焊件迅速施加足夠大的頂鍛力，使液態金屬快速從焊件端面擠出，封閉端面間隙，同時使接頭產生足夠的塑性變形，形成共同結晶；保壓階段進一步促進焊接頭再結晶的形成，獲得致密的熱鍛造組織形態；推瘤階段，把頂鍛出來的焊瘤推凸掉。

在焊接工藝參數調試中，由于PG4的可焊性較差，所需要的加熱量要比U75V、U71Mn等其他軌種更大，所以脈動階段的熱量積累一定要充分，為連續閃光階段和頂鍛階段打下良好的熱量基礎，否則容易出現冷斷口，表現為斷口平齊，如圖1所示。為此，我們通過增加了階段1和階段2的焊接時間，使加熱量增加了20%。

圖1 平齊斷口

另外，由于PG4的合金元素不易熔化，為了在頂鍛前兩端面形成完整的液態金屬保護膜并在縫隙線兩側形成一定的溫度梯度，從而防止焊接缺陷的形成，需要在頂鍛前加大鋼軌端面熱量輸入，提高閃光激烈程度。為此，我們在焊接后期適當地提高階段4、階段5和階段6的前進速度，并且設定的前進速度逐階段地升高，同時，在這些階段中的焊接電流大小應當保持適中，既不出現短路，也不出現斷路。

典型的PG4鋼軌閃光焊焊接曲線圖如圖2所示

圖2 典型的PG4鋼軌閃光焊焊接曲線圖

鋼軌的焊接質量主要由焊接頭的落錘、靜彎、疲勞、金相等試驗項目來加以檢驗，其中鋼軌的落錘檢驗非?？量?，是焊接型式試驗的重中之重。像PG4這種高碳鋼軌，在焊接完成后，焊接接頭與熱影響區之間存在較大的焊接殘余應力，接頭晶粒粗大，必須通過正火處理來消除焊接殘余應力、同時細化鋼軌晶粒，提高抗落錘能力。

鋼軌焊接接頭正火要求一般如下：

（1）焊接接頭正火前鋼軌的溫度小于500℃；

（2）鋼軌焊接接頭的加熱溫度應嚴格控制在規定范圍內；

（3）鋼軌各部位的加熱溫度應基本一致；

（4）正火加熱的熱影響區寬度必須大于焊接的熱影響區；

不同鋼種、不同焊接方法和不同焊接工藝的焊頭，具有不同的最佳正火溫度。最佳正火溫度應是在生產線上能實際應用的一個溫度范圍。當溫度過高時，奧氏體晶粒嚴重漲大，出現過熱組織；當正火溫度過低時，部分珠光體和鐵素體沒有發生奧氏體轉變，晶粒度沒有發生變化，會出現正不透現象。由于PG4鋼材材質的特殊性，對正火溫度特別敏感，現場氧乙炔正火作業最好配備測溫設備準確地控制正火溫度，PG4最佳正火溫度在950℃左右，同時，正火時擺幅大些，正火范圍寬些。

4 結束語

2012年，在北京鐵路局沙河焊軌基地，用新出廠的LR1200自行式焊軌車，通過不斷調整、摸索，累計焊接了60個接頭，通過了60kg/mPG4落錘檢驗。適當地提高焊接前期的熱量輸入和焊接后期的加速速度，焊接出來的接頭灰斑缺陷小、質量穩定性高，加以正確的焊后正火熱處理，能夠通過包括落錘項目的所有焊接型式檢驗。