現代有軌電車槽型軌鋁熱焊接技術與應用

殷立達 朱文杰 王幫焱 崔成林 高松福

(1.北車建設工程有限責任公司 北京 100078;2.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所 北京 100081)

現代有軌電車槽型軌鋁熱焊接技術與應用

殷立達1朱文杰1王幫焱1崔成林2高松福2

(1.北車建設工程有限責任公司 北京 100078;2.中國鐵道科學研究院金屬及化學研究所 北京 100081)

以沈陽市渾南新區現代有軌電車工程為例，研究針對槽型鋼軌所采用的鋁熱焊接技術。由于槽型鋼軌軌頭存在凹槽，與常用鋼軌差別較大，以往沒有成熟的槽型鋼軌焊接方法。根據59R2槽型鋼軌的斷面特點，設計了一個與凹槽相吻合的砂塊，將該砂塊填充在槽型鋼軌的凹槽內，并開發了相應的砂型結構，從而解決了采用鋁熱焊接方法焊接槽型鋼軌時凹槽焊接難以處理、焊接后打磨不易的難題。通過試驗，測試59R2槽型鋼軌鋁熱焊接頭靜彎強度、疲勞性能、硬度、金相組織等指標;測試結果表明，這些測試指標均能滿足技術要求。實踐證明，槽型鋼軌鋁熱焊接技術應用于沈陽現代有軌電車軌道焊接，施工速度快，焊接接頭質量可靠。

現代有軌電車;槽型鋼軌;鋁熱焊接;焊接接頭;性能研究

1 研究背景

現代有軌電車具有節能、環保、投資少、建設周期短、景觀效果好的優點［1－2］，是城市軌道交通發展的新方向［3－6］。

沈陽市渾南新區現代有軌電車項目是我國首次大規模建設的現代有軌電車軌道交通線網。線路軌道采用槽型鋼軌鋪設，焊接為無縫線路，以減小車輛運行時的振動和噪聲，增加旅客舒適性。現代有軌電車軌道需要將鋪設的25 m鋼軌焊接在一起，但是由于槽型鋼軌軌頂凹槽的存在，焊接難度大。目前，我國沒有針對槽型鋼軌成熟的鋁熱焊接技術。

根據鋼軌鋁熱焊接基本原理和槽型鋼軌斷面特點，設計了適合于槽型鋼軌的鋁熱焊接技術，并進行接頭性能測試和槽型鋼軌鋁熱焊接技術的現場應用。

2 槽型鋼軌鋁熱焊接技術

2.1 鋼軌鋁熱焊接技術原理

鋼軌鋁熱焊接就是將鋁粉、氧化鐵和其他合金添加物配制成的鋁熱焊劑放在特制的反應坩堝中，用高溫火柴點燃引發鋁熱反應。在反應過程中，生成大量的熱熔化合金添加物，與反應生成的鐵形成為鋼液，由于其密度大，沉于坩堝底部;反應生成的熔渣較輕而浮在上部。在很短時間內，高溫的鋁熱鋼水熔化坩堝底部的自熔塞，澆注到與鋼軌外形尺寸一致的由砂型和局部預熱待焊鋼軌形成的封閉空腔中;同時鋁熱鋼液本身又作為填充金屬，與熔化的鋼軌共同結晶、冷卻，將兩段鋼軌焊成整體［7］，其原理如圖1所示。

圖1 鋼軌鋁熱焊接原理

2.2 槽型鋼軌鋁熱焊接設計

槽型鋼軌頂面有一個凹槽，如圖2所示。但是，目前鋼軌鋁熱焊接技術僅適合于鋼軌頂部平直條件下的焊接，無法實現鋼軌頂部存在凹槽時鋼軌焊接。如果采用現在砂型結構，焊接完成后凹槽內會留有大量的焊接金屬。由于凹槽空間狹小，極難進行凹槽內多余金屬的打磨，為了免去凹槽內焊接金屬的打磨，通過在槽型鋼軌凹槽內設置一個U型砂型塊的方法，如圖3所示，實現對槽型鋼軌的焊接。

圖2 槽型鋼軌

圖3 軌頂設置的砂塊模型及實物

在原有鋼軌鋁熱焊接砂型結構的基礎上，在槽型鋼軌的凹槽內設置一個與其形狀相吻合的耐高溫砂塊。在焊接完成后，砂塊與焊接金屬可輕易剝離，用手錘即可實現清理，從而保證焊接完成后軌頂面凹槽的形狀，實現對槽型鋼軌的焊接，而且凹槽內部也無需打磨，解決了凹槽內部打磨困難的難題。圖4所示為焊接完成后接頭表面。

圖4 焊接后接頭形貌

2.3 槽型鋼軌鋁熱焊接工藝

2.3.1 鋼軌準備和調節

焊接前檢查待焊鋼軌端部情況，并使用鋼絲刷或者角磨機清理鋼軌兩個端頭。

將待焊軌縫兩端鋼軌3個以上軌枕上的扣件、橡膠墊板等拆除，調節兩端鋼軌之間的間隙至28～30 mm。通過調節使兩軌底和兩軌頭側面平齊，焊縫起拱高度為1.5～2 mm。

2.3.2 裝卡砂型

清理砂型的浮砂。通過研磨U型砂塊使其與鋼軌的U型槽緊密貼合。安裝砂型及砂型卡具，封泥。

2.3.3 預熱、點火及澆注

將預熱器加熱嘴底部與軌頂面間的距離調節到65±1 mm。點燃并調節火焰，焰心長度調節至24～26 mm。預熱至兩鋼軌端面通紅，溫度達到800～1 000℃。預熱進行至最后時，立即將裝有焊劑的坩堝放置到砂型上方。點燃高溫火柴，將坩堝蓋蓋上。焊劑反應結束后，鋼水會自動注入型腔內，焊劑反應形成的熔渣會流入接渣斗中。

2.3.4 開箱和推瘤

澆注結束后6 min，將砂型側模及底板托拆除。澆注結束后8.5 min，將焊后軌頭多余部分用推瘤機進行推瘤。

2.3.5 打磨和探傷

在推瘤完成后，可以立即進行粗打磨。粗打磨后應進行接頭表面清理，以便于探傷工作的進行。探傷合格接頭應進行精打磨。

3 接頭性能

依據沈陽市現代有軌電車軌道系統專用槽型鋼軌鋁熱焊接技術條件，進行59R2槽型鋼軌鋁熱焊接頭的性能檢驗。檢驗項目有靜彎、斷口、疲勞、硬度、拉伸和金相組織檢驗，靜彎檢驗采用YY－200A液壓式壓力試驗機進行，硬度檢驗采用HBE3000布氏硬度計和HRV－150AT光學洛氏硬度計進行，疲勞檢驗采用PMS－500屏顯式液壓脈動疲勞試驗機進行。檢驗結果如下。

3.1 靜彎試驗

靜彎試驗的支距為1 m，焊縫居中，焊縫中心承受集中載荷，接頭加載直至斷裂。其中8根軌頭受壓，2根軌頭受拉，共測試10根鋼軌接頭。

焊接接頭在軌頭受壓狀態下靜彎載荷分別為1 136、1 130、1 125、1 131、1 138、1 136、1 127 和1136 kN，其中最小承受載荷為1 125 kN;在軌頭受拉狀態下，靜彎載荷分別為1 213、1 219 kN。這證明接頭焊合良好，能夠承受較大的載荷。此外，接頭撓度均大于15 mm，證明接頭具有一定的韌性，可靠性良好。

3.2 疲勞試驗

焊接接頭疲勞試驗支距為1.0 m，載荷Fmin=60 kN，Fmax=300 kN。載荷作用于支距中央的焊縫處，軌頭向上。試驗頻率f=5 Hz，應力循環系數 r=0.2。

連續測試3根鋼軌鋁熱焊接頭，所有接頭均循環加載2×106次，未斷裂，說明接頭具有良好的抗疲勞斷裂性能。

3.3 拉伸性能

對焊接接頭試件取樣進行拉伸試驗，取樣位置如圖5所示。焊接接頭拉伸試樣直徑為6 mm，試驗結果見表1。

圖5 拉伸試樣的取樣位置

表1 焊接接頭的拉伸試驗結果 MPa

接頭軌頭和軌底部位抗拉強度高，均大于820 MPa。接頭在這些部位焊合良好，且焊縫金屬性能高。接頭軌腰上部抗拉強度相對較低，為802 MPa，證明接頭在軌腰部位焊縫金屬性能相對較差，這是由于鋼軌軌腰部位斷面較小、焊縫凝固收縮時易在軌腰部位產生細微的凝固缺陷。

3.4 硬度試驗

3.4.1 焊縫硬度

對焊接接頭試件取樣測試焊縫硬度。焊縫硬度試驗在軌頂面焊縫中心橫向位置(見圖6)進行，檢測3點布氏硬度，計算平均硬度值，記為焊縫硬度;在焊縫兩側母材上按圖示位置分別檢測3點，計算平均硬度值，記為母材平均硬度HB。

圖6 焊縫布氏硬度試驗位置

焊縫金屬硬度為291 HB，而母材金屬硬度為304 HB，可見焊縫硬度與母材硬度匹配良好，有助于保證長時間運行后，焊縫和鋼軌母材有相近的磨耗量，保證接頭平順。

3.4.2 軟化區寬度

對焊接接頭試件取樣測試軟化區寬度。取焊接接頭縱向斷面(見圖7)，在一條距軌頂面4 mm的縱向線上檢測洛氏硬度，從兩側熔合線開始逐漸延伸至未受熱影響的母材20 mm處，測點間距為2 mm，采用HRC標尺。

圖7 軟化區寬度試驗及顯微組織取樣位置

將所得到的硬度測量值記錄在圖8上，在未受影響的鋼軌母材上測量不少于10點硬度值，計算平均硬度值，以直線的形式標在硬度曲線圖上(見圖8中線1)。將線1向下平移1.5硬度值，即得到軟化區寬度測量線(見圖8中線2)。兩側軟化區寬度測量結果分別是9.0和 7.0 mm。

圖8 軟化區寬度測量結果

3.5 顯微組織

對焊接接頭試件取樣測試顯微組織，取樣位置見圖7的陰影部位，箭頭指向面為觀察面，軌頭2處，軌底1處。

試驗結果如圖9，焊縫和熱影響區顯微組織為珠光體和少量鐵素體，未見異常組織。微觀上接頭金屬組織正常，性能穩定，對保證接頭性能穩定是有利的。

4 應用與討論

沈陽渾南新區現代有軌電車項目線路設計總長60 km，軌道鋪設采用歐標59R2槽型鋼軌，鋼軌焊接全部采用鋼軌鋁熱焊接方法。鋼軌鋁熱焊接技術具有接頭質量穩定，施工設備簡單，作業時間短，焊接占用空間小的特點，可實現施工現場多工作面同時施工，極大地保證了工程質量和施工進度，為現代有軌電車無縫軌道的建設提供保障。

圖9 焊縫金屬顯微組織

［1］上海市城市綜合交通規劃研究所.現代有軌電車在上海發展研究［R］.上海：上海市城市綜合交通規劃研究所，2007.

［2］劉翠艷，方力，郭志方，等.對我國城市有軌電車技術發展的思考［J］.城市軌道交通研究，2000(1)：21 －23.

［3］東南大學交通學院.有軌電車在南京地區的適應性研究［R］.南京，2007.

［4］王建.試論有軌電車與輕軌系統的相互關系［J］.城市交通，2004(3)：25－27.

［5］楊敏，陳學武，王煒.城市快速公交(BRT)應用的可行性分析［J］.現代城市軌道交通，2006(4)：81－84.

［6］程文毅，郭謹，劉劍鋒.輕軌技術的發展及其在我國的應用前景［J］.山西科技，2006(1)：17－19.

［7］高松福，崔成林，高振坤，等.起重軌道鋼軌鋁熱焊接技術［J］.起重運輸機械，2008(5)：46 －49.

Analysis and Application of Thermit Welding Technology for Groove Rail of Modern Trams

Yin Lida1Zhu Wenjie1Wang Bangyan1Cui Chenglin2Gao Songfu2
(1.CNR Construction Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100078;2.Metal and Chemical Institute of China Academy of Railway Science，Beijing 100081)

Shenyang Hunnan modern tram project is the first modern tram rail transit network in China.Groove rail was adopted in the line project for laying CWR track.However，due to the groove in the rail head，no mature rail welding method was available for groove rail.According to the characteristics of 59R2 groove rail section，a sand block which matches the shape of groove of the rail was designed to solve the difficult problem of groove welding and grinding.Test of slow bend strength，fatigue performance，hardness，metallographic structure，etc.were performed on 59R2 groove rail welding joints，and the results showed that all the performance can meet the technical requirements.The groove rail thermit welding technology was applied in Shenyang modern tram rail welding project and demonstrated its stable quality and convenient construction.

modern tram;groove rail;thermit welding;welding joint;performance study

U482.1 TG457

A

1672－6073(2014)02－0122－04

10.3969/j.issn.1672 －6073.2014.02.031

2013－07－23

2013－08－07

殷立達，男，高級工程師，從事現代軌道交通技術研究，yld1030@163.com

(

馮 超)