精密軌道工程QU-100A鋼軌焊接技術研究

張偉靖 孫 穎 孫春瑩 閆成輝

(1.63870部隊; 2.中國科學院西安光學精密機械研究所,陜西 西安 710100)

1 工程概況

精密軌道工程全長6 000 m，起止端部各30 m為鋼軌錨固區鋼筋混凝土整體道床結構，中部5 940 m采用15 m鋼筋混凝土簡支箱梁結構。軌道主體包括鋼軌、扣件組、端部錨固器組三部分。軌道采用QU-100A起重機軌、材質為U71Mn鎮靜鋼制造，鋼軌五個面經過刨床精加工而成，加工精度要求軌頂相對于中心平面的垂直度小于0.2 mm、軌頭五個加工面左右側面與頂面垂直，軌頭寬度和軌頭側面厚度尺寸小于0.1 mm、兩側面沿鋼軌橫向的直線度不大于0.02 mm，對頂面的垂直度不大于0.05 mm，鋼軌單根長度為12 m左右，共計252個焊頭。

目前，國內鋼軌的焊接方法主要有閃光焊、鋁熱焊、氣壓焊、電弧焊、電子束焊等，根據本工程的精度要求、工地的現場情況和焊接特點選用氣壓焊接技術。

軌道焊接質量要求，焊接強度要求達到母材的90%以上，焊接斷面全部熔通，不得出現焊接斷面不完整的現象。并對焊縫進行銑切處理，確保焊縫左右各200 mm，總長400 mm范圍內軌頂面和兩個側面的直線度0.1 mm，扭轉不大于0.05 mm。所有焊接斷面全部做探傷試驗。

2 鋼軌焊接技術方案

2.1 鋼軌進場檢驗

1)對進場的鋼軌進行全面的外觀檢驗(包括加工運輸、堆放過程造成的損傷、變形等)，確保鋼軌完好。

2)驗證檢驗焊接工藝，焊縫打磨探傷等操作工藝，以保證焊接的質量。

3)采用同類型焊接工藝焊接鋼軌試件，所有試件先探傷檢測合格后，落錘試驗15個、拉伸1個、靜彎10個、疲勞3個、沖擊1個、硬度2個等質量檢測，檢測結果符合設計要求后方可進行焊軌作業施工。

4)鋼軌的型式檢驗采用50 kg/m的標準軌為依據(QU-100A鋼軌為起重機軌的慣性矩值接近50 kg/m的標準軌)，即鋼軌落錘試驗為1 t重錘高度2.5 m兩錘不斷或4.2 m一錘不斷；靜彎軌頭受壓F≥1 200 kN、軌頭受拉F≥1 300 kN不變形；疲勞Fmin=70 kN,Fmax=345 kN,荷載循環次數2×106不斷；拉伸R≥880 MPa；沖擊不小于6.5 J；硬度應滿足測試應滿足0.95HP≤HJ≤1.05HP，HJ1≥0.8HP,W≤20 mm；顯微組織及晶粒度，焊縫、熱影響區：珠光體，可出現少量鐵素體；不應有馬氏體、貝氏體和魏氏組織，焊縫及熱影響區晶粒度應不小于6級；斷口，無未焊合、過燒、夾渣缺陷；可存在少量光斑：單個面積不大于8 mm2，光斑總面積不大于50 mm2。

2.2 鋼軌焊接工藝流程

1)鋼軌焊接工藝原理。

將鋼軌清潔完成后，利用氣體火焰加熱鋼軌貼合端面，當鋼軌開始產生塑性變形時，端面的金屬此時具有一定的活化能，可實現通過粘合面產生擴散，此時即可進行貼面的加壓頂鍛，也就是在高溫、高壓的條件下，對焊接面施加壓力，使兩貼合的焊接面間距減小到原子間相互作用的半徑大小，保證分子金屬鍵可完全連接，該過程即為再結晶過程，完成上述操作后，即可得到焊接接頭。

2)小型氣壓焊機工藝流程。

作業準備→軌端處理→鋼軌固定→安裝加濕器→點火焊接→推凸→正火→焊縫打磨及矯正→焊縫檢查及探訪。

2.3 鋼軌焊接作業

1)鋼軌焊前的準備。

a.首先對各操作設備能否正常工作進行檢查，如高壓泵運行、壓接機、加熱器等，同時查看整個系統內水、油、氣等通路有無阻塞現象，且保證系統內氣體量滿足要求。

b.對推凸設備的零部件靈活度進行查看，且保證刀刃無故障，若設備各方面都滿足操作要求，則將底刀、刀體、后墊放置在合適位置，備用。

c.測量工具：軌溫計、秒表、鋼直角尺、道尺等。

d.人員安全情況、安全防護等各項檢查。

2)鋼軌焊前打磨端面。

打磨端面之前，需對端面進行清潔，通過清洗劑、鋼絲刷將鋼軌表面的銹跡、油污等清理干凈，打磨時，首先利用機械進行，若機械打磨后部分區域不合格，則通過人工利用銼刀進行打磨，保證待焊接端面與鋼軌縱端軸線垂直，當端面粗糙程度滿足標準時，即可完成打磨，但金屬表面被打磨后其金屬鍵很容易產生變化，活潑程度較高的金屬鍵很容易與氧氣結合，影響焊接的正常進行。所以金屬面在打磨完成后，需在最短時間內完成焊接，防止端面打磨后金屬產生氧化。

3)鋼軌對接。

在待焊的鋼軌一側上扣放好壓接機，把軌縫調節到1 mm～3 mm，太小的軌縫，可能由于軌道溫度上升時，鋼軌產生熱膨脹現象，使軌縫逐漸減小，從而影響了焊接；若軌縫過大，將會導致壓接機無法完成頂鍛。

固定對接過程中，需保證已經打磨的端面不被污染、劃傷，且固定軌頂螺栓時需保證母材不受損，鋼軌固定完成后，即可預頂，將壓力設置為24 MPa，避免打滑。

4)安放加熱器。

依據操作標準將加熱器放置到合適位置，將火孔平面、鋼軌平面間距設置為24 mm～25 mm，保證加熱器火孔所處平面與鋼軌縱軸平面垂直，且安裝加熱器時，避免焊縫內進入水滴。

5)推凸裝置的安放。

安裝推凸設備前，還需對該設備各部分零配件是否能靈活運行進行檢查，鋼軌、推刀刃口間距標準為：軌腰1.5 mm～2 mm；軌底1.5 mm～2 mm;軌頭1 mm～1.5 mm。可將設備的安裝劃分為刀墊、前刀體兩部分。

6)鋼軌點火焊接。

開始焊接前，需對焊接工具、安全防護等各方面是否吻合要求進行檢查；一切工作準備就緒后，可點火焊接。燃氣燃燒比例見表1。

表1 燃燒比例

點火時，焊縫距離點火位置較近時，可能污染焊縫隙，因而要將加熱器搖至遠離焊縫的位置。根據上表中的比例將燃燒氣體混合后，靜置3 s～4 s，當混合氣體噴出后，即可進行點火，然后將加熱器轉移到焊縫處，擺動加熱。焊接過程中，其擺動量設置見表2。

表2 焊接時采用的擺動量

燃燒氣體參數:

a.氣體出口壓力：O2：0.5 MPa～0.6 MPa；乙炔：0.16 MPa～0.17 MPa。

b.氣體流量：O2：4.0 m3/h～5.2 m3/h；乙炔:5.0 m3/h～5.2 m3/h。

持續加熱使軌端表面溫度為1 350 ℃～1 400 ℃、內芯溫度達到1 250 ℃時，軌端開始可產生塑性形變，此時可進行頂鍛操作，操作過程中防止產生欠熱、過燒。溫度檢測采用紅外線測溫儀。

7)加熱及頂鍛。

當軌端加熱后呈塑性狀態時，給軌端施加頂緊壓力45 MPa，鋼軌互相擠壓進28 mm～32 mm時熄火，熄火后再繼續頂2 mm，促使鋼軌端頭連接，焊接時，頂鍛、加熱具有相關性，兩者關系見表3。

表3 加熱與頂鍛關系

頂鍛距離可設置為30+2 mm，若實際頂鍛時該距離滿足標準，即可將加熱器熄滅，然后繼續頂進2 mm，頂鍛完成。

8)鋼軌焊瘤的推除。

頂鍛結束后，即可將加熱器熄滅，把時間控制在10 s～15 s內的范圍，用焊機上的附加推除刀(當軌溫為1 250 ℃～950 ℃時)，將焊接凸出的大部分焊瘤推除，留余1 mm～1.5 mm的量。推凸過程中壓接機油缸應該有不小于90 mm的工作行程，裝刀時間不超過10 s。

9)鋼軌焊后處理。

采用正火熱處理焊后鋼軌，不但可增強焊縫處的強度，而且適當減少一部分內應力。推除焊瘤后，等焊縫區溫度降到300 ℃以下時，立即開始正火。正火時，再次用焊接加熱器給焊縫加熱，使用弱碳化焰。以焊縫為中心擺動加熱器，擺動總寬為60 mm。當加熱后焊縫溫度升到850 ℃～920 ℃時，熄火，靜置使其自然冷卻，開始加熱時，可將其擺動限值設置為焊疤外1 mm～2 mm，設置擺動頻率為40次/min，擺動過程中，經過焊縫時應加快速度，到達兩端時，可停留一定的時間，時間控制在：1′30″。正火時，需采用表4所列燃氣燃燒比進行正火作業。

表4 正火燃燒比

10)焊縫打磨及探傷。

焊瘤推凸除瘤時留有一定的凸出量，雖經焊后處理，焊縫處卻不能與原鋼軌縱斷面平齊，鋼軌截面的突變不利于應力的傳遞，產生斷裂，若依焊接時，若焊縫出現凸起，需進行打磨，主要打磨區域為兩側工作面、軌腳面、軌低平面、軌頭頂面等，打磨后的鋼軌應達到以下要求:

a.焊縫左右各200 mm，總長400 mm范圍內，軌頂面和兩個側面的直線度為0.1 mm，扭轉度不大于0.05 mm。

b.鋼軌焊接后標記編號，編號應標記齊全，字跡清楚，記錄完整。記錄內容包括：天氣、氣溫、軌溫、焊軌技術參數等。

c.對焊縫進行全面超聲波探傷(以軌底兩角為重點)，探傷時鋼軌溫度不超過50 ℃。按編號做好探傷記錄。若發現內、外傷應及時采取補救措施。

11)焊縫缺陷防止與處理。

a.操作過程中需按照相應的流程進行，根據操作標準，控制加熱器，保證左右的火孔的高度相同，同時依據操作流程將加熱器擺放在合適位置，使焊縫處于平行于火孔的平面上，且加熱過程中，加熱器擺動的幅度、頻率應小于標準限值，在出去焊瘤時，不能敲打鋼軌，防止敲打過程中鋼軌產生塑性變形。

b.若焊接過程中產生下述現象，則停止焊接，且需對端面進行重新處理：

第一，開始焊接時，產生“放炮”現象。

第二，焊接過程中由于壓接機夾軌松懈，從而產生打滑跑軌現象。

第三，加熱器擺動歪斜，發生偏烤時。

第四，點火已達2 min，發現加熱器未供冷水時。

3 結語

通過精密軌道工程實例，分別從鋼軌焊接原理、工藝流程、焊軌作業及焊接缺陷處理等方面的論述和實踐運用，實現了小型氣壓焊接QU-100A大截面起重機鋼軌，本工程多次試驗取得的參數，對后續同類工程鋼軌的焊接技術有一定的指導和借鑒意義。