精密轨道工程QU-100A钢轨焊接技术研究

张伟靖 孙 颖 孙春莹 闫成辉

(1.63870部队; 2.中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西 西安 710100)

1 工程概况

精密轨道工程全长6 000 m，起止端部各30 m为钢轨锚固区钢筋混凝土整体道床结构，中部5 940 m采用15 m钢筋混凝土简支箱梁结构。轨道主体包括钢轨、扣件组、端部锚固器组三部分。轨道采用QU-100A起重机轨、材质为U71Mn镇静钢制造，钢轨五个面经过刨床精加工而成，加工精度要求轨顶相对于中心平面的垂直度小于0.2 mm、轨头五个加工面左右侧面与顶面垂直，轨头宽度和轨头侧面厚度尺寸小于0.1 mm、两侧面沿钢轨横向的直线度不大于0.02 mm，对顶面的垂直度不大于0.05 mm，钢轨单根长度为12 m左右，共计252个焊头。

目前，国内钢轨的焊接方法主要有闪光焊、铝热焊、气压焊、电弧焊、电子束焊等，根据本工程的精度要求、工地的现场情况和焊接特点选用气压焊接技术。

轨道焊接质量要求，焊接强度要求达到母材的90%以上，焊接断面全部熔通，不得出现焊接断面不完整的现象。并对焊缝进行铣切处理，确保焊缝左右各200 mm，总长400 mm范围内轨顶面和两个侧面的直线度0.1 mm，扭转不大于0.05 mm。所有焊接断面全部做探伤试验。

2 钢轨焊接技术方案

2.1 钢轨进场检验

1)对进场的钢轨进行全面的外观检验(包括加工运输、堆放过程造成的损伤、变形等)，确保钢轨完好。

2)验证检验焊接工艺，焊缝打磨探伤等操作工艺，以保证焊接的质量。

3)采用同类型焊接工艺焊接钢轨试件，所有试件先探伤检测合格后，落锤试验15个、拉伸1个、静弯10个、疲劳3个、冲击1个、硬度2个等质量检测，检测结果符合设计要求后方可进行焊轨作业施工。

4)钢轨的型式检验采用50 kg/m的标准轨为依据(QU-100A钢轨为起重机轨的惯性矩值接近50 kg/m的标准轨)，即钢轨落锤试验为1 t重锤高度2.5 m两锤不断或4.2 m一锤不断；静弯轨头受压F≥1 200 kN、轨头受拉F≥1 300 kN不变形；疲劳Fmin=70 kN,Fmax=345 kN,荷载循环次数2×106不断；拉伸R≥880 MPa；冲击不小于6.5 J；硬度应满足测试应满足0.95HP≤HJ≤1.05HP，HJ1≥0.8HP,W≤20 mm；显微组织及晶粒度，焊缝、热影响区：珠光体，可出现少量铁素体；不应有马氏体、贝氏体和魏氏组织，焊缝及热影响区晶粒度应不小于6级；断口，无未焊合、过烧、夹渣缺陷；可存在少量光斑：单个面积不大于8 mm2，光斑总面积不大于50 mm2。

2.2 钢轨焊接工艺流程

1)钢轨焊接工艺原理。

将钢轨清洁完成后，利用气体火焰加热钢轨贴合端面，当钢轨开始产生塑性变形时，端面的金属此时具有一定的活化能，可实现通过粘合面产生扩散，此时即可进行贴面的加压顶锻，也就是在高温、高压的条件下，对焊接面施加压力，使两贴合的焊接面间距减小到原子间相互作用的半径大小，保证分子金属键可完全连接，该过程即为再结晶过程，完成上述操作后，即可得到焊接接头。

2)小型气压焊机工艺流程。

作业准备→轨端处理→钢轨固定→安装加湿器→点火焊接→推凸→正火→焊缝打磨及矫正→焊缝检查及探访。

2.3 钢轨焊接作业

1)钢轨焊前的准备。

a.首先对各操作设备能否正常工作进行检查，如高压泵运行、压接机、加热器等，同时查看整个系统内水、油、气等通路有无阻塞现象，且保证系统内气体量满足要求。

b.对推凸设备的零部件灵活度进行查看，且保证刀刃无故障，若设备各方面都满足操作要求，则将底刀、刀体、后垫放置在合适位置，备用。

c.测量工具：轨温计、秒表、钢直角尺、道尺等。

d.人员安全情况、安全防护等各项检查。

2)钢轨焊前打磨端面。

打磨端面之前，需对端面进行清洁，通过清洗剂、钢丝刷将钢轨表面的锈迹、油污等清理干净，打磨时，首先利用机械进行，若机械打磨后部分区域不合格，则通过人工利用锉刀进行打磨，保证待焊接端面与钢轨纵端轴线垂直，当端面粗糙程度满足标准时，即可完成打磨，但金属表面被打磨后其金属键很容易产生变化，活泼程度较高的金属键很容易与氧气结合，影响焊接的正常进行。所以金属面在打磨完成后，需在最短时间内完成焊接，防止端面打磨后金属产生氧化。

3)钢轨对接。

在待焊的钢轨一侧上扣放好压接机，把轨缝调节到1 mm～3 mm，太小的轨缝，可能由于轨道温度上升时，钢轨产生热膨胀现象，使轨缝逐渐减小，从而影响了焊接；若轨缝过大，将会导致压接机无法完成顶锻。

固定对接过程中，需保证已经打磨的端面不被污染、划伤，且固定轨顶螺栓时需保证母材不受损，钢轨固定完成后，即可预顶，将压力设置为24 MPa，避免打滑。

4)安放加热器。

依据操作标准将加热器放置到合适位置，将火孔平面、钢轨平面间距设置为24 mm～25 mm，保证加热器火孔所处平面与钢轨纵轴平面垂直，且安装加热器时，避免焊缝内进入水滴。

5)推凸装置的安放。

安装推凸设备前，还需对该设备各部分零配件是否能灵活运行进行检查，钢轨、推刀刃口间距标准为：轨腰1.5 mm～2 mm；轨底1.5 mm～2 mm;轨头1 mm～1.5 mm。可将设备的安装划分为刀垫、前刀体两部分。

6)钢轨点火焊接。

开始焊接前，需对焊接工具、安全防护等各方面是否吻合要求进行检查；一切工作准备就绪后，可点火焊接。燃气燃烧比例见表1。

表1 燃烧比例

点火时，焊缝距离点火位置较近时，可能污染焊缝隙，因而要将加热器摇至远离焊缝的位置。根据上表中的比例将燃烧气体混合后，静置3 s～4 s，当混合气体喷出后，即可进行点火，然后将加热器转移到焊缝处，摆动加热。焊接过程中，其摆动量设置见表2。

表2 焊接时采用的摆动量

燃烧气体参数:

a.气体出口压力：O2：0.5 MPa～0.6 MPa；乙炔：0.16 MPa～0.17 MPa。

b.气体流量：O2：4.0 m3/h～5.2 m3/h；乙炔:5.0 m3/h～5.2 m3/h。

持续加热使轨端表面温度为1 350 ℃～1 400 ℃、内芯温度达到1 250 ℃时，轨端开始可产生塑性形变，此时可进行顶锻操作，操作过程中防止产生欠热、过烧。温度检测采用红外线测温仪。

7)加热及顶锻。

当轨端加热后呈塑性状态时，给轨端施加顶紧压力45 MPa，钢轨互相挤压进28 mm～32 mm时熄火，熄火后再继续顶2 mm，促使钢轨端头连接，焊接时，顶锻、加热具有相关性，两者关系见表3。

表3 加热与顶锻关系

顶锻距离可设置为30+2 mm，若实际顶锻时该距离满足标准，即可将加热器熄灭，然后继续顶进2 mm，顶锻完成。

8)钢轨焊瘤的推除。

顶锻结束后，即可将加热器熄灭，把时间控制在10 s～15 s内的范围，用焊机上的附加推除刀(当轨温为1 250 ℃～950 ℃时)，将焊接凸出的大部分焊瘤推除，留余1 mm～1.5 mm的量。推凸过程中压接机油缸应该有不小于90 mm的工作行程，装刀时间不超过10 s。

9)钢轨焊后处理。

采用正火热处理焊后钢轨，不但可增强焊缝处的强度，而且适当减少一部分内应力。推除焊瘤后，等焊缝区温度降到300 ℃以下时，立即开始正火。正火时，再次用焊接加热器给焊缝加热，使用弱碳化焰。以焊缝为中心摆动加热器，摆动总宽为60 mm。当加热后焊缝温度升到850 ℃～920 ℃时，熄火，静置使其自然冷却，开始加热时，可将其摆动限值设置为焊疤外1 mm～2 mm，设置摆动频率为40次/min，摆动过程中，经过焊缝时应加快速度，到达两端时，可停留一定的时间，时间控制在：1′30″。正火时，需采用表4所列燃气燃烧比进行正火作业。

表4 正火燃烧比

10)焊缝打磨及探伤。

焊瘤推凸除瘤时留有一定的凸出量，虽经焊后处理，焊缝处却不能与原钢轨纵断面平齐，钢轨截面的突变不利于应力的传递，产生断裂，若依焊接时，若焊缝出现凸起，需进行打磨，主要打磨区域为两侧工作面、轨脚面、轨低平面、轨头顶面等，打磨后的钢轨应达到以下要求:

a.焊缝左右各200 mm，总长400 mm范围内，轨顶面和两个侧面的直线度为0.1 mm，扭转度不大于0.05 mm。

b.钢轨焊接后标记编号，编号应标记齐全，字迹清楚，记录完整。记录内容包括：天气、气温、轨温、焊轨技术参数等。

c.对焊缝进行全面超声波探伤(以轨底两角为重点)，探伤时钢轨温度不超过50 ℃。按编号做好探伤记录。若发现内、外伤应及时采取补救措施。

11)焊缝缺陷防止与处理。

a.操作过程中需按照相应的流程进行，根据操作标准，控制加热器，保证左右的火孔的高度相同，同时依据操作流程将加热器摆放在合适位置，使焊缝处于平行于火孔的平面上，且加热过程中，加热器摆动的幅度、频率应小于标准限值，在出去焊瘤时，不能敲打钢轨，防止敲打过程中钢轨产生塑性变形。

b.若焊接过程中产生下述现象，则停止焊接，且需对端面进行重新处理：

第一，开始焊接时，产生“放炮”现象。

第二，焊接过程中由于压接机夹轨松懈，从而产生打滑跑轨现象。

第三，加热器摆动歪斜，发生偏烤时。

第四，点火已达2 min，发现加热器未供冷水时。

3 结语

通过精密轨道工程实例，分别从钢轨焊接原理、工艺流程、焊轨作业及焊接缺陷处理等方面的论述和实践运用，实现了小型气压焊接QU-100A大截面起重机钢轨，本工程多次试验取得的参数，对后续同类工程钢轨的焊接技术有一定的指导和借鉴意义。