苏州现代有轨电车槽型钢轨移动闪光焊接质量控制

李京增，李金华，李力，丁韦

(1.苏州高新有轨电车有限公司，江苏苏州215011;2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

苏州现代有轨电车槽型钢轨移动闪光焊接质量控制

李京增1，李金华2，李力2，丁韦2

(1.苏州高新有轨电车有限公司，江苏苏州215011;2.中国铁道科学研究院金属及化学研究所，北京100081)

槽型轨的标准长度为25 m，在铺设过程中需要将其焊接成无缝线路。槽型轨在铺设过程中的焊接方法是线路铺设中的一项关键技术，要求在保证焊接质量的同时，比较方便快捷地施工，不能影响施工进度。本文从移动槽型轨闪光焊机的原理、工艺试验、现场施工组织和质量控制难点等方面系统地分析采用移动闪光焊方法焊接的槽型钢轨的使用情况，为现代有轨电车无缝线路的铺设及焊接提供参考。

槽型轨 钢轨焊接 移动闪光焊 长钢轨焊接

苏州现代有轨电车轨道为埋入式轨道，采用60R2槽型钢轨，有较强的整体性，具有牢固、稳定、耐久、均衡的特点并且有足够的强度、适当的刚度和弹性。槽型轨及减振降噪阻尼材料的引进及全长无缝线路的应用不但降低了噪声，也延长了钢轨使用寿命［1-2］。

高速及普速铁路新线建设的轨道焊接方法是，在焊轨厂内用固定闪光焊将100 m定尺钢轨焊成500 m长钢轨，运至现场铺设，现场采用移动闪光焊焊接成区间无缝线路，只有岔区和胶结绝缘处不使用闪光焊接方法。闪光焊接方法及设备的可控性和稳定性保证了焊接接头的质量，很大程度上减少了线路后期维护工作量。

槽型轨的标准长度为25 m，在铺设过程中需要将其焊接成无缝线路，1 km双线160个接头，焊接工作量较大。槽型轨在铺设过程中的焊接方法是线路铺设中的一项关键技术，保证焊接质量(槽型轨铺设后的重新焊接和断轨修复难度较大)的同时，现场施工比较方便快捷，不影响施工进度。

此前，国内外槽型轨焊接主要采用电弧焊和铝热焊方法，少部分采用固定式闪光焊方法。电弧焊的时间过长，焊接一个接头需要1 h以上，并且工人的劳动强度很大。槽型轨(T62)电弧焊的接头性能良好，静弯试验接头静弯值平均达到1 510 kN;铝热焊的质量较低，静弯值一般只能达到1 200～1 300 kN，若大量使用无法保证线路质量，国外同样无法有效解决断轨问题。国外的槽型轨闪光焊较为少见，目前仅限于固定闪光焊接方法，但是该方法无法用于现场焊接。如何解决现场槽型轨高质量、快速焊接问题是国内外的普遍难题［3］。

2013年以来，中国铁道科学研究院研发了一种可以进行槽型轨现场闪光焊的焊机，其焊接方式可以实现一次铺设、连续焊接施工。这样既保证了槽型轨的焊接质量，同时也加快了施工进度，适用于大规模槽型轨的线路施工。

本文从槽型轨焊机的原理、工艺试验、现场施工组织和质量控制难点等方面系统地分析采用移动闪光焊方法焊接的槽型钢轨的使用情况。为现代有轨电车无缝线路的铺设及焊接提供参考。

1 槽型钢轨移动闪光焊机

研制槽型轨闪光焊机的最大困难是焊机的夹持方式要符合钢轨和施工工况要求。槽型轨(60R2)的轨顶宽度较大，达到了110 mm，而普通60 kg/m钢轨的宽度只有70 mm。另外，由于槽型轨自身不对称，并且在线路上左右股的方向是相反的(槽朝向里)，因此，还需要考虑如何使焊机对左右股都可以进行焊接。本文主要介绍与普通焊机相比槽型轨焊机在钳口夹持和焊后推瘤两方面的关键改进。焊机液压系统、自动化控制和配套机械结构都进行了相应的改进以满足槽型轨焊接的需要，本文不予介绍。

1.1 夹持机构

对移动式钢轨闪光焊机的钳口结构进行创新性设计，在不改变焊机钳口张开角度和夹持轴距的基础上，电极仍然采用对称结构设计。左电极和右电极结构完全对称，这样的结构为双向夹持创造了条件。在夹持槽型轨时增加一个部件——电极垫块，该部件应用于槽型轨沟槽下方轨腰一边，既可以解决槽型轨双向夹持问题(图1)，同时也解决了大尺寸轨顶难以伸入钳口的问题。

图1 槽型轨双向夹持示意

为达到上述目的，设计了新型钳口结构，将钳口夹轨端的夹轨空间尺寸加大，这样就可以将槽型轨的轨头伸入焊机的钳口。但是，由于钳口张开的角度有限，钳口合拢后轨腰部分电极无法夹住轨腰，为解决这一问题，设计了一组电极垫块，垫在电极和槽型轨之间，使得钳口通过垫块夹持住槽型轨。垫块的位置选在了槽型轨沟槽下面的轨腰部位，并且只垫在这一边。这种设计出于两方面的考虑:①使用方便，因为焊接时只需要垫一边即可;②槽型轨本身截面并非对称结构，轨头正好偏于沟槽一边，选用垫沟槽下面可以使得整体形心处于相对中间的位置，这样可以使得钳口的张开尺寸减小，比较容易实现双向夹持。垫块的另外一个目的是导电，因此设计采用了导电性能良好的材料。为了使垫块使用方便，在垫块上添加了磁性材料，这样垫块可以较为容易地放置到槽型轨的轨腰部位。

1.2 推凸机构

槽型轨闪光焊双面推凸刀如图2所示，推凸刀为双面刀刃，反方向夹持槽型轨时，只要将推凸刀另一面(即背面)对着槽型轨接头处即可。由于重力影响推凸刀会出现槽型轨上方推凸较为平，推凸余量较小，而下方推凸余量较大的现象。解决这一问题的方法是在槽型轨上的推凸刀轨头下方适当加入垫片将推凸刀架起2 mm左右，这样可以使得整个接头推凸较为整齐，不会出现上下不均匀的现象。

图2 槽型轨闪光焊双面推凸刀

现场焊机使用效果良好，焊接过程方便，1 h能完成现场焊接头4～6个。

2 工艺试验及标准

2.1 工艺参数及试验

由于截面形状较为复杂槽型轨左右不对称并且轨腰和轨底的厚度较薄。图3为60R2槽型轨和60 kg/m钢轨截面对比。60R2槽型轨截面积为7 616 mm2，60 kg/m钢轨为7 690 mm2，截面积的差距并不大，60R2槽型轨略小。60R2槽型轨的轨腰和轨脚厚度与60 kg/m差距较大。60R2槽型轨轨腰厚度为12 mm，而60 kg/m轨腰的最薄处为16.5 mm;60R2槽型轨轨脚端部厚度为8.27 mm，而60 kg/m钢轨为12 mm。总体来看，60R2槽型轨的形状特点是左右不对称，轨腰、轨脚厚度小并且高度大。这些特点导致槽型轨与普通钢轨的闪光焊工艺差距较大，难度有所提高。

图3 60R2槽型钢轨与60 kg/m钢轨截面对比(单位:mm)

对于钢轨闪光焊来说，由于轨脚较薄，焊缝不易保护，因此容易在端部形成灰斑缺陷。此外，槽型轨的轨脚厚度只有普通钢轨的70%，若进一步减小，焊接过程中轨腰和轨脚焊接热影响区容易过热软化，导致顶锻效果差，焊接质量难以保证。

灰斑产生的原因较为复杂，目前普遍认为这与过梁爆破形成的火坑有关。由于较薄的结构容易造成加热宽度加大或过热，因此在同样爆破能量下其形成的火坑就较深，形成灰斑的概率也就相应增大。综合调整焊接工艺参数是一个相对有效的方法。

调整后的焊接工艺参数如图4所示，槽型轨焊接分为阶段1～阶段8+加速烧化阶段。在每个阶段内，通过设置时间、电压、位移速度、电流和位移量来控制焊接过程，进入下一个阶段采用时间和位移双控制方法，也就是时间和位移只要有一个先满足条件，就立即进入下一阶段。这样的控制方法可以保证焊接工艺相对稳定，避免出现焊接时间过长或过短。

阶段1为闪平阶段，焊接电压适当提高，前进和后撤速度保持中速，后撤的门槛电流相对较低。试验表明，60R2槽型轨较容易闪光，因此参数不宜过大，时间缩短到25 s。虽然不能正常闪光，但必须保证不出现长时间的短路以避免出现加热不均的现象，以烧化量作为参考依据，达到烧化量后，即可完成该阶段焊接。

阶段2～阶段4为脉动闪光阶段，焊接电压应当大幅度下降，并且应当连续下降，前进速度达到2 mm/s以上，后撤速度达到1.2 mm/s以上。降低焊接电压和快速前进的主要目的是避免出现槽型轨烧化，一旦出现大幅度烧化，槽型轨的加热部分就会被白白烧掉，应当尽可能避免出现这种情况。脉动阶段由于焊接位移量很小，因此以焊接时间为主要控制节点，根据试验情况，时间分别缩短至30，20和20 s。

阶段5～加速烧化阶段为加速闪光阶段(连续闪光阶段)，加速闪光阶段为连续闪光，前期由于位移速度降低较快，因此设置分的周期很细，而后期要求闪光尽量连续，因此焊接电压要适当提高。后期的位移速度是一个关键的调节参数。以往焊接普通钢轨时，连续闪光的位移速度一般控制在0.45 mm/s以上，但是对于槽型轨，由于轨腰和轨底的厚度较薄，同样的闪光速度会导致过梁爆破的火坑过大，端部热量过高，容易产生灰斑，因此应当适当减小位移速度。

2.2 闪光焊接头检验标准

槽型轨闪光焊接目前国内外均较为少见，还没有完整的焊接接头性能检验标准，目前只能参考《钢轨焊接》(TB/T 1632—2005)。为此，中国铁道科学研究院和苏州高新有轨电车有限公司采用工艺试验数据对槽型轨闪光焊接头性能进行了大量研究［4］，制订了《城市轨道交通用槽型轨闪光焊接暂行技术条件》［5］，接头质量要求见表1。

图4 焊接工艺参数

表1 槽型钢轨闪光焊接接头质量要求(适用于60R2的U75V钢轨)

3 现场施工组织

钢轨移动闪光焊接的基本工序和流程见图5。

钢轨焊接前先在待焊接头距离端头700 mm范围内的轨腰用直向式电动砂轮机打磨除锈，同时对待焊钢轨端面进行除锈打磨和垂直度打磨处理，确保焊接质量。根据型式试验确定的参数进行钢轨焊接。正火起始温度必须＜400℃，完成后让焊缝自然冷却［6］。

用新研制的仿形打磨机对钢轨焊接接头进行精磨。用1 m直尺测量钢轨焊头的平直度，须满足表2的规定。

图5 钢轨移动闪光焊接基本工序流程

表2 槽型钢轨闪光焊接头平直度要求mm

钢轨冷却到50℃以下时对钢轨焊头进行探伤，探伤合格后进行下一个接头的焊接。一根长轨条焊接完成后再进行下一根长轨条的焊接，直到交叉口的4根长轨条全部焊接完毕并经第三方探伤检测，合格后按照设计锁定轨温进行无缝线路锁定。

4 焊接质量控制难点

4.1 接头外观质量

由于槽型轨的截面形状复杂，轧制难度较大。表3列出了两种钢轨尺寸极限公差对比结果，可以看出除了轨腰厚度外，其余三项，槽型轨公差远远大于普通标准钢轨。

表3 普通标准钢轨与槽型钢轨尺寸极限公差比较mm

在现场施工时，待焊接头两端钢轨经常出现尺寸偏差较大难以对中的情况，对接头错牙量和平直度的控制增加了难度。两轨脚较薄且较宽，特别容易扭曲，导致一侧对中正常而另一侧高低错牙较大。

钢轨尺寸偏差导致焊机钳口夹持对中经常需要通过垫电极垫块来实现，长时间使用后对焊机钳口也造成一定的伤损和变形，对钳口对中精度也产生了影响。

由于槽型轨的截面形状复杂，槽型轨焊接接头的焊后打磨比普通钢轨难，尤其是轨顶槽内的打磨。普通仿形打磨机对工作边很难打磨，需要用立式宽砂轮片的砂轮机打磨。

4.2 焊后热处理质量

钢轨焊接接头热处理可以使焊接接头的力学性能得到显著改善。接头焊后热处理质量主要受全断面温度是否达到要求且是否均匀、摆火宽度和频次的影响。由于行业内可供槽型轨使用的加热器产品还不成熟，加热的效果需要通过试验不断改进。

槽型轨闪光焊接头热处理加热器经过了温度测量和火孔调节等试验。由于槽型轨的截面形状较为复杂，火孔的分布和设置难度很大。火孔调试的主要依据有两条:①接头整个焊接全断面的各个部位加热均匀;②必须覆盖焊接热影响形成的接头软化带。

4.3 长钢轨焊接

钢轨焊接现场工况与型式检验的区别，主要是长钢轨在焊接过程中受到轨道阻力的影响，而型式检验时钢轨是处于自由状态。减少长钢轨在焊接时的运动阻力是保证焊接质量的重要因素。

50～400 m长的钢轨焊接，采用垫滚筒的方式来减少轨道阻力，必须隔10 m垫一个滚筒，待焊的长钢轨必须都垫上滚筒。

400 m以上的长钢轨焊接，采用垫滚筒+拨弯的方式来减少轨道阻力:先将待焊两钢轨拨到重叠4 cm (两钢轨错开，相比钢轨消耗有一定余量);在待焊接头离自由端钢轨的50～90 m区域往道床外面拨弯，拨弯前必须将拨弯区域外侧的扣件全部卸掉，内侧和50 m以内扣件不能卸;50 m以内钢轨隔10 m垫1个滚筒，拨弯区域垫上3根圆管，便于焊接时滑回去;在焊接过程中，3～4个工人站在拨弯区域钢轨外侧顺势往轨道槽里拨钢轨，焊接完成，钢轨应该会重新入槽。

中间插入轨第2个接头可根据自由端钢轨情况进行焊接。如果是25 m轨就用普通焊接方法;如果是50～400 m长钢轨必须垫滚筒焊;如果是400 m以上的或者已经放散完成的长钢轨，必须按照超长锁定焊接要求采用垫滚筒+拨弯的方式进行焊接。

滚筒垫在轨道钢轨和轨道板之间，轮滚动方向和钢轨拉动方向一致，不允许斜着放;垫完滚筒后，应该比较轻松就能拉动钢轨;在焊接过程中不能卸滚筒，同时检查钢轨是否被扣件或者异物别住。

接头外观、正火和长钢轨焊接是现场施工中槽型轨焊接接头质量难以控制的关键点，由于国内外移动闪光焊接槽型轨属于刚起步发展阶段，仍然需要借鉴普通60 kg/m钢轨的焊接经验，根据槽型轨工况进行调整和改进。

5 结论

1)焊机设计通过在电极和槽型轨之间垫一组电极垫块使得钳口通过垫块夹持住槽型轨。现场焊机使用效果良好，焊接过程简单方便。

2)根据槽型轨断面形状，进行针对性焊接工艺试验，依据试验数据，参考《钢轨焊接》制订了《城市轨道交通用槽型轨闪光焊接暂行技术条件》，该技术条件各项性能指标基本和《钢轨焊接》的60 kg/m钢轨相当。

3)焊接施工基本工序是焊前除锈—焊前对轨—焊接—焊后热处理—接头粗磨—接头精磨—验收(探伤和外观)。

4)接头外观、正火和长钢轨焊接是现场施工中槽型轨焊接接头质量难以控制的关键点，由于国内外移动闪光焊接槽型轨属于刚起步阶段，仍然需要借鉴普通60 kg/m钢轨焊接经验，根据槽型轨工况进行改进。

［1］上海市城市建设设计研究总院.苏州高新区有轨电车1号线工程初步设计［Z］.上海:上海市城市建设设计研究总院，2012.

［2］李京增，李力，李金华.现代有轨电车轨道结构探析［J］.现代城市轨道交通，2014(5):55-58.

［3］王灏，田振清，周楠森，等.现代有轨电车系统研究与实践［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011.

［4］李京增，胡玉堂，田甜，等.槽型钢轨闪光焊接头与铝热焊接头的性能试验研究［J］.铁道建筑，2013(6):144-146.

［5］中国铁道科学研究院金属及化学研究所.城市轨道交通用槽型轨闪光焊接暂行技术条件［S］.北京:中国铁道科学研究院金属及化学研究所，2013.

［6］陈伟国，高成钢，邹良甫.钢轨闪光焊接头热处理工装和工艺的优化［J］.铁道建筑，2014(11):167-170.

(责任审编李付军)

U213.9+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.37

1003-1995(2015)05-0147-05

2014-11-04;

2015-01-27

李京增(1983—)，男，山东临沂人，助理工程师。