（材料加工工程专业论文）高原型气压焊轨车焊轨质量研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 钢轨焊接是无缝线路建设工程中的重要环节之一，钢轨接头的焊接质量关系 到铁路行车的安全性。钢轨气压焊由于焊接质量稳定，在现场焊接中应用广泛。 青藏高原寒冷，缺氧，紫外线强，气候恶劣，人机性能低。为建设一流的高原铁 路，首先需要考虑在这种极其恶劣的自然环境条件下，采用何种焊轨关键技术进 行线路换铺无缝化改造施工，才能可靠保证焊接质量，防止出现低温脆性断轨问 题，对于填补高原地区现场钢轨焊接技术空白，提高焊轨质量水平具有重要意义。 本文研究我国自主创新研制成功的世界首台y h g q 1 2 0 0 高原型气压焊轨车 在南山口、不冻泉和纳赤台现场焊轨工艺试验，统计分析了不同的现场条件下焊 接工艺参数范围，研究现场气压焊接工艺参数与接头质量之间的关系，并跟踪了 上道服役接头质量，为今后高原地区的焊接工艺参数选择和接头质量的评判提供 了科学数据。 结果表明：y h g q 1 2 0 0 高原型气压焊轨车采用自主研发的g p w - 1 2 0 0 气压 焊轨机，焊接、热处理一机化，可在同一工位实现拉轨、焊接、保压推凸、保压 热处理连续作业，不仅效率高，而且能良好地保证焊接质量，焊轨工艺适应性强， 焊接接头型式检验一次通过；所有接头超声波探伤10 0 合格，上道服役至今无 损伤；气压焊现场线下单元焊的施工组织的方案完全满足1 2 0 分钟内焊接4 个接 头的施工要求。 关键词：钢轨；气压焊；工艺参数；质量控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h er a i lw e l d i n gi so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r t si nt h et h ec w r c o n s t r u c t i o np r o j e c t t h eq u a l i t yo fw e l d i n go fr a i lj o i n t si sr e l a t e dt or a i l w a yt r a f f i cs a f e t y h er a i lp r e s s u r e w e l d i n gi sw i d e l yu s e di nt h ef i e l dw e l d i n gb e c a u s e o fi t ss t a b l eq u a l i t y h u m a n m a c h i n ep e r f o r m a n c ei sv e r yl o wb e c a u s eo ft h ec o l da n db a dc l i m a t es t r o n gl t r a v i o l e t r a d i a t i o na n dh y p o x i ai nt i b e t a np l a t e a u f i r s to fa l l ，w es h o u l dc o n s i d e rt h a tw h i c h k e yt e c h n o l o g yo f r a i lw e l d i n gs h o u l db ea d o p t e d t o l i n ef o rl a y i n gs e a m l e s s c o n s t r u c t i o ni nt h i se x t r e m e l yh a r s hn a t u r a lc o n d i t i o n s r e l i a b l ye n s u r i n gt h eq u a l i t y o fr a i lw e l d i n ga n dp r e v e n t i n gt h ee m e r g e n c eo fl o w - t e m p e r a t u r eb r i t t l e n e s sb r o k e n r a i la r es i g n i f i c a n tt of i l lt h eh i g h l a n da r e a so n s i t er a i lw e l d i n gt e c h n o l o g yg a p sa s w e l la si m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fr a i lw e l d i n g t 1 1 i sp a p e rs t u d i e st h ef i e l do fr a i lw e l d i n gt e c h n o l o g i c a lt e s ta n dt h es t a t i s t i c a l a n a l y s i so f t h ed i f f e r e n tf i e l dc o n d i t i o n st h er a n g eo fw e l d i n gp a r a m e t e r so fc h i n a s i n d e p e n d e n ti n n o v a t i o nd e v e l o p e dt h ew o r l d sf i r s ty h g q - 1 2 0 0h i g ha l t i t u d er a i lg a s p r e s s u r ew e l d i n gc a ri nn a n s h a n k o u ，b u d o n g q u a na n dn a c h i t a i 1 1 1 i sp a p e rs t i l l s t u d i e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef i e l dp r e s s u r ew e l d i n gt e c h n o l o g i c a lp a r a m e t e r s a n dt h eq u a l i t yo f j o i n ta n dt r a c k i n go nt h es e r v i c eq u a l i t yf o rf u t u r ej o i n t t 1 1 i sp a p e r p r o v i d e ss c i e n t i f i cd a t a f o rt h ec h o i c eo fw e l d i n gt e c h n o l o g yp a r a m e t e ra n dj o i n t q u a l i t ye v a l u a t i o ni nt h ep l a t e a ur e g i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a ty h g q 12 0 0h i g ha l t i t u d er a i lg a sp r e s s u r ew e l d i n gv e h i c l e w i t hi n d e p e n d e n tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fg p w - 1 2 0 0 r a i lg a sp r e s s u r ew e l d i n g m a c h i n e ，w e l d i n g 。h e a tt r e a t m e n tm a c h i n e ，c a nb ei nt h es a m ep o s i t i o na c h i e v e db y p u l l i n gr a i l ，w e l d i n g ，p r e s s u r ep u s h i n gc o n v e x ，p r e s s u r eh e a tt r e a t m e n tc o n t i n u o u s p r o d u c t i o n ，n o to n l yh i g he f f i c i e n c y , a n dg o o dw e l d i n gq u a l i t y , w e l d i n g r a i l t e c h n o l o g ya d a p t a b i l i t y , w e l dj o i n tt y p ei n s p e c t i o n o n c et h r o u g ha l lt h ej o i n t s ； u l t r a s o n i ci n s p e c t i o no f10 0 q u a l i f i e d ，o nt h es e r v i c eh a sn od a m a g e ；g a sp r e s s u r e w e l d i n gs p o tw e l d i n gl i n e u n i tc o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o np l a nt of u l l ym e e tt h e 1 2 0 m i n u t e so fw e l d i n g4 j o i n tc o n s t r u c t i o nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：r a i l ，g a sp r e s s u r ew e l d i n g ，p r o c e s sp a r a m e t e r s ，q u a l i t yc o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 无缝线路既是铁路轨道结构技术进步的重要标志，也是高速、重载轨道结构 的最优选择，它的优越性已无可争议地为各国铁路所承认【l i 。无缝线路就是把标 准长度的钢轨焊接成长钢轨，以减少有缝接头，使线路更加平顺，从理论上讲， 钢轨的长度越长越好，这样既能减少接头的冲击和磨损，又能减轻铺设的劳动强 度 2 - 5 】。其优点在于通过减少甚至消除钢轨有缝接头，降低了列车经过接头时的 振动与冲击，减少了轨道、车轮等部件的损伤，节约维护成本的同时可提高乘客 的乘坐舒适度1 6 j 。 钢轨焊接接头是铁路线路中最为薄弱的环节之一，因此焊接已成为铁路线路 铺设过程中的关键技术环节；闪光焊、铝热焊、气压焊和强迫电弧焊是当前全世 界范围内轨道焊接领域的四种常用焊接方法p i 。气压焊是钢轨焊接的主要方法之 一，被广泛应用于新线建设和既有线换铺无缝线路施工中，其原理是通过对钢轨 待焊面进行加热至塑性或熔化状态，通过施加一定顶锻力使钢轨焊接在一起的一 种固态焊接方法。 目前市场上的气压焊设备主要分小型和大型气压焊机两类。传统的小型气压 焊机由于其自身结构条件限制，工人的操作经验显得十分重要，焊接质量受人为 因素影响概率较高，焊接质量不稳定，工人劳动强度大，使其在高速铁路钢轨焊 接方面的应用受到限制。而由交大和昆明中铁联合研制的y h g q 一1 2 0 0 焊轨车是目 前世界唯一的自行式大型成套移动式现代气压焊轨装备。该车将拉轨、焊接、保 压推凸、正火、冷却、数据采集等作业功能一体化，自动化程度高，现场施工十 分方便，完全满足现场焊接作业功能要求，焊接质量稳定可靠。2 0 1 0 年为保证 青藏线格尔木至拉萨段换铺无缝线路的项目顺利进行，对y h g q 一1 2 0 0 焊轨车进行 了改进，使其在很好的完成了换铺任务( 2 0 1 0 年7 月至2 0 1 1 年1 0 月包括工艺 调试、型式检验及现场换铺作业在内共2 8 2 个焊接接头) 。由于青藏高原地区尚 无采用大型气压焊焊轨车换铺作业的先例，因此对该车在青藏线的换铺作业进行 跟踪，采集各种焊车作业信息，并分析影响此焊车钢轨气压焊质量的因素，提出 针对该焊车的焊接质量控制措施，具有非常重要的意义和工程价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 第2 章文献综述 2 1 铁路无缝线路及钢轨焊接技术 2 1 1 铁路无缝线路概述 铁路线路是列车运行的基础，按钢轨的联接方式可分为有缝线路( 普通线路) 和无缝线路；有缝线路在接头处存在缝隙，它的存在而成为轨道结构的最薄弱环 节1 1 。 无缝线路是指将标准长度的钢轨条用焊接的方式连接并铺设的轨道线路。无 缝线路改变了轨道的连接方式，极大减少甚至消除了钢轨接头，降低了列车在接 头区的振动与冲击，延长了轮、轨等部件的使用寿命，降低了维修、养护费用， 而且提供了平滑的运行表面，使在无缝线路上型式的列车具有快速、平稳可靠、 乘坐舒适等一系列突出优点【8 l 。据美国的统计数据，无缝线路可使行车阻力4 减少，使钢轨寿命延长4 0 ，每年可节省约3 0 - 5 0 线路维修费用。无缝线 路已成为高速铁路不可或缺的轨道结构形式一j 。 钢轨长度越长，接头处所受到的磨损及冲击越少，同时长轨连接也可在一定 程度上缓解现场铺轨过程中的高劳动强度| 】0 1 。目前，我国钢轨只有2 5 m 、5 0 m 和l o o m 三种标准长度，无缝线路铺设作业过程中，一般需进行三次不同形式的 焊接【1 1 1 。第一次焊接：即基地焊，使用闪光焊机将2 5 m 或1 0 0 m 的标准钢轨在 焊轨基地焊成5 0 0 m 的长轨后出厂并运至现场；第二次焊接：现场线下单元焊， 5 0 0 m 的长轨将被焊成1 5 0 0 m 2 0 0 0 m 的长轨条；第三次焊接：锁定焊，即在轨道 上将通过线下单元焊形成的长轨条再通过锁定焊以形成区间式以及跨区间式无 缝线路【1 2 1 5 】。 铁路无缝线路在我国起步较晚，2 0 世纪五十年代才开始试铺，但是发展很 快，特别是进入2 1 世纪以来，我国铁路的新线建设和既有线提速换铺无缝线路， 有力地推动了无缝线路的技术进步，高速铁路迎来跨越式发展l 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 2 1 2 钢轨焊接技术 目前常用的钢轨焊接方法主要有以下四种：闪光焊、气压焊、钢轨强迫成型 电弧焊以及铝热焊。 钢轨闪光焊属于连续闪光对焊，主要由闪光阶段和顶锻阶段组成。其基本原 理为：将被焊的两根钢轨端面轻微接触，形成许多微小的接触点，当电流通过时 产生电阻热使接触点熔化，微小的液态金属颗粒在电磁力、蒸汽压力作用下从接 触面不断地喷射出来，形成闪光；闪光阶段完成时，钢轨局部端面熔化，此时立 即施加较大的顶锻力完成顶锻过程，使待焊钢轨联接成一体制。它适用于各类钢 轨的焊接，是无缝线路焊接主要焊接方法之一；使用闪光焊方法的焊接接头数占 无缝线路钢轨焊接接头的8 0 , - - , 9 0 1 17 1 。闪光焊热量集中，焊接速度快，生产效率 高，冶金过程较为简单且无需在焊接过程中填充金属，热影响区较小，焊接接头 质量较好且自动化程度高，受人为因素影响较小；但其设备复杂，一次性投资大， 且必须配备大功率电源，所以目前焊轨基地或焊轨厂焊轨流水线基本采用固定式 闪光焊机；常见的固定式焊机包括乌克兰巴顿焊接研究所研制的k 9 0 0 、k 1 0 0 0 系列焊机、瑞士施拉特公司研制的g a a s 8 0 系列焊机以及国内艾格机电研制的 u n 1 5 0 系列焊机。 钢轨气压焊是利用可燃气体燃烧所产生的热量将待焊接的钢轨端面加热至 高温塑性状态，然后再通过施加一定的顶锻压力实现连接目的的焊接方法。闪光 焊和气压焊都是高温塑性状态下的压力焊接，但气压焊主要用于钢轨的现场焊 接。焊接接头质量受操作人员水平、经验及施工环境影响较大是早期气压焊设备 的普遍缺点。在早期气压焊焊机的基础上，新型数控气压焊机配备了先进的控制 系统，采用了新工艺，可有效降低人为操作因素对焊接质量造成的影响，并使断轨 率大幅降低，推动了我国钢轨气压焊机机械化、自动化控制技术的发展”圳。 钢轨强迫成型电弧焊是一种特殊的钢轨焊接方法，常用于现场维修工作，用 此法焊接的钢轨接头具有与气压焊、闪光焊等方法得到的焊接接头同样优异机械 性能的：焊缝金属能的力学性能媲美母材，耐磨强度和硬度有时甚至可能超过母 材；按其不同的操作方式可分为全自动电弧焊、半自动电弧焊和手工电弧焊，其 中手工电弧焊应用最广【2 0 l ；此种钢轨焊接方法在国外已有较长的发展历史，不过 在我国应用较少，仍处于探索阶段 z 1 i 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 钢轨铝热焊是指利用置于特制坩埚容器内的铝和金属氧化物之间发生的氧 化还原反应所产生的热量熔化合金添加物形成高温液态金属，待其充满砂型型 腔，填充焊接接头间隙时，熔化钢轨待焊母材表面，冷却凝固后即完成焊接譬_ 。 铝热焊焊缝金属为铸造组织且较粗大，韧性、塑性较差。但因其投资小，设备简 单，无需电源，操作简便；材质宽容度大；接头平顺性好，所以广泛应用于锁定 焊、联合接头、断轨抢修、辙岔、既有线应力放散和日常换轨等施工作业中1 2 3 。 2 2 钢轨气压焊原理及工艺过程 2 2 1 气压焊原理 钢轨气压焊是指将钢轨待焊的端面清洁，并使两洁净端面紧密贴合，通过利 用可燃气体燃烧产生的热量将钢轨待焊接端面整体加热到塑性状态，使两贴合端 面面的金属原子具有足以跃迁贴合面发生急剧互扩散的活化能，此时再施加一定 的顶锻力，使焊缝贴合面之间的距离短到原子之间的相互作用半径，形成金属键 联接，完成重结晶，使钢轨待焊面连接在一起7 4 1 。 钢轨气压焊的优点为：焊接设备中不需要大功率电源，焊缝区没有铸造组织， 基本不会产生夹杂、气孔和裂纹等焊接缺陷，因温度梯度不陡，所以不易产生焊 接裂纹，焊接质量可靠。此方法的缺点是：焊接效率比闪光焊相对较低，对焊前 准备工作要求十分严格，焊前预焊钢轨端面的打磨、清洗对焊接质量有较大影响 【2 5 1 。 2 2 2 气压焊工艺过程 钢轨现场气压焊大多采用移动数控式气压设备，其主要工艺过程有：焊前钢 轨端头预焊表面处理一加热一顶锻( 加压) 、推瘤一焊后处理( 正火、打磨、矫 直、焊接质量检验等) 。 1 焊前钢轨断头预焊表面处理 焊前对预焊钢轨预焊端面的处理要求十分严格是钢轨气压焊的一个重要特 点，端面处理的好坏对焊接质量有着非常大的影响，此道工序是钢轨气压焊工艺 中的关键环节。首先要对待焊钢轨的导向面和行车面在焊前需进行调直处理，调 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 m m 皇曼! 曼! 曼曼曼曼鼍曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼鼍曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇! 皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼 直后用l m 型尺检查，其矢度不得超过0 3 m m 。调直后钢轨的端面应严格打磨 和精锉，去除待焊端面的氧化膜、锈垢及其它污物，使两待焊端面与其轴心线垂 直，并使其达到偏差值o 2 5 m m ，平直度o 2 5 m m 的标准1 。然后要对待焊端 面进行严格的清洗，先用四氯化碳清洗再用皮老虎吹，把油污、灰尘等有害物质 清除干净。打磨清洗完后，必须在短时间内焊接，否则要重新准备。 2 加热 气压焊对其加热所用的火焰有一定的质量和技术方面的要求，所用气体的质 量和种类对其火焰质量影响较大；并且所用气体又直接作用于被加热了的钢轨， 在高温状态下，极易在被焊钢轨端面形成金属化合物、非金属化合物，以污染物 的形式残存在焊缝金属晶粒之间，破坏了晶粒问的结合，降低了钢轨焊接接头的 强度，因此，对所用气体的选择以及对火焰的调整是保证气压焊焊接质量的重要 环节之一。 气压焊的焊接能源是气体火焰，目前我国最常用的是氧一乙炔焰，也可以使 用氧丙烷焰、氢氧焰或其它火焰。其中的乙炔、丙烷、氢气等为燃料气体；氧 气为助燃气体。氧一乙炔焰因其加热集中且具有很高的温度，目前广泛被钢轨气 压焊所采用。 氧气是气压焊的助燃气体，是无色、无味、透明的气体，分子式为：0 2 。氧 气纯度越高，其助燃的火焰温度也越高。一般气焊与气割用的工业氧气分为3 种， 对其纯度的具体要求见表2 一l 。 表2 1 焊接和切割用的氧气指标 氧气( 0 2 ) 含量( ) 水分( h 2 0 ) 含量( m l 瓶) 9 9 5 1 0 9 9 2 1 0 9 8 5 1 0 气压焊的加热焊接过程中，在高温条件下水分、杂质气体会与钢轨待焊端面 金属直接作用形成污染物，所以在钢轨气压焊中应选用一级品氧气。 乙炔是无色气体，在工业用的乙炔中，因含有硫化氢( h 2 s ) 、磷化氢( p h 3 ) 等杂物，而具有刺鼻气味。乙炔其与氧气的混合气体燃烧时所产生的火焰温度可 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 达3 0 0 0 - - 3 3 0 0 。气压焊通常使用瓶装乙炔，从瓶口放出的乙炔气应满足下列 要求：以容积来计量，硫化氢( h 2 s ) 的含量不得多于0 0 5 ；磷化氢( p h 3 ) 的 含量不得多于o 0 2 ；空气和其它杂质的含量不得多于2 1 2 s j 。 选择适当的焊接火焰是保证气压焊焊接质量的重要因素，焊接火焰的构造、 外形以及其温度分布，主要由氧气和乙炔气体流量的比值即燃烧比( 见式2 - 1 ) 决定口引。 风专 ( 式2 1 ) 式中风一燃烧比( 又称混合比) ； 矿。一氧气的体积，单位：升( l ) ； 圪一可燃气的体积，单位：升( l ) 。 氧一乙炔火焰根据两种气体不同的混合比可分为碳化焰( 氧与乙炔的体积比 小于1 1 ) 、正常焰( 氧与乙炔体积比在1 1 1 2 之间) 和氧化焰( 氧与乙炔体积 比大于1 2 ) 三种，火焰形貌及火焰的温度分布情况见图2 1 。 温麦( ) 3 0 0 0 2 0 0 0 1 0 0 0 + 3 碳化焰嗟三二 l 。2 正常焰睽至 2 3 一 l 氧化焰 火焰长麦 l 一氧化焰2 一正常焰3 一碳化焰一 图2 1 三种火焰形貌及火焰的温度分布 图2 1 是三种火焰的形貌以及温度分布情况。正常焰其焰心( 约约9 5 0 。c ) 和外焰( 1 2 0 0 , - - 2 5 0 0 。c ) 的温度较低，而内焰( 距焰心2 - - - 4n u n 处) 的温度最高( 约 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 为3 0 5 0 - - 一3 1 5 0 c ) ，火焰长度比氧化焰长，内焰具有还原性，与熔化金属作用使 氧化物还原，使用正常焰焊接时，均利用内焰这部分火焰。氧化焰具有氧化性， 最高温度为3 1 0 0 一- 3 3 0 0 。c ，火焰长度最短，焊接钢件时，会使焊缝变脆和形成 气孔，降低焊缝的质量，所以焊接钢轨时不用氧化焰。碳化焰火焰中过剩的乙炔 可分解为碳和氢，对焊缝有一定的还原作用，因此又称“还原焰”，其最高温度为 2 7 0 0 , - - - 3 0 0 0 ，火焰长度最长。被焊金属被碳化焰增碳，变脆，若降低其碳化程 度，使其成为弱碳化焰，可以作为钢轨气压焊的良好热源。由长期实践经验总结 可知，钢轨气压焊作业过程中选择氧气与乙炔体积比为0 7 - - 1 1 的“微还原火焰” 最佳剐。 3 顶锻( 加压) 、推瘤 钢轨气压焊工艺过程中，顶锻是重要环节，它由顶锻量和顶锻力两个工艺参 数控制，直接影响焊接质量。顶锻( 加压) 的作用有以下几点：使钢轨端部产 生塑性变形，使紧密接触面积增大，封闭焊口，以免氧化，并促进再结晶；能 将粗大晶( 位于焊缝高温区的) 粒破碎为较细小的晶粒，并能破碎被焊钢轨端面 上的氧化膜；将被焊钢轨之间接触面周边的焊接缺陷挤到焊瘤处，并可通过焊 后推瘤将隆起的变形部分切掉：4 2 8 1 。 在钢轨气压焊焊接过程中据施加压力的方式不同可以分为：一段式加压施焊 法( 施加的压力从始至终保持不变，顶锻量达到一定程度即完成焊接，工艺) 、 二段式加压施焊法( 预热或初始阶段保持低压力，顶锻阶段为第二阶段，当焊缝 区金属表面温度升高到1 2 0 0 时提高压力值，增大项锻速度，从而完成顶锻过 程) 、三段式加压施焊法以及恒位移控制施焊法。 一段式加压施焊法及二段式加压施焊法的压力一时间工艺曲线如图2 2 所 示。一段式加压施焊法又叫恒压顶锻法，其在钢轨被焊端面上是施加的恒定压力， 焊接过程中会有高温金属不断被挤出，因此就不能保证钢轨的全断面焊接，时常 会出现白斑。两段式加压施焊法能保证钢轨的全断面焊接，但落锤试验时，有很 大一部分从钢轨的被焊接触面处断开，并有相当数量的焊接接头达不到铁道部部 标要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 医力p p 压 t l时同tt lt 2时同t 图2 - 2 一段式压力法( 左) 及二段式压力法( 右) 的工艺曲线 三段式加压施焊法是一种成熟的加压工艺控制方法，小型数控式钢轨气压焊 机最常使用这种加压方法，其工艺曲线如图2 3 所示。三段式加压施焊法包括以 下三个阶段： 1 ) 预顶阶段：在此阶段施加的预顶压力较高，使被焊钢轨的贴合面充分接 触，随着温度上升钢轨产生塑性变形，使焊缝处产生高度约为1 3 姗的微微凸 起并有少量区域相互结晶。 2 ) 降压阶段：焊缝及其附近产生凸起是进入第二阶段的标志，被焊端面已 全面接触并进一步软化，钢轨在较高压力作用下开始产生轴向压缩，此时降低压 力，不会发生污染面的问题，并可保证第三阶段有足够的顶锻量。 3 ) 顶锻阶段：在继续加热和保压的过程中，当发现有几个熔池( 面积约为 1 5 - 3 m m 2 ) 出现在钢轨轨底角上表面，且钢轨轨头顶面出现“镜面熔池 ( 熔 池随火焰而动，温度约为1 3 5 0 。c 1 4 0 0 。c ) 时2 引，就进入了顶锻阶段，此时再 施加较高压力，使钢轨快速顶锻，才能最大限度地造成晶格位错、畸变以及破碎 钢轨被焊端面的微层氧化膜，保证再结晶和原子相互扩散的充分进行，从而顺利 完成焊接过程【：9 】。 p ( m p a ) p 3 p 2 p 1 t l t 2t 3 图2 3 三段式加压施焊法工艺曲线示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 恒位移控制工艺：是一种气压焊接质量控制的新工艺。西南交大焊接研究所 和昆明中铁联合研制的y h g q 1 2 0 0 高原型气压焊轨车上装备的g p w - 1 2 0 0 气压 焊机，在焊接阶段就是采用的这种工艺，它能很好的控制气压焊质量。恒位移控 制工艺是利用g p w - 1 2 0 0 型气压焊机系统控制功能，在夹紧钢轨焊头、拉轨以及 顶锻油缸施加预定的保压压力后，用液压锁将施加此保压压力的顶锻油缸锁住， 使被焊钢轨在加热过程中的纵向位移始终保持恒定，钢轨加热后发生热膨胀，顶 锻油缸的有杆腔油压出现先升后降，实现控制钢轨气压焊接，从而保证获得质量 良好的钢轨焊接接头工艺方法 3 0 1 。恒位移控制工艺曲线如图2 - 4 所示。 吆蒋 董量嚣藏嚣簪鹾舟- 孵阈曹蘸 = = = 三= = = = = = = = = 三量= = = = = = = = 兰：= = = ：= = = = = 竺= = 竺= 苎兰= 竺寰曼= 芝= ：= = = = = 苎= = = = = = = ：兰= = ：= = = = ：= = 叠= = = = ：= = = = ：= 苎二盘 铘0啪#m 蝴m0； #t 凇口 t $l 蝴a 舅篷继暨竺2 一篓咝丝一曼萋篓墼竺譬壁苎篓型一，曼壁丝燮燮； 图2 - 4 恒位移控制工艺曲线 在气压焊接加热过程中，钢轨受热膨胀所产生的应力与温度场存在对应关 系。钢轨受热膨胀，保压压力随之升高，当钢轨接头金属达到屈服极限，产生塑 性形变后，钢轨的受热膨胀所产生的应力就会下降，所以气压焊使用恒位移工艺 时，保压压力是先升高，在金属达到屈服极限后保压压力就会降低。 钢轨气压焊恒位移控制工艺与传统的三段式压力控制工艺相比，由于在焊 接加热过程中( 顶锻前) 控制纵向位移始终保持不变，钢轨焊接接头加热姿态好， 焊接接头平顺性比三段式压力控制工艺性好、焊接接头质量十分稳定。 加热完成顶锻之后，需使用焊机配套的液压推凸装置将焊接接头在顶锻过程 中形成的凸起量进行热切除，为避免推瘤困难，推凸过程必须迅速。 4 焊后处理 钢轨的焊接接头在推瘤结束后应经进行正火、整修、打磨和调直等操作，使 焊缝外形与原轨一致，并且要使其符合t b t 1 6 3 2 中钢轨焊接接头表面质量要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 由于在焊接过程中，随着焊接接头温度的升高，金属晶粒迅速长大，生成了粗晶 组织。为了改善钢轨焊接接头的力学性能，焊后还应进行正火处理。而气压焊正 火是用火焰将焊接接头加热，使焊接接头升温至8 8 0 - a ：5 0 。c ，再经加热器的通风 孔喷风将其冷却至3 0 0 以下，可增加接头表面硬度并极大地改善焊缝区的组织 性能。在实际焊轨作业中，特别是在合拢锁定焊作业中，正火需要在保压下进行， 以保证焊头质量。 2 2 3 钢轨气压焊设备 常用的气压焊设备主要有：小型气压焊机( 目前多为数字化控制) 和大型气 压焊轨车。 小型气压焊轨成套设备( 数控) 主要包括压接机( 含推凸装置) 、氧气和乙 炔气瓶、冷却设备、控制箱、泵站和其它辅助设备组成，其设备基本连接图原理 图如图2 5 所示。但小型气压焊机的焊接质量受人为操作影响太大，因此焊接质 量并不稳定。 进油管 图2 - 5 小型气压焊设备基本原理示意图 y h g q 1 2 0 0 气压焊轨作业车( 由如图2 - 6 所示) ，由西南交通大学、昆明 中铁大型养路机械集团公司共同研制，该车完全拥有我国知识产权，是世界一流 的高科技现代化焊轨先进装备。该车由牵引走行系统、吊装系统、燃气供应系统、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 控制系统、液压系统、焊机系统、参数采集与质量信息管理系统组成。 图2 - 6y h g q - 12 0 0 型气压焊轨车 为了满足我国客运专线和提速线路焊轨工程建设高效作业要求，完成工地钢 轨单元焊、锁定焊和合拢锁定焊，该车采用自主研发的g p w - 1 2 0 0 气压焊轨机， 该焊机将焊接、热处理一机化，可在同一工位实现拉轨、焊接、保压推凸、保压 热处理连续作业，不仅效率高，而且能良好地保证焊接质量，焊轨工艺适应性强。 如图2 7 所示它包括控制系统、液压系统、加热系统、推凸系统、冷却系统和采 集系统等。 1 、动端组件2 、静端组件3 、顶锻位移传感器盒4 、顶锻油缸5 、动端机壳 6 、推凸装置 7 、加热装置8 、压力表9 、上导杆1 0 、顶锻油缸活塞杆 图3 3g p w 1 2 0 0 型气压焊轨机设备组成图 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 第3 章高原地区气压焊工艺研究 3 1 高原地区钢轨气压焊工况 3 1 1 自然环境 青藏铁路是中华民族国力日盛的象征，它的建成能促使青藏两省区社会经济 快速发展腾飞，是西部大开发标志性工程。格( 尔木) 拉( 萨) 段这条海拔最高、 穿越冻土里程最长( 连续多年冻土地段达5 5 0 公里) 的高原铁路，全长11 4 2 公 里，平均海拔4 0 0 0 米以上的地段有9 6 0 公里，翻越唐古拉山口的铁路最高点海 拔5 0 7 2 米( 青藏铁路格拉段海拔情况见图3 - 1 ) ，自然环境十分恶劣3 。 图3 1 青藏铁路格拉段纵断面示意图 在青藏高原，高寒、缺氧、温差大、气压低、坡度大、风沙多等自然环境异 常恶劣，因此铁路的养护维修非常困难；将青藏铁路全线改造提速，全线铺设为 无缝线路，对于提高行车速度、降低运营成本、减少线路维修养护，促进西藏经 济社会发展，推进西藏跨越式发展和长治久安的战略，具有十分重要的意义。 3 1 2 高原型焊轨车 y h g q 一1 2 0 0 型移动式气压焊轨车是一种现代高科技大型机械化焊轨作业的 专用装备，它集成了多项专利技术，具有高速自走行、拉轨、焊接、保压推凸、 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 保压正火、强制风冷一机化作业等多乡种功能，是目前世界唯一的、自动化和信 息化程度高、焊接和热处理标准化作业、焊接质量优良的气压焊轨成套装备。为 了满足高原焊轨工程需要，y h g q 1 2 0 0 型移动式气压焊轨车的车型分为平原型 和高原型两种，如图3 2 所示。 平原型( 双机头配置) 高原型( 单机头配置) 图3 - 2y h g q 1 2 0 0 型移动式气压焊轨车的两种车型 相对于平原型焊轨车，高原型焊轨车主要做出了如下几点改进： 1 ) 配备的焊机由2 台减少为1 台：更经济。 2 ) 起重机吊臂由单臂吊改为双臂吊：单臂吊起吊速度快，但是稳定性没有 双臂吊好。 3 ) 适当增大了焊机加热器火孔的面积：因为高原地区的气压比平原地区低， 若气体流量相同，高原地区的气体流速会明显高于平原地区，容易产生跳火，影 响焊接质量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 4 ) 拉轨距离增长：青藏线格拉段线下单元焊是将由长轨车运来铺在砟肩的 5 0 0 m 的钢轨焊接成1 5 0 0 m 的长轨条，由于施工组织的原因，一般不会在5 0 0 m 钢轨铺在砟肩的当天就进行焊接作业f 3 3 1 ，而青藏高原地区昼夜温差很大，钢轨会 出现很大幅度的涨缩3 钔。若在气温较低的时候进行焊接，待焊钢轨之间的距离有 可能会很大，因此要增长焊机的拉轨距离。平原型焊轨车的焊机每次拉轨距离不 小于1 5 0 m m ，而高原型增加到不小于2 0 0 m m 。 5 ) 更换焊轨车上所用的管线：因为青藏高原紫外线非常强，焊轨车上所用 液压油管、气管等容易脱皮、裂口，产生安全隐患，因此全部换成了抗紫外线型。 6 ) 发动机功率由3 0 1 千瓦( 平原型) 增大为3 4 8 千瓦( 高原型) ，并加装了 增压装置。 7 ) 作业环境适应性由- 1 0 + 4 0 ( 平原型) ，变为- 3 0 + 4 0 ( 高原型) ； 气压焊轨车具有以下焊轨特点： 1 ) 宽泛的材质适应性：对不同种类的钢轨混合焊接具有良好的适应性。 2 ) 超长的拉轨能力：每次拉轨距离由1 5 0 ( 平原型) 增大为2 0 0 ( 高原型) ； 对大轨缝工况，可多次重复拉轨，轻松、快捷达到焊轨合缝要求。 3 ) 稳定可靠的焊接质量：整机具有可靠和稳定的焊接质量，可一次性通过 落锤检验，型式检验周期短，耗材少，成本低。焊接接头外观质量良好，焊机采 用独特的四导轴钳夹结构和对齐靠模设计，能实现钢轨自动夹紧和对齐、保压推 凸及正火等功能，能保证接头的平顺性。 4 ) 有可靠的焊接质量管理控制系统、先进的气体控制系统。 5 ) 现场作业能力强，安全可靠性高，工艺性良好。 6 ) 控制操作高度自动化，操作界面友好，操作人员培训期短。 7 ) 安全、经济、环保等。 3 1 3 高原焊轨型式试验及作业情况 2 0 1 0 年8 月1 6 日至1 0 月底以及2 0 1 1 年9 月2 3 日至1 0 月2 7 日高原型焊 轨车在青藏格拉段换铺焊轨工程应用。在自然环境异常恶劣的条件下，使用 y h g q 一1 2 0 0 高原型气压焊轨车，焊接u 7 1 m n 、6 0 k g m 钢轨，保质保量完成了整 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 车调试、焊接工艺调试和焊接型式试验，以及6 0 k m 换铺线下单元焊任务，并取 得了可喜的阶段性成果。在南山口、不冻泉、纳赤台进行的型式试验，按照 t b 厂r 1 6 3 2 2 0 0 5 标准要求，在兰州焊轨基地由铁道部质检中心检验，一次通过了 落锤性能检验；在格甘段线下焊以及格纳段线下焊过程中，焊车工作情况良好， 共计焊接1 5 5 个焊接接头接头铺设上道，目前根据玉峰公司探伤报告，这些焊头 经过探伤全部合格，平直度良好，上道至今未出现任何问题。y h g q 一1 2 0 0 高原型 气压焊轨车在青藏线的具体作业情况见表3 - 1 。 表3 1 高原型气压焊轨车作业情况统计 3 2 焊接条件 3 2 1 焊接型式试验条件 青藏线换铺作业到目前为止共进行了3 次型式试验： 1 、南山口型式试验：2 0 1 0 年8 月进行，使用的是2 0 1 0 年包钢生产的u 7 1 m n 、 6 0 k g m 钢轨，气温2 6 3 3 ，海拔3 0 8 0 m ，共3 3 个焊接接头： 2 、不冻泉型式试验：2 0 1 0 年9 月进行，也使用的是2 0 1 0 年包钢生产的 u 7 1 m n 、6 0 k g m 钢轨，气温8 3 3 ，海拔4 6 1 0 m ，共3 3 个焊接接头； 3 、纳赤台型式试验：2 0 1 1 年9 月底至1 0 月初进行，使用的是2 0 1 1 年攀钢 生产的u 7 1 m n 、6 0 k g m 钢轨，气温1 6 3 1 ，海拔3 6 0 0 m ，共3 3 个焊接接头( 目 前已完通过了1 5 个接头的落锤试验，其余焊接接头在铁道部质检中心排队等 候) 。u 7 1 m n 钢轨的化学成分如表3 2 所示，力学性能如表3 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 表3 - 2u 7 1m n 钢轨的化学成分1 3 5 】 3 2 2 型式试验工艺参数预设 使用y h g q 1 2 0 0 高原型气压焊车上配备的g p w - 1 2 0 0 型焊轨机施焊，焊轨 工艺主要有四道工序( 焊接、焊后冷却、正火、正火后冷却) ，其中最重要的工 序是焊接工序1 3 7 1 。型式试验所预设的工艺参数如图3 3 所示；比较典型的整个焊 轨过程工艺参数采集曲线如图3 4 所示。 高原地区型式检验时，g p w - 1 2 0 0 型焊轨机工艺参数是以平原地区的工艺参 数为基础，根据高原地区的特点来调整，并经过现场调试而得出的。三个地点的 型式试验主要工艺参数进行型式检验的主要工艺参数如表3 3 所示。 - r - 艺参数绽g ：厨蕊露雨甄丽爵r 刁 r 挥接簖强， 一正火勉热帮韪捧却 一 l 拉蚴i1 f = = = 控开压力l 1 q ：二二= 二二： l 删目 姗 =二= 焊接氯气l 铂l = 二= l 氍走压力l曼 = 二= 对中压力l1 爿 ；= 矗刀压力q | 二二= ， l 婢洲lq 黼童； 0 | 挥墨压力 4 关氯提椭l 删目l 4 q 脚气i钏 怕旺力碉 保压劭!正火时浔i! 舅 喇坦l兰正火氯气l塑 磺鼠酌i翌 正火乙杖 翌 焊接乙按i受蚴 联助l苎硼! 驾 拙肋l篓耿硼l! 炯l 硼i !正火椭|型 弭舶德l篓正火德l ! 卿 转执肋篓!正火褪! 垫 曩火尊瓷i ：= 二= j 硼悯 二翼 霍火中心 二篓 献乙苁 二耍 图3 3 型式试验所预设的工艺参数 婢冷时目 二二圈 舫跏 傅：椭 挥冷德 二二舅 黔丰逮 二二囹 u 疆必冷却 ：正删目啊 正：争# lq 正冷辅刮 正潮n 逮l1 蚓 正冷束麓2 0 口i 西南交通大学硕士研究生学位论文，第17 页 匣= 二二甄e 二= 耍匣= = 丽| 二二二= 鼐二二翼甄二二j 甄 = = 耍眨二二3 匝 二= 甄贬= = 耍甄s 气体港t 、蟀机位咎、压力喇目蕾绞 】t 卫一一燃一 w ，i i ”r ? ， t 翌! ：翌! 二二m 一。黑。一一n m r r 一- i _ ：，nu 鬓差羔i 星r um 乙r 穰堕生罄鲤型羹季鳋鼬州塑髯堡堕熙 侧。蛊劫蓓幅碜曼 图3 - 4 焊轨工艺参数采集曲线 对比表3 4 的数据可以看出：主要工艺参数有所调整，但总体来说的变化并 不大。氧气和乙炔流量高原地区与平原地区相比都有所降低，这是因为高原地区 的气压比平原地区低，所以焊机火焰加热器的火孔内外压差将比平原地区大，在 相同的气体流量下，高原地区的气体流速将高于平原地区。气体流速过快，容易 发生跳火现象，使火焰不稳定，造成火焰对钢轨加热不均匀，影响焊接质量。所 以在高原地区焊接时的气体流量要适当降低。 表3 4 三个不同地区的形式检验焊接阶段主要工艺参数预设值 又因钢轨气压焊作业过程中，选择“微还原火焰( 氧气与乙炔体积之比： 0 7 1 1 ) 最佳【2 7 1 ，且在之前的平原地区作业累计了大量的经验，燃烧比在0 9 8 比较合适，因此在高原地区继续沿用这个参数作为初始设定值。 加热时间则可根据经验，并观察焊接接头的焊瘤爆开的程度，判断火焰对钢 轨加热情况是否合适。不冻泉焊接的钢轨接头焊瘤特征如图3 5 所示，焊瘤头部、 卜t嘲一 | | 嘲 一卜晦竺鬟；警：一叩 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 腰部和底部都有裂开的纹路，就像是从中轴线略微爆开，且轨底角处的焊瘤不能 开花，这种情况就说明火焰加热情况良好，加热时问、热输入量等工艺参数合理。 若是爆开得太多或者轨底角处爆开了，就是过烧，容易引起塌角等焊接缺陷，说 明加热时间过长，热输入量过高，应减少加热时间或者降低可燃气体流量；而未 爆开或者爆开不明显，就说明是加热时间不够，热输入量过低，则应增加加热时 间或者增大可燃气体流量。以此工程实践经验为依据而选定的三处形式检验工艺 中的加热时间相差很小，和平原地区基本一致。 图3 5 气压焊焊接接头正常焊瘤 g p w - 1 2 0 0 型焊轨机采用自动控制系统，顶锻力和顶锻量两个参数只要其中 一个参数达到设定值，焊机就将自动停止顶锻过程。三次型式试验所用工艺中的 顶锻力、顶锻量、初始保压压力和推凸压力都是一样的，其中顶锻量和平原地区 基本相同，而顶锻力、初始保压压力和推凸压力均小于平原地区的工艺参数。这 是因为高原地区自然环境恶劣，气候寒冷、多风且风力大，钢轨热散失比平原快 得多，因此顶锻、保压和推凸都需要比平原地区更高的压力，因此这三项参数都 高于平原地区。特别是顶锻力，焊接加热过程有中