鋼軌閃光焊接頭平直度控制技術

高文會

(中國鐵道科學研究院 金屬及化學研究所，北京 100081)

我國新建和改建的百米鋼軌焊接基地采用閃光焊，焊軌基地生產線由鋼軌焊前檢查、焊前除銹、焊接和推凸、粗磨、焊后熱處理、焊接接頭矯直、焊接接頭精磨和成品檢驗等基本工序組成。保證鋼軌閃光焊接頭平直度達標需全過程控制，從焊前檢查鋼軌、焊前除銹方式和深度、焊軌設備對中方式和精度控制、接頭錯邊控制、焊接接頭矯直、焊接接頭打磨、電子平直尺測量焊接接頭平直度的作業條件、方法和評判準則等方面，進行了全面的論述，為焊軌基地控制鋼軌焊接接頭平直度提供參考。

1 焊前鋼軌檢查

焊前檢查鋼軌母材的幾何尺寸、軌端平直度和端部扭曲是保證鋼軌焊接接頭平直度的基礎，鋼軌焊接前，應該逐根檢查，鋼軌合格才可焊接。

1.1 檢查鋼軌端部主要幾何尺寸

應逐根檢查鋼軌端部幾何尺寸，軌端主要幾何尺寸相差較大時，焊接后容易出現接頭錯邊。當鋼軌高度低于負偏差極限時，也可能是軌冠飽滿度不合格。以60 kg/m鋼軌為例，鋼軌技術條件規定的主要幾何尺寸偏差允許值見表1。鋼軌焊前檢查和選配工位，應嚴格做到:①主要幾何尺寸偏差超過允許值的鋼軌不能焊接;②應盡量配焊偏差方向相同的鋼軌，偏差量盡量接近;③依成品焊接長鋼軌的鋪設順序，首尾斷面的不對稱偏差應盡量接近，為現場焊接聯合接頭創造條件。

1.2 檢查軌端平直度

軌端平直度偏差通常有三種情況:垂直向上(俗稱翹頭)、垂直向下(俗稱低頭)和側向彎曲，鋼軌技術條件對不同速度的鋼軌軌端平直度有不同的要求，見表2。焊前檢查鋼軌，應逐根檢查軌端平直度，對平直度偏差超過允許值的鋼軌，應進行矯直或鋸切。不能將超標的軌端硬彎推遲到焊后進行集中矯直，因為軌端彎曲影響焊接工位的對中精度，另外在焊后矯直工位矯直母材彎曲可能會給接頭造成新的彎曲。

表1 60 kg/m鋼軌主要幾何尺寸偏差允許值 mm

表2 鋼軌端部平直度要求

1.3 檢查鋼軌端部扭曲

鋼軌端部扭曲可能導致焊接接頭扭曲錯邊，見圖1。采用扭轉尺逐根檢查，鋼軌端部扭曲應不大于0.45 mm，不應焊接扭曲超標鋼軌。

2 焊前除銹

在鋼軌頂面與焊機電極接觸的情況下，除銹工位對焊接接頭平直度有很大影響。采用手持砂輪機對鋼軌頂面進行人工除銹，砂輪的跳動和用力不均會破壞鋼軌頂面的表面不平度，應采用除銹機自動除銹，除銹機的狀態應保持良好，除銹范圍、除銹效果應滿足焊接要求。

焊前對鋼軌除銹的目的是增強鋼軌與電極接觸面的導電性，防止出現電極灼傷。在滿足焊接需要的前提下，應盡可能減少除銹作業對鋼軌的磨耗量。當采用鋼絲輪除銹時，其除銹方式是“刷”，刷過的鋼軌表面烏黑發亮，如果基于這種除銹效果的焊接參數通過了型式檢驗，說明該除銹效果能夠滿足焊接需要，用刷除銹對鋼軌磨耗量很小，不會破壞焊接接頭的平直度。砂帶除銹方式是打磨，磨過的鋼軌表面效果是呈金屬光澤，應特別注意調整好砂帶的張緊力，防止磨耗量過大，否則，焊接接頭平直度會出現圖2所示情況。過度追求鋼軌頂面除銹后的金屬光澤，加大軌頂面磨削深度換取導電效果，不利于保證焊接接頭的平直度。

圖2 除銹作業磨耗量較大時對焊接接頭平直度的影響

3 保證對中精度

鋼軌夾緊后，GAAS80焊機會自動將兩待焊鋼軌的端面拉開2 mm的間隙，憑人手的觸覺控制待焊鋼軌表面之間的平行偏差是不可靠的。應該依靠GAAS80設備調整，控制對中精度，設備定位基準和接近開關等控制元件必須保持準確靈敏，起拱滾輪、鋼軌夾持塊、電極等狀態必須良好，出現老化或偏磨應及時更換。圖3是GAAS80焊機對中臂上的軌頭側面工作邊對齊定位基準，當鋼軌軌頭側面工作邊在非操作人員一側時，該對基準使非操作人員一側的軌頭側面工作邊自動對齊;當鋼軌的工作邊在操作人員一側時可以通過操作面板上的按鈕，選擇另外一對基準，見圖4。

圖3 軌頭側面工作邊對齊定位基準

圖4 操作面板上選擇工作邊

4 正確控制接頭錯邊

4.1 接頭錯邊的基本情況

接頭錯邊是焊接時兩根鋼軌由于沒有對正，使焊縫兩側鋼軌表面之間出現平行偏差，接頭錯邊是臺階。常見的錯邊有三種:豎向錯邊、水平錯邊和扭曲錯邊，或三種錯邊的組合。

4.2 接頭錯邊的危害

輪軌沖擊作用與接頭錯邊(或凸臺)高度的平方根成正比。隨著行車速度的提高，迎輪錯邊(車輪逆向通過錯邊接頭)的沖擊作用急增，輪軌產生強烈的沖擊作用，危害甚大，輪軌沖擊作用的各項指標可為常規速度時的2～3倍。

4.3 接頭錯邊產生的原因

1)鋼軌不合格。待焊鋼軌的主要幾何尺寸不合格或存在較大差別時，容易產生接頭錯邊。不對稱度差別大最容易導致接頭錯邊。鋼軌端部扭曲可能導致焊接接頭扭曲錯邊。軌端硬彎也可能導致接頭錯邊。

2)焊機狀態不好。①焊機電極老化、表面不平、偏磨會導致鋼軌傾斜，出現扭曲錯邊;②焊機對中系統精度偏離，沒有及時調整好;③焊機鋼軌夾持塊磨損老化;④起拱滾輪磨偏。

3)操作不當。在焊接工位，鋼軌對中作業時，鋼軌頂面或工作邊沒有對齊。

4.4 接頭錯邊的檢查與處理

焊接工位焊接后，焊接接頭未經任何打磨就立即檢查接頭錯邊量，最大允許值應符合表3規定。對于接頭錯邊量超過最大允許值的焊接接頭，應在焊縫兩側各100 mm的位置切掉鋼軌焊接接頭。推薦采用數字式的波磨尺測量接頭錯邊量。

表3 接頭錯邊量最大允許值 mm

4.5 錯誤作法的糾正

1)鋼軌對中作業時，軌端硬彎導致焊機感應器檢測不到鋼軌信號，焊機拒絕下步動作，作業人員不應采用金屬工具強制感應器發出已經檢測到鋼軌的信號，而應將鋼軌重新矯直或將硬彎鋸切掉。

2)接頭錯邊量超標后，不應采用熱矯直方式糾正。熱矯直糾正錯邊可能使①焊縫內部產生微裂紋，②將焊縫紅熱金屬壓扁，造成錯邊消除的假象，③使接頭以外的鋼軌產生新的彎曲。正確的作法是切掉重焊。

3)接頭錯邊量超標后，不能采用打磨將錯邊(臺階)磨掉。原因:打磨接頭錯邊只是將臺階從焊縫移到了鋼軌母材處，鋼軌表面之間的平行偏差依然存在，見圖5。正確的作法是在焊接工位，接頭錯邊量超過最大允許值時，切掉重焊。

圖5 打磨接頭錯邊

5 焊接接頭矯直

5.1 矯直作業條件

矯直作業前，必須保證焊接接頭符合以下條件:①焊前對鋼軌頂面的除銹，不得將鋼軌頂面磨虧;②接頭錯邊量不超過表3規定的最大允許值;③如果在矯直工位前方增設了采用仿形打磨機的預打磨工位，必須確保預打磨作業沒有磨到鋼軌頂面的母材;④焊接接頭經過24 h以上的時效處理。

5.2 矯直工位平直度控制值

5.2.1 鋼軌頂面平直度

以焊縫為中心1 m范圍內，鋼軌頂面的接頭平直度曲線應呈上拋物線型，焊縫兩側鋼軌頂面平直度曲線的斜率應該控制在0.26‰～0.66‰之間(圖6中的上限和下限之間)。測量曲線允許存在個別的高點或低點，不計推凸余量。

圖6 矯直工位控制的軌頂面平直度合格范圍(不計推凸余量)

同時滿足以下三個要點，可判斷矯直結果合格:①曲線呈上拋物線型，焊縫位置為拋物線頂點;②焊縫兩側100 mm位置的矢量值不小于0.1 mm;③焊縫兩側200 mm位置的矢量值不大于0.2 mm(見圖6中的豎直長劃線與上限交點的縱坐標)。

5.2.2 軌頭側面工作邊平直度

以焊縫為中心1 m范圍內，軌頭側面工作邊平直度測量曲線應基本水平或呈下凹形(不計推凸余量)，如圖7所示，測量曲線分布在上限和下限之間時合格。

圖7 矯直工位控制的軌頭側面工作邊平直度合格范圍(不計推凸余量)

5.3 錯誤作法的糾正

1)矯直前，不應對軌頭焊筋進行預打磨，因為打磨焊筋很容易磨到兩側的鋼軌母材，接頭經矯直后，母材磨虧處出現局部低塌，見圖8。焊接工位應及時保養調整推凸刀，控制推凸余量，盡量不采用仿形打磨機進行預打磨;如果不得不進行預打磨，應在矯直工位后進行。

圖8 預打磨將鋼軌頂面磨虧，矯直后的平直度

2)不應用矯直的方法糾正接頭錯邊，因為橫向墊塊距離較近時，容易將接頭矯斷或矯裂。應檢查矯直前平直度測量曲線，如果接頭錯邊量超過0.2 mm，將接頭判廢。

6 焊接接頭打磨

6.1 精磨條件

精磨作業前，必須保證焊接接頭符合以下條件:①軌頭推凸余量不超過1 mm;②接頭錯邊量不超過表3規定的最大允許值;③焊接接頭經過了矯直，矯直后平直度在圖6所示范圍內。

6.2 精磨方法

應采用精磨機對焊接接頭進行外形精整(精磨)。精磨的對象主要是焊筋，精磨長度越短越好，最長不應超過焊縫兩側各450 mm限度。限制打磨長度，目的是保留平直度測量基準，超范圍打磨后，在1 m范圍內測量平直度可能是合格的，但沒有消除軌道在方向上的整體不平順，見圖9。

圖9 超范圍打磨不能消除軌道整體在方向上的不平順

6.3 精磨工位平直度控制值

精磨以后的焊接接頭，焊筋已經被打磨平整，在精磨工位上，測量以焊縫為中心1 m范圍內的平直度，計入推凸余量，其測量結果(曲線)應該在圖6所示范圍內。

6.4 糾正錯誤方法

1)槽型打磨，輔助修磨。圖10所示的精磨效果是錯誤的，原因是精磨機的進刀深度沒有調整好，GESMAR公司的MAS150型精磨機進給量控制改成光控后，容易出現這種槽型打磨效果;采用聲控則不會出現槽型打磨現象。出現槽型打磨后，如果再采用人工修磨的方式將槽型端部的臺階打磨平，容易出現低接頭或超范圍打磨現象。正確作法是調整好精磨機砂輪的進給深度。出現槽型打磨效果后接頭判廢，不應修磨。

2)砂輪“讓刀”。軌頂面平直度測量曲線如圖11所示時，是精磨機砂輪出現了“讓刀”現象，需要及時調整壓力。

圖10 槽型打磨

圖11 精磨時砂輪“讓刀”后的軌頂面平直度

7 采用電子平直尺測量焊接接頭平直度

采用電子平直尺測量鋼軌焊接接頭平直度可以保證測量結果客觀、準確，電子平直尺能夠反映接頭的真實情況，間接考察焊接生產作業過程是否正確。

對電子平直尺測量結果進行評判，目前還沒有相關準則，本文提出了測量條件、測量作業過程要求，分析了幾種常見外觀質量失格的原因，提出了評判準則。

7.1 測量條件

①測量前應檢查鋼軌焊接接頭外形精整的長度，外形精整的長度不應超過焊縫中心線兩側各450 mm限度;②應在鋼軌溫度接近設計鎖定軌溫范圍時測量鋼軌焊接接頭平直度，記錄測量時的軌溫。

7.2 測量作業

①測量作業應按照《SEC電子平直尺使用說明書》執行，測量人員應經過專門的培訓;②測量作業應輸入符合《鋼軌焊接接頭標識規則》的接頭標識號。

7.3 測量結果分析

結合生產實際，介紹最常見的四種平直度不合格曲線(矯直不合格、接頭錯邊超標、低接頭和超范圍打磨)。

1)矯直不合格。見圖12，軌頂面平直度不合格原因是矯直不到位，圖12中的點劃線是矯直后、精磨前的平直度曲線，可見上拱量峰值接近1 mm(見點劃線交點處的縱坐標)，斜率達2‰，列車在快速運行時將會“砸”這個接頭，圖中實線顯示的上拱量最大值0.24 mm，貌似合格，其實是不合格的，因為這個0.24 mm是磨出來的，而不是矯出來的。當采用鋼軌平尺加塞尺測量的平直度與電子平直尺測量結果相差較大時，很多屬于這種情況。圖13所示的軌頂面平直度，盡管峰值是0.2 mm，但因矯直和打磨作業錯誤，因此平直度也是不合格的。

2)接頭錯邊超標見圖14，不合格原因是接頭頂面存在錯邊，錯邊量超標并且處理方法不當，這個接頭應該在焊接工位就切掉重焊，不應該用打磨方法糾正。

3)超范圍打磨。圖15所示測量曲線看起來很好，但這個接頭是不合格的，該接頭存在嚴重的超范圍打磨現象，見圖16。在以焊縫為中心1.5 m范圍內把鋼軌磨得很光，1.5 m以外的鋼軌還是折線形(矯直不當)。所以，用SEC電子平直尺測量前必須首先檢查接頭打磨長度，對超范圍打磨的接頭直接判不合格。

圖12 矯直不合格

圖13 錯誤矯直產生的低接頭

圖14 用打磨方式處理超標接頭錯邊的效果

圖15 超范圍打磨接頭測量的平直度曲線

7.4 評判準則

①鋼軌焊接接頭在以焊縫為中心的1 m范圍內，軌頂面平直度測量曲線應呈上拋物線型，軌頭側面工作邊平直度測量曲線應基本水平或呈下凹形;②對于擬鋪設到設計速度>200 km/h線路上的鋼軌焊接接頭，軌頂面平直度測量曲線應處于圖6所示范圍內(測量曲線位于上限與下限之間為合格);③對于擬鋪設到設計速度>200 km/h線路上的鋼軌焊接接頭，軌頭側面工作邊的平直度測量曲線應處于圖7所示范圍內(測量曲線位于上限與下限之間為合格);④測量曲線允許存在個別高點或低點。合格案例見圖17。

圖16 超范圍打磨的接頭照片

圖17 軌頂面平直度曲線合格案例

8 結語

鋼軌焊接接頭的平直度主要控制要點有:①焊前逐根檢查鋼軌，選用幾何尺寸、軌端平直度、端部扭曲不超標的鋼軌;②焊前除銹采用機械化自動除銹，在滿足導電要求的前提下，盡量減少對軌面的磨削深度;③焊接工位認真檢查、嚴格控制接頭錯邊，錯邊超標的接頭堅決切掉，不應采用打磨方法或熱矯直方法糾正超標的接頭錯邊;④ 依靠焊機設備精度，保證焊接接頭的外觀精度;⑤在符合矯直條件的情況下，正確進行矯直作業;⑥在符合精磨條件的情況下，正確進行精磨作業，精磨長度越短越好，不應超范圍打磨;⑦正確采用電子平直尺測量焊接接頭平直度，依據評判準則評價焊接接頭，正確分析失格原因;⑧哪個工位質量檢查不合格，就應在該工位解決，不應在后續工位糾正。

［1］陳朝陽，張銀花，周清躍，等.我國不同鋼軌技術條件的對比研究［J］.鐵道建筑，2008(9):98-101.

［2］高建敏，翟婉明，徐涌，等.既有干線軌道不平順區段管理長度分析［J］.鐵道建筑，2009(5):105-108.