自行式氣壓焊軌車焊接工藝及施工組織研究

馬軍，李金華，李力，邵紅林，彭鵬

（1.上海鐵路局工務(wù)大修段，上海200071；2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

自行式氣壓焊軌車焊接工藝及施工組織研究

馬軍1，李金華2，李力2，邵紅林1，彭鵬2

（1.上海鐵路局工務(wù)大修段，上海200071；2.中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，北京100081）

通過自行式氣壓焊軌車多種施工方案的演練、分析和優(yōu)化，制定了自行式氣壓焊軌車工藝調(diào)試、人員組織、線上線下焊接現(xiàn)場作業(yè)的方法及安全卡控措施；根據(jù)型式試驗數(shù)據(jù)，形成焊接接頭質(zhì)量判定依據(jù)；對接頭質(zhì)量有重要影響的工藝參數(shù)，如氣體流量、加熱時間、頂鍛壓力、頂鍛量數(shù)據(jù)需進行質(zhì)量判定；通過阻力計算，可知在線下焊接和線上聯(lián)焊時，焊機在滿足向焊縫施加恒定的壓力300 kN之外，同時也能滿足可能需要承受的外部阻力。

鋼軌焊接；氣壓焊；焊軌車；施工組織；既有線換軌

鋼軌氣壓焊采用火焰加熱方式焊接，其工藝具有適應(yīng)性廣、抗環(huán)境干擾能力強、質(zhì)量穩(wěn)定等優(yōu)點。自行式氣壓焊軌車屬于大型自動焊接設(shè)備，兼具焊接、快速冷卻、正火、軌頂面噴風(fēng)冷卻一體化功能，軌頂面硬度分布良好，焊縫使用壽命得到延長，尤其在線上聯(lián)焊作業(yè)時，不受電氣化區(qū)段封連線設(shè)置的影響，甚至可以焊接、應(yīng)力放散一體化，現(xiàn)場施工效率相對較高。

2015年，鐵路總公司、上海鐵路局為上海鐵路局工務(wù)大修段配備了3輛自行式氣壓焊軌車。為使大型施工設(shè)備盡快形成生產(chǎn)力，提高線路大修的質(zhì)量和效率，大修段組織相關(guān)人員進行了焊接工藝和施工組織的研究。通過多種施工方案的演練、分析和優(yōu)化，制定了氣壓焊軌車工藝調(diào)試、人員組織、線上線下焊接現(xiàn)場作業(yè)的方法及安全卡控措施，可為鐵路既有線換軌施工提供參考依據(jù)。

1　焊接工藝試驗

1.1焊接工藝參數(shù)

焊接過程主要包括焊接階段、焊后冷卻、正火加熱、快速冷卻4道工序，其中焊接階段最為重要。焊后處理主要包括推瘤、打磨、矯直、探傷等。

氣壓焊機調(diào)試初期，應(yīng)掌握加熱器結(jié)構(gòu)和各部尺寸，通過試驗調(diào)節(jié)氧氣壓力、乙炔壓力、流量配比（火焰類型、長度和火孔大小），較快取得穩(wěn)定的焊接參數(shù)。通過焊接接頭型式檢驗后，確定氧氣、乙炔純度要求以及加熱器火孔大小、加熱溫度等方面的工藝參數(shù)。

氣體純度要求：氧氣純度應(yīng)≥99.5%，乙炔純度應(yīng)≥99.8%。

氣體焊接壓力：乙炔壓力0.15～0.17 MPa，氧氣壓力0.25～0.35 MPa，氧氣流量90～91 L/min，乙炔流量93～95 L/min。

加熱器火孔距待焊端面輪廓線25±0.5 mm，加熱器火孔孔徑一般為軌底部位0.5～0.8 mm，軌腰部位0.6 mm，軌頭部位0.7～0.9 mm。

加熱器火孔大小和火焰溫度的識別有2種簡單的辦法，一是通過觀測火孔出火火焰的長短、粗細；二是通過檢查焊縫推凸后的焊筋狀態(tài)。一般情況下，推凸后的焊筋會有一條以焊縫為中心的開花線條，如果未能開花說明溫度偏低，如果存在過燒組織則說明溫度過高。無論過高或過低，均應(yīng)修正加熱器火孔孔徑和火孔垂直度。

根據(jù)型式試驗數(shù)據(jù)形成焊接接頭質(zhì)量判定依據(jù)。對接頭質(zhì)量有重要影響的工藝參數(shù)，如氣體流量、加熱時間、頂鍛壓力、頂鍛量等，可按照質(zhì)量判定依據(jù)進行質(zhì)量判定。

1.2焊接接頭性能

氣壓焊接頭通過工藝調(diào)試完成型式檢驗，落錘、斷口、靜彎、疲勞、沖擊、拉伸、硬度、顯微組織等各項性能指標(biāo)均能滿足《鋼軌焊接第4部分：氣壓焊接》（TB/T 1632.4—2014）要求。

表1是氣壓焊接頭取樣沖擊試驗數(shù)據(jù)，試驗環(huán)境溫度20℃，沖擊功平均值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，韌性良好。表2是氣壓焊接頭取樣拉伸試驗數(shù)據(jù)，拉伸試樣直徑10 mm，伸長率標(biāo)距為50 mm，從表中可知接頭強度和伸長率性能良好。表3是氣壓焊接頭軌頂面硬度試驗數(shù)據(jù)，從表3可以看到接頭區(qū)域硬度和母材硬度相當(dāng)，接頭正火后噴風(fēng)冷卻對接頭硬度有明顯改善。這主要是由于自行式氣壓焊軌車可實現(xiàn)焊后噴風(fēng)冷卻和正火后噴風(fēng)冷卻，而小型氣壓焊和閃光焊一般不能實現(xiàn)正火后的噴風(fēng)快速冷卻。

觀察氣壓焊接頭各部位顯微組織，可以看到焊縫和熱影響區(qū)顯微組織為珠光體和鐵素體，未見異常組織，焊縫組織均勻細小，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1　氣壓焊接頭沖擊試驗數(shù)據(jù)J

表2　氣壓焊接頭拉伸試驗數(shù)據(jù)

表3　氣壓焊接頭軌頂面硬度（HB）試驗數(shù)據(jù)

2　氣壓焊軌車現(xiàn)場焊接工況

2.1焊機技術(shù)條件

圖1是YHGQ1200型自行式氣壓焊軌車。該氣壓焊軌車焊機夾緊油缸的最大夾持拉力達到1 200 kN，在焊接加熱階段，頂鍛油缸向焊縫施加300 kN的壓力，但該壓力不會導(dǎo)致焊縫因加熱軟化而產(chǎn)生位移。該壓力值是在抵消外部阻力后給予的恒定壓力。焊縫頂鍛時壓力一般在180～200 kN。

圖1　YHGQ1200型自行式氣壓焊軌車

如果考慮焊機最大拉力1 200 kN，減去焊機向焊縫施加的恒定壓力300 kN，焊機作業(yè)時，可以承受的最大外部阻力應(yīng)≤900 kN。

2.2線下焊接

長鋼軌線下焊接時，長軌條位于道床砟肩上，其收縮阻力主要是鋼軌與道砟之間的摩擦阻力。以焊接1 500 m長軌條計算，500 m一個待焊接頭，離焊接點最長端1 000 km，軌底與砟肩的摩擦阻力為1 000 m（焊接點最長端鋼軌長度）×0.36（摩擦系數(shù)）× 60.6 kg/m×10 N/kg=218.16 kN＜900 kN，因此氣壓焊軌車線下焊接時，可以不采用撥彎等降低阻力的作業(yè)方式。

2.3線上聯(lián)焊

2.3.1焊軌車架車方案

線上聯(lián)焊時，由于鋼軌處于承軌槽內(nèi)，軌枕螺桿高出鋼軌底部約60～70 mm，焊機夾持鋼軌焊接時，加熱器下部超出軌底約70～80 mm，同時，焊軌車焊接時，焊軌車停留在待焊鋼軌上，距焊縫3 m左右。氣壓焊軌車線上聯(lián)焊時，一般有兩個辦法進行焊軌車架車：一是利用氣壓焊軌車自帶的支撐腿進行架車，但是利用支撐腿架車約200 mm（車體離開車輪）存在一定的不安全因素，首先是氣壓焊軌車自重較重（630 kN），如果液壓回路出現(xiàn)內(nèi)泄，不但焊機無法正常焊接，還可能發(fā)生安全事故，其次軌枕外側(cè)道床不是很密實，容易下沉甚至導(dǎo)致壓斷軌枕，發(fā)生傾覆事故；二是采用模仿閃光焊軌車線上聯(lián)焊軌底墊塊順坡架車法，但是，由于閃光焊焊機沒有加熱器，墊塊高度最高只需70 mm，而氣壓焊軌車需一次使用170～180 mm的墊塊，軌距控制和軌底較大懸空的穩(wěn)定性是難以解決的問題。

為此，針對氣壓焊軌車特點，結(jié)合閃光焊軌車墊塊結(jié)構(gòu)和運用經(jīng)驗，研發(fā)制作了一組氣壓焊軌車墊高順坡墊塊。墊塊下部設(shè)計2個耳朵與軌枕螺桿相連，用于控制墊塊不發(fā)生橫向位移，上部兩側(cè)設(shè)計擋肩，用于防止鋼軌發(fā)生橫向位移，同時，上部兩側(cè)設(shè)計2個螺桿，用類似軌距塊的鐵板和螺帽卡住軌底腳，防止作業(yè)過程中鋼軌跳動，滑出墊塊承軌槽，如圖2所示。經(jīng)過多次演練，確認安全可靠。

圖2　防鋼軌偏離滑出擋塊

2.3.2焊接及拉伸放散一體化試驗

焊軌車焊接時同步實現(xiàn)拉伸放散試驗，一是檢驗焊機性能能否滿足需要，二是檢驗在極限條件下焊接參數(shù)的適應(yīng)性和焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性。

分別采用100，200，300，400 m長度焊接拉伸。以100 m長度作為極限工況，焊接時預(yù)留軌縫一般為3～5 mm，焊接頂鍛量35 mm，則焊接鋼軌總伸長量= 35 mm+5 mm=40 mm，軌條溫升t=［40 mm/120 m］/ 0.011 8 mm/（m·℃）=28.25℃（其中靜端墊軌順撬長度120 m=20 m+100 m），產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力σ=28.25℃×19.2 kN/℃=542.4 kN＜900 kN，在焊機允許工況范圍內(nèi)。

在100 m極限工況下，在100 m中部設(shè)置一處放散位移觀測點，全長每8～10 m墊放一處滾筒。組織線上聯(lián)焊6個接頭，中部測點全部按計劃量到位，6個接頭經(jīng)落錘及斷口檢驗全部合格。同樣，200，300，400 m長度焊接拉伸試驗應(yīng)力放散百米測點均到位，接頭檢驗均合格。

由于焊接頂鍛量和預(yù)留焊縫基本為恒定值，如果要焊接兼具拉伸，應(yīng)充分考慮焊接損耗量引起的溫升并考慮施工軌溫、軌條長度是否適應(yīng)。如果不采用焊接拉伸一體化施工方法，而是焊接換軌同步作業(yè)時，建議采取預(yù)撥彎施工方法，以防焊接時引起的軌條內(nèi)應(yīng)力影響應(yīng)力放散的效果或換軌結(jié)束再組織回撞，對施工質(zhì)量和施工效率帶來影響。

3　焊軌車安全組織及運用情況

3.1危險品安全卡控

焊軌車上設(shè)有氧氣庫（封閉庫房，四周設(shè)有透氣格柵）、乙炔氣庫（四周1 m高鋼板墻圍擋，圍墻至車輛頂棚開放式），氧氣庫一次裝載9瓶氧氣，乙炔氣庫一次裝載18瓶乙炔，氧氣庫和乙炔氣庫分別置于車輛駕駛室前后端，氣瓶用管路并聯(lián)向焊機加熱器供氣，管路最長近15 m。如果乙炔氣瓶的氣閥不良或車輛遇到較大撞擊導(dǎo)致氣瓶相互沖撞發(fā)生泄漏，將會發(fā)生意外事故。因此規(guī)定：焊軌車運行、作業(yè)期間，隨車及作業(yè)人員嚴(yán)禁吸煙；每日車輛出發(fā)前后應(yīng)指派專人檢查氣瓶閥門是否存在泄漏，管路是否存在余氣；焊軌車上不得存在強電壓；焊軌車運行時原則上不得緊急制動；車輛連掛嚴(yán)格按相關(guān)規(guī)定執(zhí)行，避免過大沖擊。

3.2作業(yè)時鄰線列車運行安全卡控

焊機外形結(jié)構(gòu)尺寸為2.4 m×0.9 m×1 m（長×寬×高）。焊軌車進行線下焊接時，為保證焊機能夠夾持鋼軌，待焊軌距離運行軌應(yīng)≥510 mm（焊機寬度一半450 mm加軌枕螺桿距鋼軌距離60 mm）。

《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》規(guī)定車輛限界為線路中心向外1.7 m，《焊軌車運用管理規(guī)定》規(guī)定在線間距4.0 m的直線地段焊接時整車外形最大尺寸距本線路中心距離控制在1.85 m以內(nèi)。以4.0 m線間距的直線地段計算，扣除鄰線車輛限界1.7 m，剩余2.3 m，當(dāng)待焊軌擺放軌枕頭部砟肩位置時，焊機作業(yè)時最大外形尺寸為：1.435 m（軌距）/2+0.13 m（軌枕承軌槽寬度0.26 m的一半）+0.036 5 m（鋼軌軌頭寬度0.073 m的一半）+0.915 m（焊機寬度0.9 m+附掛管路加寬0.015 m）=1.799 m＜1.85 m，滿足焊機操作和作業(yè)安全要求。因此，規(guī)定焊軌車線下焊接作業(yè)時，焊機外部距既有軌外側(cè)距離不得＞1.05 m，曲線地段應(yīng)按加寬后加以控制。如不能滿足安全距離要求時，應(yīng)改用其他焊接方式。

3.3人身安全控制

氣壓焊軌車焊接操作時，主要通過焊機上面的焊接操作控制面板進行，如果作業(yè)時，操作面板在兩線間一側(cè)，操作人員必須站在兩線間進行操作，身體容易侵入鄰線限界，當(dāng)鄰線有列車通過時，極易發(fā)生人身傷害事故。因此，在兩線間焊接作業(yè)時，應(yīng)將焊機操作面板置于本線線路中心一側(cè)。

3.4運用情況

氣壓焊軌車經(jīng)過演練和摸索，總結(jié)和制定了施工組織流程和焊接機具配套，完善了機組人員配置，明確了號位職責(zé)。2016年在既有線換軌現(xiàn)場采用線下焊接和線上聯(lián)焊的方式分別焊接20個接頭，探傷和落錘試驗均一次合格，安全平穩(wěn)。

4　結(jié)論

通過自行式氣壓焊軌車焊接工藝調(diào)試及多種施工方案的演練、總結(jié)和優(yōu)化，制定了線上線下焊接現(xiàn)場作業(yè)方法、焊軌車人員組織、安全卡控措施等。自行式氣壓焊軌車自青藏鐵路推廣使用后，效果良好。

1）通過試驗調(diào)節(jié)氧氣壓力、乙炔壓力、流量配比（火焰類型、長度和火孔大小），取得穩(wěn)定的焊接參數(shù)。根據(jù)型式試驗數(shù)據(jù)，形成焊接接頭質(zhì)量判定依據(jù)。對接頭質(zhì)量有重要影響的工藝參數(shù)，如氣體流量、加熱時間、頂鍛壓力、頂鍛量數(shù)據(jù)需進行質(zhì)量判定。

2）氣壓焊軌車線下焊接時，可以不采用撥彎等降低阻力的作業(yè)方式。

3）線上聯(lián)焊可以采用一組氣壓焊軌車墊高順坡墊塊，該墊塊的構(gòu)造可控制墊塊不發(fā)生橫向位移，從而防止鋼軌發(fā)生橫向位移，導(dǎo)致作業(yè)過程中鋼軌跳動，滑出墊塊承軌槽。

4）如果不采用焊接拉伸一體化施工方法，而是焊接換軌同步作業(yè)時，建議采取預(yù)撥彎施工方法，以防焊接時引起的軌條內(nèi)應(yīng)力影響應(yīng)力放散的效果或換軌結(jié)束還需再組織回撞，對施工質(zhì)量和施工效率帶來影響。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB/T 1632—2014鋼軌焊接接頭技術(shù)條件［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［2］馬軍，李金華，李力，等.非自行式焊軌車線上焊接工藝和施工組織研究［J］.鐵道建筑，2014（4）：132-134.

［3］徐瑞崗.淺談鋼軌氣壓焊焊接工藝及提高焊接質(zhì)量的方法［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2012（1）：45-49.

［4］戴虹，呂其兵，譚克利，等.YJ-720/440TB-ZS型數(shù)控式小型氣壓焊機［J］.鐵道建筑，2005（8）：85-88.

［5］杜天民.高海拔條件下氣壓焊接工藝的討論［J］.鐵道建筑，2005（8）：74-75.

［6］丁韋，李力，劉正文，等.大秦線75 kg/m鋼軌焊縫傷損分析及對策研究［Z］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所，2011.

［7］張金鑫，王聰沖，凌雨來.鋼軌氣壓焊工藝參數(shù)的統(tǒng)計分析［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2013（9）：59-60.

（責(zé)任審編周彥彥）

Research on Welding Process and Construction Organization for Self-propelled Gas Pressure Welding Car

MA Jun1，LI Jinhua2，LI Li2，SHAO Honglin1，PENG Peng2
（1.Track Heavy Maintenance Division of Shanghai Railway Bureau，Shanghai 200071，China；（2.Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

T hrough drilling，analysis and optimization for a variety of construction programs of self-propelled gas pressure welding car，the process debugging，personnel organization，online and offline welding field operation method，and the security control measures for self-propelled gas pressure welding car were proposed，the decision basis for the welding joint quality was concluded according to the datas of type test，the process parameters having an important influence on the joint quality such as gas flow rate，heating time，upsetting force，the amount of upsetting should be conducted for quality determination，and the welding machine could also satisfy the external resistance which may be born besides pressing a constant pressure of 300 kN to welding seam during offline and online bond welding by resistance calculation.

Rail welding；Gas pressure welding；W elding car；Construction organization；Replacing the existing rail line

U216.65

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.10.30

1003-1995（2016）10-0112-04

2016-04-06；

2016-06-21

馬軍（1970—），男，工程師。