鋼軌焊前平直度研究

□黎 偉

武漢鐵路局武漢工務(wù)大修段 武漢焊軌基地 武漢 430050

1 研究背景

高鐵軌道幾何平順性對(duì)高鐵線路行車安全至關(guān)重要，其中鋼軌焊接接頭是高鐵軌道最薄弱的環(huán)節(jié)之一，尤其是接頭軌頂行車面的平直度，是影響高鐵軌道平順性的關(guān)鍵[1-2]。我國(guó)百米軌道的焊接工作均在焊軌基地進(jìn)行，在焊軌基地將5根百米軌道焊接成500 m長(zhǎng)鋼軌后，運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鋪設(shè)[3]。為了確保焊接接頭外觀質(zhì)量，需要對(duì)待焊鋼軌進(jìn)行合理選配，保證軌端外觀尺寸最相近的鋼軌進(jìn)行配對(duì)焊接。在焊軌基地進(jìn)行鋼軌選配時(shí)，主要參考項(xiàng)目有軌頭寬、軌底寬、軌高和斷面不對(duì)稱度[4-8]等。針對(duì)待焊鋼軌軌端的平直度，只規(guī)定了平直度的大小和方向，通常缺乏相應(yīng)的選配標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[9]。

2 鋼軌焊前平直度測(cè)量

根據(jù)TB/T 1632.2—2014《鋼軌焊接 第2部分：閃光焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼軌焊前應(yīng)檢查端部平直度，并對(duì)鋼軌端部彎曲進(jìn)行矯直或鋸切處理。根據(jù)TB/T 3276—2011《高速鐵路用鋼軌》標(biāo)準(zhǔn)，距軌端0～2 m部位的平直度要求見表1。這一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定針對(duì)距軌端0～2 m部位的平直度，應(yīng)使用1 m直尺和2 m直尺配合塞尺進(jìn)行測(cè)量。

表1 高速鐵路鋼軌軌端平直度要求

焊前檢查平直度使用1 m直尺，能得到平直度數(shù)據(jù)，但難以掌握平直度的趨勢(shì)和鋼軌軌端實(shí)際的平順性[10]，不能準(zhǔn)確地進(jìn)行配對(duì)選擇。部分焊頭因焊縫附近平直度不良，需要進(jìn)行多次冷矯直處理。矯直會(huì)導(dǎo)致在焊縫內(nèi)部產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，使焊接接頭的力學(xué)性能降低，且多次矯直容易產(chǎn)生微裂紋[11]。個(gè)別焊頭因焊縫兩側(cè)平直度相差大，難以進(jìn)行矯直處理，焊接接頭需要返工鋸切后重焊，這樣會(huì)使作業(yè)效率大為降低。為了能掌握焊前軌端平直度趨勢(shì)和實(shí)際的平順性，建議使用1 m電子平直尺代替1 m鋼直尺測(cè)量距軌端0～1 m部位的平直度，根據(jù)測(cè)量得到的平直度曲線來優(yōu)化配對(duì)待焊鋼軌。

為了確保選配結(jié)果具有一般性，在焊軌基地生產(chǎn)線使用1 m電子平直尺測(cè)量軌端平直度，并根據(jù)進(jìn)軌先后順序，以及焊軌基地生產(chǎn)流水線南北布局，對(duì)鋼軌進(jìn)行配對(duì)焊接。百米軌道母材軌端與焊接接頭對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖1所示，由5根百米軌道母材焊接成500 m長(zhǎng)鋼軌，共計(jì)有4個(gè)焊接接頭。焊接接頭由北往南依次編號(hào)為 WII8-1、WII8-2、WII8-3、WII8-4。編號(hào)為WII8-1的焊接接頭，由1號(hào)母材的南端和2號(hào)母材的北端配對(duì)焊接而成。

圖1 百米軌道母材軌端與焊接接頭對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 鋼軌焊接前后平直度對(duì)比

3.1 平直度曲線

焊接完成后，在時(shí)效處理場(chǎng)對(duì)配對(duì)形成的焊接接頭平直度進(jìn)行測(cè)量。焊接接頭WII8-1與對(duì)應(yīng)的配對(duì)兩軌端軌頂面平直度曲線如圖2～圖4所示。焊接流水線呈南北方向布置，平直度曲線水平軸的-500 mm處位于鋼軌的南端，根據(jù)圖1所示對(duì)應(yīng)關(guān)系，選取圖2中0～500 mm段曲線與圖3中-500～0 mm段曲線配對(duì)組合，并與圖4曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示。圖5中母材軌端組合曲線-500～0 mm段數(shù)據(jù)取自圖2中0～500 mm段曲線，0～500 mm段數(shù)據(jù)選取自圖3中-500～0 mm段曲線，上下限為焊接接頭成品檢驗(yàn)軌頂面平直度合格標(biāo)準(zhǔn)[1，4-5]。

3.2 對(duì)比分析

由圖5可以看出，除去焊縫部位的平直度曲線部分，焊接接頭前后高度相近。焊接接頭平直度曲線除了焊縫部位，其余部位均小于0，最低點(diǎn)為-0.27 mm。為了使焊接接頭平直度在矯直、精銑后能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)[1，5]，即在圖5中上下限區(qū)域內(nèi)，在四向矯直工位需要對(duì)焊接接頭進(jìn)行向上矯直處理，這會(huì)產(chǎn)生很大的拉伸塑性變形，導(dǎo)致內(nèi)部殘余應(yīng)力增大，降低焊接接頭的力學(xué)性能[11]。

圖2 2號(hào)母材北端1 m軌頂面平直度曲線

圖3 1號(hào)母材南端1 m軌頂面平直度曲線

圖4 WII8-1焊接接頭軌頂面平直度曲線

圖5 配對(duì)組合平直度曲線

對(duì)比分析圖2～圖5，可以發(fā)現(xiàn)配對(duì)的母材軌端平直度曲線均為測(cè)量中心點(diǎn)高而兩端低，這樣導(dǎo)致配對(duì)焊接后平直度曲線整體低。例如，圖2中0～500 mm段0 mm處為最高點(diǎn)，其余部位均較低，配對(duì)焊接后導(dǎo)致圖4中焊接接頭-500～-50 mm段平直度曲線均小于0。母材軌端測(cè)量中心點(diǎn)處平直度數(shù)據(jù)越高，焊接接頭平直度曲線就越低，如果在四向矯直工位矯直時(shí)變形量過大，可能會(huì)造成焊接接頭斷裂。為了避免出現(xiàn)以上情況，配對(duì)母材端部0～1 m軌頂面平直度曲線應(yīng)該呈現(xiàn)為測(cè)量中心點(diǎn)低而兩端高，即緩慢下凹的曲線。

4 平直度選配標(biāo)準(zhǔn)與驗(yàn)證

根據(jù)上述分析結(jié)果，可以將焊前軌端1 m平直度檢查選配標(biāo)準(zhǔn)確定為：軌端1 m軌頂面平直度曲線為測(cè)量中心低、兩端高，整體呈下凹形。

根據(jù)選配標(biāo)準(zhǔn)配對(duì)的鋼軌軌端和對(duì)應(yīng)的焊接接頭軌頂面平直度曲線如圖6～圖8所示。由圖6～圖8可以看出，WII8-2焊接接頭軌頂面平直度均大于0，焊縫中心兩側(cè)的平直度曲線基本對(duì)稱一致。為了使焊接接頭平直度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，在矯直工位將圖8中軌頂面距焊縫中心0～500 mm部位適當(dāng)下壓，再進(jìn)行精銑。配對(duì)鋼軌軌端平直度曲線均為下凹形，母材軌端平直度極值為-0.154 mm和-0.122 mm，相差0.032 mm。在配對(duì)鋼軌軌端軌頂面平直度曲線均呈下凹形的前提下，配對(duì)軌端平直度數(shù)值不能相差太大，否則會(huì)出現(xiàn)焊接接頭焊縫中心兩側(cè)平直度高低不一致，進(jìn)而導(dǎo)致四向矯直難以處理的情況。

圖6 3號(hào)母材北端1 m軌頂面平直度曲線

圖7 2號(hào)母材南端1 m軌頂面平直度曲線

圖8 WII8-2焊接接頭軌頂面平直度曲線

5 結(jié)論

由于1 m電子直尺只能測(cè)量距軌端1 m部位的平直度，因此對(duì)距軌端2 m部位的平直度仍需使用2 m直尺測(cè)量。為了精準(zhǔn)科學(xué)地進(jìn)行鋼軌焊前選配，建議研發(fā)自動(dòng)測(cè)量裝備，使用紅外激光探頭等方式測(cè)量距軌端0～1 m、0～2 m部位的平直度，并形成平直度曲線，便于進(jìn)一步選配。使用1 m電子直尺測(cè)量軌端0～1 m軌頂面平直度曲線，較為合理的平直度曲線為測(cè)量中心點(diǎn)低、兩端高，整體呈下凹形，最低處谷值應(yīng)控制在-0.3 mm以內(nèi)。配對(duì)焊接的軌端平直度不宜相差過大，建議相差量控制在0.1 mm以內(nèi)。軌端側(cè)面工作邊的平直度選配標(biāo)準(zhǔn)也可使用類似方法得到。

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