現場鋼軌閃光焊綠色焊接技術

楊云堂

（中鐵一局集團新運工程有限公司，陜西咸陽712000）

1 基于綠色環保的鋼軌現場焊接方法

軌道焊接技術是中國無縫線路建設中的關鍵保障環節之一，目前無縫線路建設中常用的焊接方法有閃光焊、氣壓焊、鋁熱焊3種。2010年的統計數據表明：閃光焊接頭約占我國無縫線路接頭總數的87%，氣壓焊接頭約占接頭總數的10%，鋁熱焊接頭約占接頭總數的3%[1-2]。經過近幾年的發展，由于鋼軌閃光焊焊接生產效率高、接頭的斷軌率低，鋼軌現場焊接閃光焊所占比例已遠遠超過87%。為分析比較鋼軌現場焊接方法在焊接生產效率、接頭質量、綠色環保等方面的綜合性能，在此對各種鋼軌現場焊接方法進行詳細分析。

1.1 鋁熱焊

鋁熱焊采用鋁熱反應產生的熱量加熱鋼軌和填充材料，由于焊接接頭為鑄造組織，且焊接過程的預熱、焊縫預留間隙等受人為因素影響，焊接接頭的綜合機械性能是所有鋼軌焊接方法中最差的，但該種方法不需要大功率電源，對環境的影響是3種常用現場焊方法中最小的，且搬運攜帶方便，特別適合因空間位置受限而無法焊接的場合以及斷軌的搶修焊接。

1.2 氣壓焊

氣壓焊是利用氧-乙炔焰產生的熱量進行加熱，將被焊的兩個鋼軌端面加熱到熔融狀態或塑性狀態而連接到一起的焊接方法。氣壓焊具有一次性投資小、無需大功率電源、焊接時間短、焊接質量好等優點，但氣壓焊為保護焊接高溫區域，使用的火焰必須是還原性火焰，而還原性火焰中含有燃燒不完全產生的CO氣體，并且焊接接頭質量易受工作環境及操作人員的操作水平影響，由于采用外部熱源加熱且外部熱源很難做到對稱加熱，導致鋼軌焊接接頭的外形質量即平順性要求比閃光焊差。

1.3 閃光焊

鋼軌閃光焊采用大電流流過工件產生電阻熱加熱鋼軌的專用大功率焊接設備，利用電阻熱熔化鋼軌，形成合適的溫度場，通過液橋穩定而劇烈的爆破來保護高溫區域，再經過頂鍛擠出過熱金屬和有害物質完成焊接。該種焊接方法需要大功率電源，而現場焊接基本都靠大功率發電機組供電，由于鋼軌閃光焊過程中液橋的形成和爆破是端面加熱和保護必須的，而液橋的不斷形成和爆破使得鋼軌閃光焊過程中的發電機組負載為沖擊負載，由于需用功率大，且沖擊負載使發電機組總是處于瞬時過載狀態，發電機的油煙和有害氣體排放就多，從而影響人的身體健康。但該種焊接方法因為內部熱源加熱，具有熱影響區窄、焊接質量高而穩定、生產效率高等優點，在現場焊接中占主導地位。

由以上分析可知，鋼軌現場閃光焊與其他焊接方法相比，優勢明顯，但其自身的加熱方式使得焊接過程中的排放偏大。與軌道交通領域的其他裝備一樣，現場鋼軌閃光焊焊接裝備也經歷了從引進、消化吸收到再創新的過程。目前，國產鋼軌現場閃光焊焊接裝備的性能在各個方面都能滿足高速、重載、地鐵、有軌電車軌道的焊接，并已走向國際市場。但不管是進口還是國產鋼軌閃光焊設備，其配置的大功率發電機組在現場鋼軌焊接時都存在排放大的問題：不僅存在顆粒物排放，還因燃燒不完全存在有害氣體如CO等的排放，在無縫線路建設特別是城市軌道交通的地鐵建設中影響著施工安全和現場施工人員的身心健康。因此，研究現場鋼軌閃光焊低排放技術具有良好的實際應用價值。

2 低排放現場鋼軌閃光焊接技術

2.1 現場鋼軌閃光焊焊接裝備排放情況及產生原因

目前在國內現場鋼軌焊接大量采用鋼軌閃光焊方法，其焊接接頭的質量由以下方面保證：

（1）鋼軌焊接接頭合理的溫度場分布。該溫度場分布影響閃光焊后期閃光的穩定性和劇烈程度，從而影響鋼軌閃光焊焊接接頭高溫區域的保護；決定了頂鍛時鋼軌高溫端面有害物質排出的難易；決定了頂鍛變形量的大小。

（2）鋼軌的合適的頂鍛變形量。決定焊接完成后焊接接頭的力學性能；和溫度場分布一起決定頂鍛時鋼軌高溫端面有害物質的排出。

（3）鋼軌焊接接頭頂鍛前鋼軌端面保護的狀況。通過合理的溫度場建立和匹配的動夾送進速度，得到穩定而劇烈的液橋爆破。

由于國內鋼軌閃光焊標準要求通過落錘試驗，國內鋼軌閃光焊最先從基地焊接裝備的引入開始，而基地鋼軌閃光焊通過落錘試驗的工藝基本采用寬熱場、大頂鍛量方式[3-4]，因此，現場鋼軌閃光焊從引進到國產化直到現在也基本采用這種工藝參數調試模式，該模式的工藝參數特點及問題如下：

（1）在焊接過程中采用大短路電流、快送進速度，而現場鋼軌閃光焊是采用發電機組供電，焊接過程中的短路、斷路狀態交替進行，發電機組負載為沖擊載荷，要求發電機的輸出功率特別是瞬時輸出功率要大，而發電機組容量不可能配置太大，因此，發電機始終工作在瞬時過載狀態。

（2）從焊接接頭灰斑缺陷的排出來看，文獻[5]提出，將帶電頂鍛的時間增加至1.5～2.0 s有利于灰斑缺陷的排出。

采用上述模式的典型鋼軌現場焊接工藝及焊接曲線如圖1所示。

圖1 原高排放的焊接工藝

由圖1b可知，在低壓1階段設置的動夾送進速度達到2.2 mm/s，焊接電流設置也大。焊接時低壓階段的焊接電流波形如圖1a所示，短路電流大且持續時間長，需要發電機瞬時輸出功率大且持續時間長，發電機組排放的油煙大，有害氣體多。

基于增加帶電頂鍛時間有利于灰斑缺陷的擠出的觀點，在進行焊接工藝調試時均采用長頂鍛時間方式，如圖1b所示，帶電頂鍛時間設置為1.0 s，帶電頂鍛時焊接電流波形如圖1a所示，這種長時間大電流短路導致發電機過載時間長，過載大，使得帶電頂鍛時的油煙排放特別大。

2.2 低排放焊接工藝研究

2.2.1 調整加熱階段的工藝參數，減小短路電流和短路時間

減小閃光焊高壓及低壓1階段短路電流，縮短短路持續時間，為此，工藝調試時的工藝參數調整包含以下幾個方面：減小焊接1、2、3的電流設置；減小送進速度；增加回拉速度。經過反復調試，通過落錘試驗的焊接工藝參數如圖2b所示。

圖2 新型鋼軌現場閃光焊焊接工藝

對比圖2a與圖1a可知：

（1）圖1a的低壓階段短路電流達到720 A，短路持續時間基本在1 s以上，有的甚至達到2 s，這只是低壓階段的情況，因鋼軌焊接過程包含高壓、低壓、加速、頂鍛及帶電頂鍛幾個階段，高壓階段電壓為 390～400 V，短路電流達到 820～900 A，因此高壓階段加熱需要的功率輸出約為553～568 kVA，對發電機的功率要求更大，而發電機配置為440 kVA，嚴重過載，并且持續時間長，因此，發電機組油煙和有害氣體排放大。

（2）由圖2a可知，新型焊接工藝采取的措施是降低焊接過程中的短路電流和短路持續時間，并降低高壓階段的焊接電壓，低壓階段最長短路持續時間約為0.3 s，短路電流約為600 A，高壓階段電壓降到350～370 V，高壓短路電流約為700 A，且大部分持續時間遠小于0.3 s，因此，高壓階段短路加熱需要的功率輸出約為364～448 kVA，且焊接短路持續的時間明顯縮短。由計算結果可知，即使加上回路損耗等，發電機過載仍很小，且持續時間很短，因此，發電機組的油煙和有害氣體排放大大減小。

2.2.2 減小焊接頂鍛時的帶電頂鍛時間和頂鍛電壓

在焊接工藝的調試方面，減少鋼軌焊接接頭的灰斑缺陷的工藝措施有兩種：①通過加熱階段的工藝調試，使頂鍛前的焊接接頭端面形成穩定而劇烈的閃光，使焊接接頭端面在頂鍛前保護很好，基本不存在氧化物，并且保證了頂鍛前端面的平整性；②端面在頂鍛前存在氧化物，通過合適的頂鍛工藝擠出端面氧化物：加大帶電頂鍛時間、加大頂鍛量，合理控制頂鍛速度。

基于上述分析，如果鋼軌現場閃光焊加熱階段的工藝調試使得端面保護較好，后面的帶電頂鍛就只是一種輔助措施，可減小帶電頂鍛電流和帶電頂鍛時間，按此思路反復調試，通過落錘試驗的焊接工藝參數如圖2b所示。對比圖2b與圖1b可知，圖2b中的帶電頂鍛時間0.6 s，電壓365 V，頂鍛電流約為800 A，所需的功率輸出為505 kVA，過載不大，且過載時間很短；而圖1b中的帶電頂鍛時間為1.8 s，電壓398 V，頂鍛電流接近1 000 A，所需的功率輸出為689 kVA，該種工藝超過發電機組額定功率近50%，且持續時間長。因此，采用短時小電流帶電頂鍛方式可大大降低帶電頂鍛時發動機組的過載，減少發電機煙塵和有害氣體的排放。

綜上所述，新型焊接工藝減小了焊接各階段的短路電流和短路持續時間，不僅改善了加熱時鋼軌的端面平整度和保護效果，減小了鋼軌加熱時端面的氧化，同時也有利于頂鍛時有害物質的排出，從而進一步降低帶電頂鍛的電流和持續時間，顯著降低鋼軌焊接過程中發電機煙塵和有害氣體的排放。

2.3 其他綠色環保現場焊方法

2.3.1 采用儲能裝置解決焊軌瞬時功率需求，減小發動機組排放

鋼軌現場閃光焊焊接時，對于發電機組來說，焊機是一個沖擊負載，發電機組的油煙和有害氣體排放大是瞬時負載過大造成的，為此提出通過在柴油機輸出軸加飛輪儲能的方式，在焊接斷路期間飛輪儲能，在焊接斷路期間飛輪釋放能量，從而使柴油機的輸出帶載更加均衡。

2.3.2 增加尾氣凈化裝置，降低排放

針對柴油發動機尾氣中碳煙顆粒物（PM）以及有害氣體（HC、CO、NOx）的排放是在高溫缺氧環境下生成的特點，特別是在發動機急加速過程或重負荷運轉時大量產生，因此采取物理過濾和化學吸收的聯合凈化方式：柴油機尾氣通過此尾氣凈化器的進氣口進入，并通過由多組陶瓷碳煙微粒捕集器（DPF）并聯組成的凈化單元將碳煙微粒捕捉，降低尾氣中碳煙顆粒物的濃度；采用DOC氧化HC和CO，并將NO氧化成NO2，從而達到改善工作環境、保護施工人員健康的目的。

目前，國內多家單位已在研究該類尾氣凈化裝置，其中成都艾格科技有限責任公司聯合發電機組生產廠家研發的新型柴油發動機尾氣凈化器于2017年10月26日～30日在重慶軌道交通四號線江北段AG79移動式焊軌機組上進行加裝，經過試驗和檢測，達到預定目標。已正式投入項目軌道焊接施工。加裝前后的固體顆粒物（PM）值、氣態污染物采集見表1、表2[6]。

由表1、表2可知，固體顆粒物和氣態污染物在尾氣凈化裝置加裝后大大降低，極大改善了施工條件。

表1 固體顆粒物（PM）值采集

表2 氣態污染物采集

3 結論

對比分析鋁熱焊、閃光焊和氣壓焊等現場鋼軌焊接方法，鋁熱焊現場排放最少，鋼軌現場閃光焊方法排放最高，但由于閃光焊具有其他焊接方法不可比擬的優越性，在鋼軌現場焊接中占據越來越重要的地位。詳細分析現場鋼軌閃光焊排放大的原因，提出了通過調整焊接加熱及頂鍛過程中的短路電流及其持續時間的解決辦法，取得了較好效果。并介紹了通過增加輔助裝置減少固體顆粒物和氣態污染物排放的方法。