基于閃光焊和鋁熱焊的鋼軌焊接接頭不平順研究

鐘 浩

(中鐵物總運維科技有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

無縫線路鋪設工藝主要包括軌道鋪設、鋼軌焊接和鋼軌鎖定三個環節，其中鋼軌焊接是實現無縫線路最重要的部分，是影響無縫線路正常運行的關鍵[1]。鋼軌的焊接接頭是整個無縫線路中最薄弱的部位，為確保無縫線路能正常運行，就必須要保證鋼軌焊接接頭的整體質量。至今已經基本成熟的鋼軌焊接方法主要有鋁熱焊、閃光焊、氣壓焊以及電弧焊四種，這幾種焊接方式均可以滿足高速鐵路和重載鐵路的現場使用要求。雖然現有的鋼軌焊接方法各不相同，但是其焊縫質量總是與所采用的施工工藝、焊接設備以及操作手法息息相關，特別是設備的精準控制和操作人員的焊接水平[2，3]。國內外對鋼軌焊接接頭進行了大量理論與試驗研究，Steenbergen等[4-6]研究了輪軌動作用關系對焊接接頭產生的影響，采用了彈簧質量的方式，得出焊接接頭的不平順與所受的最大輪軌作用成函數關系，同時也證明了列車的運行速度和輪軌最大作用力與焊接接頭不平順之間的關系。郭俊[7]建立了輪軌接觸的有限元模型，研究了輪軌的沖擊損傷、輪軌制動損傷以及輪軌的磨損損傷機理。翟婉明等[8]應用自主開發的VICT仿真軟件，模擬提速對列車的鋼軌不平順的動力效應，根據研究結果對我國線路焊接不平順的維修規范提出了一些建議。溫澤峰等[9，10]建立了鋼軌的輪軌接觸三維彈塑性有限元模型，分別將列車的速度、軸重、材料的強化模量等基本參數考慮進仿真模型，對不同工況下鋼軌沖擊過程中的應力分布情況進行了分析。

目前對于焊接接頭損傷的研究基本是以模擬實驗與有限元仿真為主，直接對現場使用的焊接接頭的研究較少。本文選取現場閃光焊和鋁熱焊作為研究對象，從鋼軌焊縫前后廓形、不平順以及接觸光帶等方面對這兩種焊接工藝進行了全面對比分析。

1 兩種焊接方式的對比分析

本文選取成都局川黔線進行閃光焊和鋁熱焊測量，測量指標包括鋼軌廓形、鋼軌不平順以及表面接觸光帶寬度。圖1為現場測量點分布情況說明，“0”位置為焊縫位置，分別往兩端各測試5個點，間距為100 mm。

圖1 焊縫前后廓形分布點

1.1 鋼軌廓形分析

圖2、圖3分別為川黔線上兩種焊縫前后廓形對比分析。從圖2、圖3中可以看出：在鋼軌關鍵區域±25 mm之間，閃光焊廓形前后一致性較好，最大偏差在0.3 mm左右；而鋁熱焊前后廓形最大偏差值可達1.5 mm，并且偏差區間波動較大，說明閃光焊鋼軌廓形一致性明顯好于鋁熱焊。為進一步分析兩種焊接方式鋼軌廓形一致性情況，對兩種焊接方式進行了最大偏差值統計，如圖4所示。從圖4中可以看出：閃光焊前后最大偏差較小，偏差值在0.2 mm～0.4 mm范圍內；而鋁熱焊最大偏差值在0.4 mm～1.5 mm之間，閃光焊的前后一致性明顯優于鋁熱焊。

圖2 鋁熱焊焊縫前后廓形對比

圖3 閃光焊焊縫前后廓形對比

圖4 兩種焊接方式焊縫關鍵區域的最大偏差值對比

1.2 焊縫前后平直度分析

為研究鋼軌焊縫前后不平順情況，對鋼軌閃光焊和鋁熱焊進行了1 m焊縫平直度測試，具體結果如圖5、圖6所示。從圖5、圖6中可以看出：焊縫不平順表現為凸焊縫和凹焊縫，鋼軌鋁熱焊不平順幅值明顯高于閃光焊不平順幅值，鋁熱焊平直度波動范圍較大。為進一步分析焊縫平直度，對平直度進行箱形圖分析，如圖7所示。從圖7可以看出：鋁熱焊不平順幅度普遍偏大，1 m范圍內波動較大；而閃光焊相對波動范圍較小，表現為更加平順，說明閃光焊平直度要優于鋁熱焊平直度。

圖5 鋁熱焊焊縫前后鋼軌平直度

圖6 閃光焊焊縫前后鋼軌平直度

圖7 軌道焊縫平直度箱形圖分析

1.3 焊縫前后接觸光帶分析

為研究焊縫前后鋼軌接觸光帶情況，對焊縫前后接觸光帶進行了統計，兩種焊接方式的接觸光帶分別如圖8、圖9所示。從圖8、圖9中可以看出：鋁熱焊的接觸影響區域最大可達前后500 mm，而閃光焊只有300 mm的影響區域，這與鋼軌表面不平順和廓形有關。圖10為兩種焊接方式接觸光帶的統計分析。由圖10可知：鋁熱焊接觸光帶影響區域為前后500 mm，而閃光焊接觸寬帶影響區域為前后300 mm，說明閃光焊的鋼軌廓形一致性和接觸光帶影響區域都要優于鋁熱焊。

圖8 鋁熱焊焊縫前后鋼軌接觸光帶

圖9 閃光焊焊縫前后鋼軌接觸光帶

圖10 兩種焊接方式接觸光帶影響情況分析

2 結語

經過現場閃光焊和鋁熱焊對比分析，可以得出以下結論：

(1) 在鋼軌廓形方面，鋼軌焊接接頭閃光焊前后廓形一致性明顯優于鋼軌鋁熱焊，閃光焊外觀質量要好于鋁熱焊。

(2) 在不平順方面，閃光焊要明顯優于鋁熱焊，其不平順變化幅度較小，箱形圖整體區間較小。

(3) 在接觸光帶方面，鋁熱焊前后光帶不一的情況不超過500 mm，閃光焊為300 mm，說明其只是對焊接區域局部范圍有影響。