有軌電車合金鋼道岔與鋼軌閃光焊接技術

王秀菊，李琪

中鐵寶橋集團有限公司 陜西寶雞 721006

1 序言

有軌電車作為新興的城市軌道交通在各大城市興起，基于城市復雜的交通現狀，在行駛方向轉換處的道岔設計限制條件多，因此其結構形式隨之很復雜，且要保證乘坐的舒適性需要，全線路的連接采用無縫化設計，而無縫化連接可通過閃光焊接技術實現。

閃光焊接時，要在兩焊件上施加相同的焊接電流和頂鍛力，因此要求兩焊件的截面形狀、對接面積和輪廓尺寸相等或相近。根據這一原理，對合金鋼道岔接頭進行模擬鋼軌外形設計加工。基于鋼材限制和有軌電車道岔運行需要，合金鋼道岔設計選用了上下層不同材質組合結構，上層采用耐磨性和焊接性好的NM400鋼，下層采用Q235鋼，鋼軌材質為U75V，這就出現了在道岔與鋼軌的焊接接頭處為3種材質的焊接。為了實現閃光焊接，對合金鋼道岔與鋼軌焊接端部的90mm進行仿鋼軌形狀加工，以便實現與鋼軌相近截面的閃光焊接。

相同材質的兩焊件進行閃光焊接時，其熱導率、電導率及熱膨脹系數等主要影響指標均相同，焊接工藝范圍較寬，焊接參數的調試比較容易，而對多種不同材質組合的焊接接頭，其焊接工藝范圍較窄，參數調試難度大。本文通過對各個材質的熱導率、電導率及熱膨脹系數等主要影響指標進行分析，進行閃光焊焊接參數的初步調試，使用調試的參數焊接試件。試件焊接完成后進行感應加熱正火，細化晶粒，改善焊接接頭組織性能。隨后進行各項性能的檢測，包括顯微組織、鋼軌頂面硬度、拉伸試驗、沖擊試驗、疲勞試驗及靜彎試驗，最終得出各項性能均滿足要求且有一定儲備的焊接工藝方法和參數，實現了合金鋼道岔與鋼軌焊接接頭的自動閃光焊接。

2 合金鋼道岔閃光焊接接頭設計

基于閃光焊接要求兩焊件的截面形狀、對接面積和輪廓尺寸相等或相近這一原理，對有軌電車合金鋼道岔閃光焊接端進行接頭設計和加工，合金鋼道岔焊接端上層與下層通過上下層焊接成整體，形成合金鋼道岔閃光焊接接頭，如圖1所示。

圖1 合金鋼道岔端部分層設計

在工廠內，將有軌電車合金鋼道岔接頭與槽型鋼軌通過閃光焊接進行對接，對接接頭形式如圖2所示。在線路上，槽型鋼軌與接長槽型鋼軌采用普通鋁熱焊進行連接，從而形成有軌電車的整個線路軌道。

3 閃光焊接工藝方法

通過閃光焊接將圖2所示的接頭焊接在一起，滿足有軌電車無縫化線路需要，閃光焊接現場如圖3所示。焊接工藝過程包括：閃光（閃平階段）、預熱、等速閃光、快速閃光、頂鍛、2次加熱，焊接總持續時間約為2min，接頭總燒化量約30mm。針對所焊接兩端母材材質不同，其熱導率、電導率、熱膨脹系數不同，以及槽型鋼軌端面形狀分布不集中等情況，將預熱次數加大到9次，燒化閃光的位移極限與閃光電流進行配合調整，盡量達到熱輸入均勻，使接頭兩端材質燒化和熱量達到最大限度的平衡，然后進行頂鍛。區別于相同材質的焊接工藝，頂鍛后還需要進行2次加熱，降低接頭的冷卻速度。

圖2 合金鋼道岔與槽型鋼軌閃光焊對接

圖3 閃光焊接現場

4 閃光焊接接頭熱處理方法

由于閃光焊接的快速頂鍛、燒化、連接及熔合等特點，會形成接頭應力大、微觀組織不均勻等現象，故需要對接頭進行焊后熱處理，以消除應力、細化晶粒。有軌電車合金鋼道岔與槽型鋼軌焊接接頭的焊后熱處理加熱溫度為850～930℃，加熱范圍在以焊縫為中心的200mm內，加熱采用中頻感應加熱方式，加熱要均勻。焊接接頭部位溫度降低到（400±20）℃時，用保溫棉對焊接接頭進行包裹，以緩慢冷卻。

5 焊接接頭的各項性能檢測及質量要求

（1）焊接接頭檢測項點 有軌電車合金鋼道岔與槽型鋼軌接頭性能檢測要求包括：平直度和表面質量檢測、超聲波和滲透檢測、靜彎試驗、落錘試驗、接頭拉伸試驗、沖擊試驗、疲勞試驗、軌頂面硬度及顯微組織檢測，其中試件數量見表1[2]。

表1 接頭檢測的項目及受檢焊接接頭試件數量 （個）

（2）焊接接頭質量 經過各項性能檢測，有軌電車合金鋼道岔與鋼軌閃光焊接接頭質量良好，符合道路運行標準要求，焊接接頭質量要求見表2。

表2 焊接接頭質量要求

6 工程應用實例

采用閃光焊接不僅效率高，焊接過程自動化程度高，焊接過程可減少環境污染和職業健康危害，而且操作簡單，一般技術工人通過培訓指導即可上崗操作，最大限度地減少了由于工人操作水平和責任心對產品質量的影響因素。目前，這種結構形式的合金鋼道岔采用閃光焊接無縫化線路，已經在我國多條城市有軌電車線路上得到應用，如武漢光谷T1/T2線有軌電車、深圳龍華有軌電車及甘肅天水有軌電車等項目，其中武漢光谷有軌電車道岔施工及線路運行狀態如圖4所示。這些線路道岔均分布在城市繁華交通路段，日通過量較大，通車均達到三年以上，電車通過道岔焊接段的平穩性、舒適性較好，閃光焊接接頭質量可靠。

圖4 武漢光谷有軌電車道岔制造及線路運營

7 結束語

通過對有軌電車合金鋼道岔端部設計，使之滿足與標準槽型鋼軌實現端面形式的對稱度要求，通過調整閃光焊各項焊接參數，采用合適的熱處理工藝，克服了3種材質性能差別造成的焊接難度。經試驗檢測及產品上道驗證，證明焊接接頭質量穩定，各項性能滿足使用要求。