公彦良

(中铁十六局集团公司第四工程有限公司,北京　101400)



YHG-1200TH闪光焊机在兰新高铁钢轨焊接中的应用研究

公彦良

(中铁十六局集团公司第四工程有限公司,北京101400)

摘要：兰新铁路第二双线新疆段LXTJ6标负责铺设长钢轨约650单线km,无缝线路采用60 kg/m、U71Mn(G)钢轨。为了保证钢轨焊接接头的质量,提高焊接效率,兰新铁路长钢轨接头焊接采用YHG-1200TH型移动式闪光焊机进行施焊。介绍该焊机的性能、焊接工艺参数选定方法和钢轨闪光焊焊接接头的型式检验方法,通过试验和实践验证所选工艺参数的合理性。

关键词：兰新高速铁路；无缝线路；YHG-1200TH型闪光焊机；钢轨闪光焊接；施工

1概述

兰新铁路第二双线(简称“兰新高铁”)正线全长1 776 km，其中新疆境内线路长度710 km，是亚欧大陆桥快速通道的重要组成部分，是我国在西北戈壁地区修建的第一条高速铁路。无缝线路的平顺性好，行车平稳，旅客乘坐舒适度高，非常适合高速和重载列车的运行，还可以减少机车车辆的运营费用[1]。兰新高铁全线铺设CRTS-Ⅰ型双块式无砟轨道，一次铺设跨区间无缝线路，兰新高铁开通运营速度为250 km/h。

兰新高铁新疆段LXTJ6标铺轨工程起讫点里程为DK1501+500至DK1834+488，正线铺轨约650单线km，铺轨施工内容包括长钢轨铺设、工地钢轨焊接等。兰新高铁采用了60 kg/m、U71Mn(G)钢轨。工地现场焊接接头数量为2 450个。

2YHG-1200TH型钢轨闪光焊机简介

2.1　钢轨焊接设备发展

我国铁路铺设无缝线路的钢轨焊接分为厂焊和现场焊。厂焊采用闪光接触焊，焊接接头的强度和精度均能达到钢轨焊接质量要求。现场焊如采用小型气压焊和铝热焊，焊接质量较难控制。随着我国铁路建设的快速发展，钢轨现场焊接中铝热焊和气压焊将大量被自动化程度高、焊接质量稳定的移动闪光焊代替。近几年，我国的移动式钢轨闪光焊发展十分迅速，应用范围大幅度提高[2]。

闪光焊接头质量是由一系列先进的装备以及完善的工艺来保证的[3]。移动式钢轨闪光焊机主要用于钢轨的工地焊接，属实现线路无缝化的关键设备。

YHG-1200TH型移动式钢轨闪光焊机是我国自主研发的最新焊轨设备[4]。YHG-1200TH型移动式钢轨闪光焊机最大焊接效率是12～16头/h，明显优于现有同类焊机。在京沪高速铁路和兰新高速铁路项目中均应用了这种闪光焊机(图1)。

图1　YHG-1200TH在兰新二线6标工地焊轨作业

2.2　设备性能

YHG-1200TH型移动交流钢轨闪光焊机可实现脉动和连续闪光焊接工艺。

(1)YHG-1200TH型移动式钢轨闪光焊机的钢轨夹持机构采用杠杆原理，实现了夹持力的放大，减小了夹紧油缸尺寸，降低了油缸最大工作压力，从而改善了焊机工作的安全性能。

(2)焊接变压器采用次级内冷方式，大大减小了变压器的体积，有效提高了散热效率。

(3)焊机具有保压推凸功能，可根据实际需要调整保压时间，进一步提高了线上钢轨焊接接头的质量。

(4)起吊系统在设计上充分考虑到了曲线超高和小半径曲线处钢轨接头的焊接。

(5)电控系统具有动作指示功能，能够实现整个钢轨焊接过程的自动监视和控制，提高了故障诊断效率。

(6)系统软件采用了独特的用户权限管理和数据加密方式，可有效防止任意修改和复制焊接参数及焊接数据，并具有独立的曲线查看功能，能够对焊接曲线进行快速查看和缩放等操作。

(7)YHG-1200TH型移动式交流钢轨闪光焊机配备的数控软件将电流-时间曲线、电压-时间曲线、位移-时间曲线及压力曲线合成在一个窗口上，一目了然，方便操作人员控制焊接作业。

(8)YHG-1200TH型移动式交流钢轨闪光焊机实现了钢轨闪光焊质量信息的采集与控制可视化，焊接质量数控，焊接结果合格与否随焊接结束而显示。

YHG-1200TH型移动式交流钢轨闪光焊机性能稳定、可操控性、造价低，是我国自主研发的专门用于铁路施工现场钢轨焊接的闪光焊机，完全可以替代国外同类产品[4]。

YHG-1200TH型移动式闪光焊机可以满足各种材质(U71Mn，U71Mn(G)，U75V和U76BNbER等)、各种规格(43、50、60、75 kg/m等)钢轨的基地焊或现场焊。

2.3　设备构造

移动式交流钢轨闪光焊机主要由供电设备(发电机组)、焊接主电路、液压系统、水冷系统、控制系统、吊装系统、机械系统和集装箱等8部分组成，发电机组因体积大等原因单独置于一个集装箱中，其他几部分均集成在另一个集装箱中[4]，如图2所示。

图2　YHG-1200TH焊机整体结构示意

2.4　设备技术指标

YHG-1200TH型移动式钢轨闪光焊机的技术参数见表1。

表1　YHG-1200TH型焊机主要技术参数

3钢轨闪光焊施工工艺

在高速铁路正线上将500 m长钢轨焊接成一定长度的单元轨节，再对单元轨节进行应力放散及锁定，单元轨节长度宜为1 000～2 000 m，最短不得小于200 m[5]。将500 m长钢轨焊接成单元轨节采用现场单元焊，将单元轨节焊接并应力放散锁定为锁定焊。现场焊一般采用闪光焊，钢轨闪光焊工艺流程[6]：钢轨焊前检查→矫直钢轨→焊前除锈→焊接和推凸→粗磨→焊后热处理→焊接接头矫直→外形精整及平直度检验→超声波探伤→焊接接头编号。

3.1　闪光焊工作原理

钢轨闪光焊也叫接触焊，其工作原理是利用电流通过电阻时所产生的热量熔接焊件，再经顶锻以完成焊接[7-8]，如图3所示。

图3　闪光焊工作原理示意

3.2　焊接工艺选择

一般认为，脉动闪光工艺比连续闪光工艺有利于焊接质量的提高[2]。钢轨焊接采用脉动闪光工艺的优点：可实现高效焊接；可缩短焊接时间；提高轨道焊接效率2～4倍；焊接接头灰斑缺陷数量少，落锤合格率与优质率明显提高；可以改善焊接变压器的工作条件，减少钢轨焊接消耗量，节约工程成本[9]。兰新高铁长钢轨现场单元焊和锁定焊采用了脉动闪光焊接工艺。

脉动闪光焊接工艺一般分为5个阶段:第一阶段为不稳定脉动闪光阶段；第二阶段为稳定脉动闪光阶段；第三阶段为连续闪光阶段；第四阶段为顶锻阶段；第五阶段为保压阶段。为了获得较为理想的脉动闪光过程，第一和第二阶段参数还可以进一步分解成若干步骤(表2)，脉动闪光焊工艺曲线见图4。

表2　YHG-1200TH型焊机焊接工艺步骤

图4　兰新铁路LXTJ6标单元焊脉动闪光焊工艺曲线

3.3　焊接工艺参数

脉动闪光焊接主要工艺参数包括：焊接电压、电流、送进速度、持续时间、位移、顶锻速度、顶锻持续时间和顶锻量等。制定钢轨闪光焊工艺参数应从以下几点考虑[10]。

(1)必须在两待焊钢轨两端建立适当的加热区和温度梯度且保证钢轨端面上的温度分布均匀。

(2)设法使钢轨焊缝处的金属在闪光加热过程中不被氧化。

(3)钢轨焊接接头的两边应有足够的塑性变形区。

兰新高铁试验选定的焊接参数见表3、表4。

表3　兰新高铁LXTJ6标段单元焊工艺参数1

选择脉动闪光保压推瘤模式，由可编程序控制器自动控制焊接电流、电压、位移、压力等参数，焊接时间约2 min，当焊接系统的压力降到21 MPa焊头温度低于400 ℃以后，才能松开焊机[11]。

表4　兰新高铁LXTJ6标段单元焊工艺参数2

4焊接接头型式检验方法和结果

兰新高铁采用60 kg/m、U71Mn(G)钢轨，由包钢中铁轨道有限责任公司生产制造。按照施工标准[12]要求，批量开始进行长钢轨现场单元焊之前，采用YHG-1200TH型移动式交流钢轨闪光焊机按照表3、表4焊接工艺参数焊接了型式检验试件，并报送中国铁道科学研究院金属及化学研究所进行试验检测。一批型检试件共37个焊接接头，检测项目包括：落锤、断口、静弯、疲劳、冲击、拉伸、硬度、显微组织共8项，检验依据相关标准[13-14]进行。焊接完成的钢轨闪光焊接头见图5。

图5　YHG-1200TH焊机完成钢轨闪光焊接头

4.1　落锤和断口

落锤试验的锤质量为1 000 kg，落锤高度3.1 m，支距1 m，试件轨头向上，焊缝居中。利用落锤试验后的试件，补加锤击击断，肉眼检查断口。该检测需15个焊接头试件，每个试件经2 m高落锤试验均为发生断裂。断口未见超标缺陷。

4.2　静弯

静弯试验的支距为1 m，焊缝居中，焊缝中心承受集中载荷。试验规则为：每5根试件为1组，其中4根轨头受压，1根轨头受拉，共进行3组。试验结果显示拉力和压力均满足标准要求。

4.3　疲劳

一批试件中对31、32号和33号试件进行疲劳试验，3个焊接接头疲劳试验载荷循环次数为2×106次，均未断裂。

4.4　冲击

对34号焊接接头试件取样进行冲击试验，采用夏比U型缺口冲击试验方法，试验环境温度为20 ℃。试验结果：AKU=6.9 J>6.5 J，合格。

4.5　拉伸

对35号焊接接头试件取样进行拉伸试验，焊接接头拉伸试样直径为φ10 mm，延伸率标距为50 mm。试验结果：

Rm=877 MPa>800 MPa，合格。

A=12.8%>6%，合格。

4.6　硬度

4.6.1焊接接头轨顶面和纵断面硬度

对36号焊接接头试件取样测试轨顶面布氏硬度，焊缝处记为“0”点，向焊缝两侧每隔7.5 mm测量一点，检测结果见表5。

表5　焊接接头轨顶面硬度测量结果(HB)

对37号焊接接头试件取样测试纵断面洛氏硬度，焊缝两侧每隔5 mm，测量一点，检测结果见表6。

表6　焊接接头纵断面硬度测量结果(HRC)

4.6.2软化区宽度

利用测试线1上各测点硬度值绘制硬度曲线和绘制0.95HP水平线，测试焊缝两侧水平线以下的硬度曲线宽度W，标准要求W≤20 mm，测试结果见图6。

图6　软化区宽度测试曲线

4.7　显微组织

利用硬度试件进行焊接接头显微组织试验，取样位置见图7，箭头指向面为观察面，轨头1处和轨底2处。

标准要求焊缝、热影响区:珠光体，可出现少量铁素体；不应有马氏体、贝氏体和魏氏组织。

试验结果焊缝和热影响区显微组织为珠光体和铁素体，未见异常组织(图8)。

图7　显微组织试验取样图(单位：mm)

图8　焊接接头金相组织

5结语

(1)兰新高铁现场焊焊接工艺试验确定的焊接参数稳定可靠，焊接接头各项技术性能均达到了规范的要求，可按型式检验合格的焊接参数进行接头的批量生产。

(2)兰新高铁新疆段LXTJ6标段采用YHG-1200TH型移动式闪光焊机顺利完成了现场焊轨任务，焊接施工过程数据显示，现场单元焊和锁定焊焊接接头轻伤率为1.5%，重伤率为0.8%。

参考文献：

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Application of YHG-1200TH Flash-butt Welding Machine on Lanzhou-Urimqi High-speed Railway GONG Yan-liang

(The 4th Engineering Co., Ltd. of China Railway 16th Construction Bureau Group Co., Ltd, Beijing 101400, China)

Abstract：The sixth section of Lanzhou～ Urimqi second double track railway line in Xinjiang covers some 650 km track-laying in terms of single track. 60 kg/m U71Mn (G) rail is used for CWR. In order to guarantee the quality and improve the efficiency of rail welding, YHG-1200TH flash-butt welding machine is employed. The paper introduces the functions and performances of the machine, the methods for selecting welding parameters and quality examination. The rationality and validity of the selected welding parameters are proved experimentally.

Key words：Lanzhou～Urimqi high speed railway; Continuously welded rail; YHG-1200TH flash-butt welding machine; Rail flash welding; Construction

中图分类号：U213.9+2

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.02.007

文章编号：1004-2954(2016)02-0033-05

作者简介：公彦良(1971—)，男，高级工程师，1997年毕业于兰州铁道学院土木工程系，工学学士，E-mail：gylxy1971@163.com。

基金项目：中国铁道建筑总公司科技研究开发计划项目(2011-05B)

收稿日期：2015-07-02； 修回日期：2015-07-13