移动闪光接触焊在城市轨道交通无缝线路施工中的应用.doc

移动闪光接触焊在城市轨道交通
无缝线路施工中的应用

摘 要：本文以中铁十一局集团上海轨道交通2号线西延伸段轨道工程为例，介绍在城市轨道交通无缝线路施工中采用现场移动闪光接触焊形成无缝化轨道的实例。并针对K920型移动闪光接触焊机的作业特点对无缝线路闪光接触焊接施工工艺及施工方法做出了详细介绍。
关键词：K920、移动闪光接触焊机、闪光接触焊、无缝线路、轨道交通
随着我国城市建设的迅猛发展，地面公共交通已经越来越满足不了城市居民出行的需要，而城市轨道交通以其大容量、快捷、安全经济、环保等优点已经成为城市轨道交通发展的必然趋势。
城市轨道交通的无缝化对保证列车的平稳性、舒适性以及降低噪音提供了必要条件。在无缝线路施工中钢轨焊接质量对行车安全和延长钢轨使用寿命具有十分重要的意义。钢轨焊接质量既要求焊缝的强度和焊接头的精度，还要求全部焊缝质量的均匀性和一致性。目前我国铁路铺设的无缝路长轨条，一般情况下厂焊采用接触焊，现场联合接头和锁定焊接大部分采用气压焊，少量采用铝热焊。厂焊机械化程度高，焊缝材质与母材等同，且焊机有质量监控系统，保证每个焊接头质量稳定一致，无论是质量、精度都能达到其质量要求。气压焊同接触焊同属于高温塑性状态下的焊接，但是由于焊接过程是手工操作，受工作环境、气候、机具以及操作人员经验和水平的差别的影响，接头的质量具有波动性。铝热焊由于是铸造结构，强度较差，同样受客观条件的影响，加上没有监控系统，铝热焊焊接的质量也不稳定。所以在三种焊接方式中，接触焊的焊接质量最好。我公司在上海轨道交通2号线西延伸段轨道工程无缝线路施工过程中便采用隧道内移动式接触焊，钢轨接头全部采用现场移动接触焊接，经过实践检验，移动式接触焊在焊接效率和焊接安全性以及焊接质量上均能够满足城市轨道交通的行车需要，运营后的2号线西延伸段其舒适性及平稳性得到了广大上海市民的广泛认可。
1. 技术原理
我公司在上海轨道交通2号线西延伸段轨道工程无缝线路施工中采用的是目前业内较为先进的K920闪光接触焊机对25m标准轨进行焊接而形成无缝线路。
K920焊轨机组由两部分组成，分别安装在两个特制的集装箱内。一部分为动力系统，二部分为操作控制系统。动力系统由动力集装箱内的特殊配置的发电机组组成，为闪光接触焊机和机头悬挂装置提供所需的全部动力；操作控制系统由电气控制柜、焊机机头、液压系统、冷却系统、数据采集系统和自耦变压器组成。可按预定的工艺要求自动对钢轨进行焊接，记录焊接数据，判别焊接质量，显示打印焊接曲线和焊接日报表，从而保证了焊接质量，提高了整个焊接管理的自动化水平。
2. K920接触焊机的施工特点
2.1. 控制系统全部自动化，具有自动焊接，数据采集和焊接质量判别功能，保证了焊接接头的质量；
2.2. 焊机机头悬挂装置是一种专用液压双臂起重机，操作灵活方便，有比较宽的作业范围；
2.3. 动力系统能够满足焊机三相用电不平衡、负荷大、不稳定的要求；
2.4. 采用两个专用集装箱，转场时装卸运输灵活，施工时改变作业方向方便，且结构紧凑，占用场地少；
2.5. 焊接过程受计算机控制，保证焊接质量均匀可靠；
2.6. 工艺简单劳动强度小，使用方便，操作灵活，可自发电，也可外接电源；
3. 焊技构造及主要技术参数
3.1. 主要构造
整车由一辆平板车，两个集装箱组成。配备柴油发电机和液压吊机，配上动力轨道车可实现在工地流动作业。
3.1.1. 焊机工作箱
焊机设备安置在焊接工作箱内，包括焊机机头、电气控制系统、焊接数据采集监控系统、液压泵站和冷却系统；焊接工作箱设有液压吊机，承担焊机的吊装任务。
3.1.2. 液压吊机
液压吊机设计为双臂可上下摆动、可伸缩，底盘可旋转。焊机悬挂在吊机上，吊机双吊臂的上下摆动可将焊机从车上移至工作位置，吊机双吊臂的伸缩及转盘支架的旋转可将焊机精确定位于焊接位置。液压吊机采用电液控制，在焊机吊臂的作业半径内，焊机均可焊接。
3.1.3. 动力集装箱
动力集装箱配备一套柴油发电机组。可输出400KVA以上的动力，保证整个焊机的动力供应。
3.1.4. 铁路平车
采用的是二七工厂的X6A型集装箱平车。
3.2. 主要技术参数
3.2.1. 设备外型尺寸：
整机运输尺寸：13500×2600×3300mm(长×宽×高)
集装箱单件尺寸：6100×2500×2500mm
3.2.2. 重量
焊接工作箱（焊机、起吊机构、集装箱等）：14t
动力集装箱（发电机、发动机、控制系统等）：9t
整机总成：42t
3.2.3. 焊机机头主要参数（见表1）
表1-K920焊机机头主要技术参数
额定电压
400V
夹紧力
2500KN
额定初级电流
540A
自重
3500KG
次级电压
6V
外形尺寸
965×1590×1300mm
最大焊截面
15000mm2
60kg/m轨焊接时间
70秒
顶锻力
1000KN
生产速度
15接头/小时

4. 焊前参数设定及型式检验
4.1. 在焊机正式投入生产前必须由专业人员对焊机参数进行设定，并根据设定的参数对焊接质量进行型式检验。一旦各个型式检验项目全部合格，则所设定的参数将作为正式生产时的焊接参数，参数一旦确定未经允许任何人员不得随意更改。
4.2. 型式检验
4.2.1. 型式检验的条件:
4.2.1.1. 焊头试生产。
4.2.1.2. 调试工艺参数及采用新钢种。
4.2.1.3. 周期性生产检验结果不合格时。
4.2.2. 型式检验内容（见表2）
表2-型式检验内容
项目
型式实验
周期性生产检验
说 明
1、静弯
15

每组5根
2、落锤
15
3

3、疲劳
3

每组3根
4、探伤
每个焊头

5、金相
利用冲击试件作一个

6、硬度
2
2

7、外观
15
5

8、抗拉
2

9、冲击
2

特殊地方应提供数据
10、断口
利用1-3项试件检查

4.2.3. 型式检验的方法与标准
4.2.3.1. 静弯试验(用静弯机试验)
试件长度1.2m，试件置于跨距为1m的支座上，焊缝居中承受集中载荷。
取5根试件为一组（计3组）进行静弯试验，每组轨头受压作4根，轨头受拉作1根，载荷见下表。
表3-静弯试验
受力状态
60kg/m
挠度  mm
轨头受拉
1373
≥20
轨头受压
1226
≥15
注:挠度值仅作记录
4.2.3.2. 落锤试验(落锤试验机试验):
试件在焊接后经自然冷却，轨温为0~40℃时方可进行落锤试验。试件长度大于1.2m，试件轨头向上置于跨距为1m的支座，并使焊缝居中。取5根试件为一组（计3组）同一落锤高度锤击试件连续不断为合格，每次锤击后均应测量试件的残余挠度，落锤高度见下表。
表4-落锤试验
锤头重量
锤击一次
锤击二次
1000kg
5.2m
3.1m

4.2.3.3. 疲劳试验:
钢轨焊头试件的疲劳试验按TB1354有关规定进行。
表5-疲劳试验
焊接方法
60kg/m
跨距
接触焊
９4/470(9.6/4.8)
1.0m
4.2.3.4. 探伤检验:
每个焊头均应进行探伤，并按有关标准规定执行。
4.2.3.5. 金相组织及晶粒度检验:
接触大于金相组织为珠光和少量铁素体。
检验方法执行GB6394的规定。焊缝，热影响区及母材的金相组织分别按轨头、轨腰及轨底部位选取试件，晶粒度检验只取轨头部分。
4.2.3.6. 硬度试验:
GB230及GB231规定办理。
4.2.3.7. 外观检验:
钢轨焊头应纵向打磨平顺，不得有低接头，用1m直尺测量钢轨焊头的不直度按表6规定。
表6-外观检验
轨顶面(mm)
轨头内侧工作面(mm)
轨底(mm)
0~+0.2/m
0~+0.2/m
+0.5

4.2.3.8. 抗拉及冲击试验:
试件取样位置见TB/T1632-91图样，焊头及相应母材的抗拉试样各取6根，冲击试样作2根，1根作焊缝，另一根作热影响区。
抗拉试样尺寸加工及试验方法按GB228及6397有关规定执行。
表7-抗拉及冲击试验
抗拉强度σa
伸长率σs
硬度
冲击韧性aAK
≥90%
≥70%
≥90%
≥60%

4.2.3.9. 断口检查
利用静弯，落锤或疲劳试件断口亦可将试件锯口拆断，按GB1814规定进行，用肉眼或放大镜观察断口不得有裂纹，过烧、未焊透，气孔，铸态金属缺陷和肉眼可见的夹碴等不良缺陷。
钢轨焊头的断口允许有少量灰斑。灰斑合并计算面积。断口除轨底角外，允许有少量光斑，暂按单个光灰斑最大面积为8平方毫米，个数不限，但面积不超过50平方毫米，若有光斑露头出现时，应将光斑面积加倍计算。
当用宏观方法难以判别断口缺陷性质时，应作微观检查。
4.2.4. 型式试验结果：
4.2.4.1. 落锤试验15根试件连续不断为合格。
4.2.4.2. 静弯取3组15根静弯试件连续不断为合格。
4.2.4.3. 其它各项按TB1632-91规定标准执行。
4.2.4.4. 型式试验合格后方可批量生产。
4.2.5. 周期性检验：
4.2.5.1. 周期性试验条件：每焊接500个钢轨焊头应作周期性生产检验。
4.2.5.2. 周期性检验内容及试件规定数量见表2。
4.2.5.3. 周期性检验合格标准按TB1632-91规定执行。
4.2.5.4. 周期性检验结果应认真填写试验记录。
5. 移动闪光接触焊施工方案
5.1. 施工工艺
移动闪光接触焊施工工艺见图1-移动闪光接触焊施工工艺流程图。

图1-移动闪光接触焊施工工艺流程图
5.2. 各主要项目施工方法
5.2.1. 焊前钢轨接头除锈打磨
钢轨焊前对焊轨两端进行除锈处理。要求表面光洁，不得有锈斑，打磨量一次不超过0.2mm；待焊轨待焊时间超过24小时或被油水沾污，必须重新打磨处理，打磨长度600mm左右。
5.2.2. 支垫滚轮
在每个焊接接头两端各有一根钢轨，其中一根钢轨由于装载焊轨机组的平板车停放处于固定状态，称为固定端；另一根钢轨在滚轮的支垫下完全处于自由状态，称为自由端。由于焊机机头悬挂装置及起重臂的活动范围为2m左右，为保证两钢轨接头通过液压系统调整能够完全对正，并在轨底预留推瘤刀的活动空间，在固定端距钢轨接头120cm处的轨枕上支垫厚度为15cm、宽度20cm、长度为30cm的方木块，自由端钢轨每间隔6m支垫一个滚轮，滚轮高度15cm，与固定端方木厚度相同，方便钢轨接头对位。
5.2.3. 钢轨接头对正
在钢轨接头对正时，由于固定端支垫方木的原因，固定端钢轨接头会自由向上翘起，在对正时，先用焊机机头悬挂装置的夹钳夹紧两接头，使其在纵向上保持在同一直线上，再通过调整液压系统将两接头下压和拉伸，使接头完全对正。
5.2.4. 接头焊接
在接头对正合格后，接通电源，两钳口通以400v电压，激活自动焊接程序，分别进入预闪阶段、稳定高压闪光阶段、低压闪光阶段、加速闪光阶段和顶锻阶段，顶锻阶段完成后整个焊接过程结束。闪光焊接完成后，钢轨夹紧装置松开两钳口，焊机机头内的推瘤刀立即自动进行推瘤，推瘤完成后一个钢轨接头的焊接正式结束。焊接过程中必须派专人检查焊接曲线图详细分析加速、顶锻和推瘤过程，并根据图形分析焊接质量情况，如图2-焊接过程各主要参数变化图。每日针对焊接日报表检查焊接质量，如图3-每日焊接情况报表，对每日的焊接工作进行全方位监控。

图2-焊接过程各主要参数变化图
5.3. 施工注意事项
5.3.1. 钢轨闪光对接焊管理系统应该用外接的交流220伏电源单独供电，不要从焊机电气控制柜取电。焊接过程中发生异常情况时会按下紧急停按钮，断开焊机机头的供电和电气控制柜的电输出。如果钢轨闪光对接焊管理系统从焊机电气控制柜取电，发生紧急停时，钢轨闪光对接焊管理系统会突然停电，造成计算机系统的破坏。

图3-每日焊接情况报表
5.3.2. 钢轨闪光对接焊管理系统启动前，确保一根通讯线连接好工控机的串口COM1与可编程控制器的串口COM口，并合上可编程控制器的供电电源。通讯线只能连接到工控机的串口COM1，不能是其它的串口，否则构不成通讯，会限制钢轨闪光对接焊管理软件的一些功能。
5.3.3. 操作人员可以查看焊接历史数据和焊接工艺参数，但无权修改焊接工艺参数。只有特定的技术人员凭正确的密码才能修改焊接工艺参数。焊接工艺参数的改变会严重影响焊接结果。
5.3.4. 在焊接现场，由于焊机及其它机器一起工作，产生大量灰尘，应该经常清扫钢轨闪光对接焊管理系统显示器、键盘和鼠标上的灰尘。焊接时，关闭计算机柜的玻璃门。
5.3.5. 打印焊接曲线、焊接日报表前，应确认激光打印机已连接到工控机并开机。
5.3.6. 钢轨闪光对接焊管理系统装有WINDOWS操作系统，应象普通计算机一样开机、关机。
结论：移动闪光接触焊施工技术改变了传统“两拆一铺”的施工工艺，施工成本低，生产效率高，焊接质量容易控制。此项施工技术的成功应用填补了有限公司、集团公司乃至总公司系统在移动接触焊领域的空白。通过在上海轨道交通2号线西延伸段轨道工程无缝线路施工中的实践与应用，此项施工技术已经得到了充分的肯定和证实，对目前国内正在兴建的高速铁路及客运专线无缝线路施工提供了良好的技术储备。
参考文献：《钢轨焊接第1部分：通用技术条件》；
《钢轨焊接第2部分：闪光焊接》；
姜海涛，男，1979年11月16日生，助理工程师，2004年7月大学本科毕业于西安科技大学建筑与土木工程学院，2005年8月至今在中铁十一局集团第三工程有限公司上海地铁项目经理部工作，联系电话：[phone].