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1、二、高速钢轨的焊接,1、钢轨焊接方法2、钢轨闪光焊3、我国铁路钢轨焊接体系4、钢轨闪光焊接设备5、钢轨闪光焊工艺6、钢轨焊接工序与焊接质量7、钢轨闪光焊灰斑,1,1、 钢轨焊接方法,钢轨焊接方法主要有四种： 闪光焊、气压焊、铝热焊和窄间隙电弧焊。欧洲采用闪光焊、铝热焊和窄间隙电弧焊，不采用气压焊； 日本新干线采用闪光焊、气压焊和窄间隙电弧焊； 我国主要采用闪光焊、气压焊和铝热焊。,2,1.钢轨焊接方法,我国三种钢轨焊接方法所占的接头数量比例为：闪光焊约占87，气压焊占10，铝热焊占3。从焊接质量看，闪光焊的质量最稳定，统计的折损率仅为0.007%，铝热焊最差，折损率为0.5%。可见闪光焊是最主
2、要且为最可靠的钢轨焊接方法。,3,1.钢轨焊接方法,钢轨闪光焊：将待焊钢轨分别上下夹紧，钢轨两端相互接近直至接触，电流通过待焊钢轨端部产生的热量，不断形成金属过梁，随着过梁爆破产生闪光、飞溅使被焊端面加热至表面熔化状态，随后加压顶锻，在压力下两端金属相互结晶，使两节钢轨焊接在一起。,4,1.钢轨焊接方法,5,1.钢轨焊接方法,钢轨气压焊： 将需焊接的钢轨端面对准并紧密贴合，用火焰加热端面周围到塑性状态，然后对贴合面加压顶锻。钢轨气压焊的焊接温度较低，只加热到1250左右，且为固相结合，故具有焊接强度高等一般压接法所具有的优点。,6,1.钢轨焊接方法,加热器,火焰,燃气,冷却水,(a) 示意图
3、(b) 焊接作业钢轨气压焊示意图,7,1.钢轨焊接方法,铝热焊是热剂焊的一种。铝热焊是在待焊件之间留出一定的间隙，周围用模具围上，然后点燃坩埚中的焊剂，通过氧化还原反应，放热生成液态金属，将液态金属注入焊件之间的间隙，完成金属的焊接。,8,1.钢轨焊接方法,(a) 焊接断面图 (b) 焊接作业铝热焊,9,1.钢轨焊接方法,钢轨窄间隙电弧焊：将钢轨待焊端部预留一定的间隙，轨底衬上模具，预热后采用手工焊条进行焊接，轨底第一道焊接采用单面焊双面成型，第二层以上采用单道焊接，每道焊接完后进行除渣。轨底焊完后，用模具围住轨腰和轨头两侧，采用连续焊接的方法焊接轨腰和轨头，焊接过程不进行除渣。焊后对接头进行
4、热处理和打磨。,10,1.钢轨焊接方法,11,2、 钢轨闪光焊,钢轨闪光焊机的自动化程度和焊接效率高，焊接接头质量稳定，因此是钢轨焊接最主要的方法。钢轨闪光焊机从机器的使用方法上可以大致分为固定式和移动式两种。,12,固定式钢轨闪光焊机主要用于钢轨的工厂或基地焊接；移动式钢轨闪光焊机主要应用于钢轨的线上焊接以及钢轨锁定焊。,13,固定式与移动式闪光焊比较,固定式闪光焊比移动式闪光焊在钢轨焊接质量上有着明显优势：1）焊前打磨在焊轨基地采用自动打磨机，而线上只能人工打磨，即使焊轨厂采用人工打磨，作业位置和作业环境也都优于线上。,14,2）固定式闪光焊机具有对中功能，而移动式焊机没有此功能。对中调节
5、对于防止接头错边相当重要，一旦出现错边只能通过打磨来消除，而打磨可矫正的量是十分有限的。3）在焊轨基地均采用中频感应加热正火，焊后热处理质量高。现场只能采用火焰加热正火。由于火焰正火受火孔、氧乙炔气压、气候环境等的影响，正火效果常常不够稳定。,15,4）基地固定焊接钢轨后的接头矫直一般采用四向矫直机，并带有焊接接头平直度的激光测量。线上移动焊接只能使用小型单向矫直机，矫直方向只能是水平横向，所以对接头平直度的保证差。,16,5）基地固定闪光焊采用电网供电，而线上移动闪光焊只能采用发电机组。在实际应用中，发电机的电源质量明显不如网电，空载时电压较高，而短路时电压下降幅度很大，因此，不利于焊接质量
6、的稳定。,17,6）环境对钢轨焊接质量的影响也不可忽视。室内焊接无风、无雨，温度相对恒定。室外则完全不同，在有风条件下焊接，焊缝容易产生缺陷，环境温度的高与低，对电器和液压系统产生影响，导致焊接工艺的波动，这些都会直接影响焊接质量。,18,3、我国铁路钢轨焊接体系,钢轨定尺长度越长，焊接接头越少，轨道质量越好。综上所述，在五种钢轨焊接方式中，焊接接头的质量稳定性依次为固定闪光焊、移动闪光焊、气压焊、铝热焊和电弧焊。,19,我国客运专线钢轨的焊接体系：采用100m长定尺钢轨（不用25m或50m）、采用固定式基地闪光焊(不采用移动闪光焊的方式在道边焊)、长钢轨长度采用500m（不采用国外的2004
7、00m）、采用移动式闪光焊或铝热焊进行单元轨节和无缝线路锁定焊(不用气压焊，并尽量减少使用铝热焊)。,20,该焊接体系在钢轨的定尺长度（日本50m、法国80m、德国120m）、焊接长钢轨长度（日本200300m，法国400m）、焊接方式（日本、法国分别采用电弧焊和铝热焊进行锁定焊，焊头质量不及移动式闪光焊）均处于世界领先水平。,21,这一焊接体系首次在京津城际铁路上施工并获得成功。（全路11个焊轨基地现均已投入生产）这也是京津城际铁路无缝线路施工中的重大技术突破之一（即全部采用具有质量稳定的闪光焊技术焊接钢轨）。,22,随着100m定尺钢轨的推广使用，也有在普通铁路施工中直接用移动闪光焊将10
8、0m 长定尺钢轨焊成无缝线路，这样可以减少无缝线路施工效率，为国外铁路近年来大量采用的无缝线路焊接施工方法。,23,4、 钢轨闪光焊接设备,4.1 固定式钢轨闪光焊机可以大致分为两类：一类以瑞士施拉特（SCHLATTER）公司为代表生产的GAAS80（600、700和580）系列直流焊机。另一类是以乌克兰巴顿焊接研究所为代表生产的K系列交流焊机（如K190、K1000）等；是另外，还有焊轨厂使用瑞典伊薩公司的ZFR11焊机。,24,瑞士施拉特（SCHLATTER）公司生产的GAAS80焊机,25,GAAS80焊机 GAAS80系列焊机与K系列焊机有相当大的不同，采用直流电源。直流电源优点是三相
9、电压和电流较为平衡，对电网的污染较小。采用直流电源，钳口部位无交流阻抗，因此，电流回路可以设计的较大，这对于加大钳口部位的空间，方便对中和焊渣的清理都有极大的好处。,26,GAAS80焊机的机械系统十分复杂，电极导电、钢轨对中、顶锻夹紧以及推凸等动作分别由不同组的油缸完成，总共油缸多达30个左右。GAAS80焊机焊接工艺与K系列焊机也不相同，它采用预热闪光工艺。直流焊机由于焊接回路的阻抗小，因此如果采用连续闪光工艺，加热的效率将会大大下降，因此，一般采用预热闪光工艺。,27,乌克兰巴顿焊接研究所生产的K190焊机,28,K190焊机 K190焊机的程序控制也是采用机械控制，钳口的前进与后退也是
10、由涡轮蜗杆连接的随动阀控制，因此，也只能进行连续闪光工艺。K190可以进行夹紧状态下钢轨端部的上下和左右的自由调节，因此，对中的效果好，这为减小钢轨焊后的接头错边提供了良好的基础。,29,乌克兰巴顿焊接研究所生产的K1000焊机,30,K1000焊机 K1000是K190的升级产品，焊机的控制系统进行了PLC以及比例伺服阀的改造，同时，顶锻油缸采用了并联机构。K1000可以进行连续闪光工艺，也可以采用脉动工艺，钢轨的水平夹紧增加了一级轨腰定位，这些功能的增加，更加有利于保证钢轨的对中精度。,31,4.2 移动式闪光焊机大致可以分为两类：应用最为广泛的是以乌克兰巴顿K系列为代表的移动式闪光焊机，
11、如K355、K900、K920以及K922等。除此之外，还有俄罗斯、美国等基本上是K355改进型的，与K系列焊机没有本质差别。,32,另一类移动式钢轨闪光焊机是瑞士施拉特（SCHLATTER）公司生产的AMS60系列焊机，该焊机在我国的应用并不理想，有的不得不进行电源的改造。,33,K355焊机K355焊机没有焊接电压、电流以及位移等工艺参数的记录系统，焊接参数的调整只能靠人工经验或外加系统来判断。焊机没有工艺参数监视系统。钳口的前进与后退是由涡轮蜗杆连接的随动阀控制，反应速度很慢，因此，只能采用连续闪光工艺。,34,乌克兰巴顿焊接研究所生产的K355焊机,35,K900焊机K900是在K35
12、5的基础上将程序控制方法改进成PLC控制，液压采用了比例伺服阀，使得焊机的控制水平有了一个本质的提高，精度达到了0.1秒以内，彻底改变了焊机的操作性能。由于K900的控制精度提高，因此，K900焊机除了可以进行传统的连续闪光焊以外，还可以进行脉动闪光焊。,36,乌克兰巴顿焊接研究所生产的K900焊机,37,K922焊机K922是近几年开发的，最大特点是可以完成保压推凸。由图可以看出，焊接的左端多了两个专用于推凸的油缸。另外，为了减轻焊机的重量，钢轨夹紧油缸采用了升压技术，这样，该焊机可以用于线上的钢轨锁定焊。但是，K922焊机的锁定焊功能应用较为复杂，焊接的稳定性也有待进一步提高。,38,乌克
13、兰巴顿焊接研究所生产的K922焊机,39,瑞士施拉特（SCHLATTER）公司生产的AMS60焊机,40,日本可移动式闪光焊机,41,近年来，美国的Chemetron公司研发出了采用中频（1200Hz）逆变直流焊接电源的移动式钢轨闪光焊机。,42,AMS60焊机 瑞士施拉特（SCHLATTER）公司生产的ASM60焊机的机头与K系列焊机完全不同，可以说是瑞士人独立设计的。ASM60焊机的控制系统的设计存在不足，不仅焊接效率低，而且常常出现“拒绝焊接”现象，在我国进口的几台ASM60中几乎都出现了这一现象。机头重量比K系列重得多，达到了6吨，操作的灵活性受到了限制。,43,5、 钢轨闪光焊工艺,
14、连续闪光焊工艺（ K系列 ）脉动闪光焊工艺（ K系列 ）预热闪光焊工艺（ GAAS80系列）,44,连续闪光焊工艺,基本阶段： 焊接主要可以分为四个阶段：第一阶段为不稳定闪光阶段（或称预热闪光阶段）；第二阶段为稳定闪光阶段；第三阶段为加速烧化阶段；第四阶段为顶锻阶段。连续闪光焊是以连续烧化为主的焊接方法，烧化速度较快，因此，连续闪光焊的第一、第二阶段是按照位移量来设定的，当焊接烧化量达到了设定值，系统自动进入下一阶段。第三阶段一般人为设定为10s。第四阶段按照设定的位移量（顶锻量）设置，一般在1018mm范围内。,45,基本特点： 连续闪光焊接的优点是焊接电流较小，除了开始短路阶段的电流较大以
15、外，其余稳定的连续闪光阶段的平均电流均在400A以下。因此，焊接变压器的负载较小。连续闪光焊的缺点是对钢轨焊接端面加热效率较低，闪光造成的焊接飞溅较大，焊接时间长，一般焊接一个60kg/m钢轨接头需要3min以上。过长的焊接时间，使得加热端面的热量分布不均，顶锻效果下降，因此不适合焊接高碳当量或高强度钢轨。,46,连续闪光焊接工艺曲线,47,脉动闪光焊工艺,基本阶段： 主要可以分为五个阶段：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；第四阶段为加速烧化阶段；第五阶段为顶锻阶段。脉动闪光焊在焊接前期位移量很小，如果用位移量控制每一阶段的截止时间，误差将会比较
16、大。因此，脉动闪光焊的第一、第二阶段是按照时间来设定的。当第一、第二阶段焊接时间达到了设定值，系统自动进入下一阶段。第三阶段和第四阶段与连续闪光焊的方法相同。,48,基本特点： 脉动闪光焊的优点是加热效率高，焊接时间明显较小，一般至少可以减少1/3的时间。在减少时间的同时，加热量却明显升高，由此，弥补了连续闪光工艺的不足。脉动闪光工艺目前已经比较成熟，广泛应用于U75V等钢轨的焊接，取得了良好的抗落锤冲击的效果。但值得注意的是，K系列焊机均为单向交流电源，脉动闪光时的偏载现象较为严重。另外，由于短路时间长，因此，焊接变压器的负载很大。,49,脉动闪光焊接工艺曲线,50,预热闪光焊工艺,基本阶段
17、： 焊接主要可以分为四个阶段：第一阶段为闪平阶段；第二阶段脉动短路阶段（也有的称为预热阶段）；第三阶段为加速烧化阶段；第四阶段为顶锻阶段。与脉冲闪光焊相比，预热闪光焊的加热效率更高，烧化能力也更强。,51,基本特点： 一般采用主动的长时间短路的焊接方法。预热闪光工艺主要应用在直流焊机上，因为直流焊机的阻抗较小，连续闪光时的飞溅较大。如果在直流焊机上采用连续闪光工艺，会造成焊接加热效率进一步下降，焊接时间进一步延长。 。,52,预热闪光焊接工艺曲线,53,6、 钢轨焊接工序与焊头质量,钢轨厂焊基本工位,54,6、 钢轨焊接工序与焊头质量,焊轨厂改造前基本工位：-配轨-轨端矫直-焊前除锈-焊接-接
18、头粗磨-焊后热处理-空位-焊后强冷-矫直-精磨-探伤-焊轨厂改造后（焊接百米钢轨），分为焊接和精整两条线，焊接线工位布局： -配轨-轨端矫直-焊前除锈-焊接-焊后热处理-时效精整线工位布局：-矫直-精磨-探伤-,55,6.1 焊前检查钢轨表面质量及型式尺寸不合格钢轨不能用于焊轨生产。用样板检查钢轨型式尺寸。,56,6.2 焊前矫直端头弯曲钢轨应进行矫直或切除弯曲部分后，方可进行焊轨生产。* 端头弯曲会引起焊缝错边,57,6.3 焊前除锈：待焊钢轨端面及与闪光焊机电极接触部位应除锈打磨干净。,58,打磨比较彻底 打磨不彻底* 除锈不彻底会导致：1）焊接热输入不足；2）严重时产生电极灼伤。,59,
19、1）焊接热输入不足；,焊接部位偏窄，落锤试验容易断成三节。,偏窄,60,2）电极灼伤,灼伤部位位于电极处,灼伤部位,61,落锤试验时，电极灼伤处发生断裂,62,电极灼伤处显微组织为脆性马氏体,63,电极灼伤本质：当钢轨与电极接触不良，或接触面上有未清除干净的残留焊渣，通电时会引起局部接触电阻增加，使其迅速加热和冷却，从而导致钢轨金属组织发生变化，并产生马氏体组织。,64,防止方法1）钢轨电极除锈彻底；2）焊接前检查电极是否有焊渣等异物，特别是下电极；3）钢丝刷除锈机仅限于新轨使用，有明显锈蚀的钢轨必须采用砂轮除锈。,65,6.4 焊接和推凸6.4.1 焊前轨温不宜低于10。6.4.2 焊接接头
20、轨头、轨底下表面和轨底上表面推凸余量不大于1mm，其他部位不大于2mm。,66,6.4.3 焊渣不应挤入母材和划伤母材。 * 推凸时温度过低易引起开裂。,推凸方向,67,轨腰先期开裂,68,6.4.4 推凸后（打磨前）接头错边量：轨顶纵向中心线处0.5mm；轨头工作侧面轨顶面下16mm 0.5mm；轨脚边缘水平方向2.0mm。错边量测量方法,69,6.5 粗磨 应沿钢轨纵向打磨。错边打磨应均匀过渡。不得出现打磨灼伤。表面粗糙度应满足探伤要求。,70,6.6 焊后热处理 6.6.1 检查热处理设备和工艺参数是否正常。检查焊头焊缝是否位于加热感应器中心。6.6.2 焊头正火起始加热温度应低于500
21、，轨头加热温度850950。为保证焊接接头轨顶面硬度，无论是淬火轨还是未淬火轨，焊接接头轨头均应喷压缩空气冷却。,71,焊后热处理工艺不当产生的问题及对策,问题：1）未进行加热正火热处理；2）焊后未喷风冷却；3) 焊头过早水冷出现马氏体组织；对策：1）做好记录；2）对接头采用喷风冷却。3）防止接头400 以上进行水冷；,72,1）未进行焊后加热热处理,未经热处理 经过热处理,73,2）焊头过早进行水冷，导致出现马氏体组织,正常珠光体组织 异常马氏体组织硬度： HV 332 硬度：HV 830,74,3）焊后未进行喷风冷却,焊接接头硬度过低,硬度,焊缝中心,75,6.7 焊接接头矫直当采用冷矫直
22、时，焊接接头温度应低于400，有条件情况下可以在常温下进行。平直度应符合规定值。,76,6.8 外形精整及平直度检验6.8.1 外形精整不应使焊接接头或钢轨产生任何机械损伤和热损伤。6.8.2 不允许用外形精整方法纠正超标的平直度偏差和接头错边。6.8.3 经矫直和外形精整后，焊接接头的平直度和表面质量应满足要求。,77,* 打磨不当引起焊接接头裂纹,78,原因：对钢轨轨头打磨用力太猛，造成局部金属急速升温到Ac1以上，并且当砂轮移开后，金属又急速冷却至Ms点以下，由此形成白亮马氏体组织，硬度达到HRC61，在使用过程中造成开裂。 解决办法：严格按照钢轨焊接接头打磨工艺规程操作，打磨时压力、进
23、刀量要适中，避免由此而产生的组织缺陷。,79,钢轨焊接接头精磨机,80,6.9 超声波探伤按TB/T 1632.1的规定进行。*三种裂纹：,1）垂直焊缝的热影响区裂纹（第一种）右图中的右侧较白处为焊缝，左侧为焊接热影响区（HAZ）。裂纹位于热影响区的过热区。,81,2）与焊缝呈一定角度的热影响区裂纹（第二种）裂纹沿着50左右的方向扩展，裂纹在过热区。,82,3）轨脚端部的焊缝裂纹（第三种）断口形貌见右上图，实际为未焊合灰斑。由右下图可见，裂纹位于焊缝中心，从表面沿焊缝中心一直延伸至内部。这种裂纹的深度较长，危害性较大，有时，在侧矫过程中，就会引起钢轨焊接接头断裂。,83,1）前两种裂纹均位于推
24、凸面的下方，有的裂纹到达表面，有的位于次表面，并且裂纹位于焊缝近区的过热区；2）由于前两种裂纹位于热影响区，而并非在焊缝，与断口灰斑无关；3）第三种裂纹位于焊缝，属于灰斑。,84,7、钢轨闪光焊灰斑,7.1 灰斑 （ flat spot）定义： 面积型缺陷，是闪光焊焊缝断口中的局部光滑区域，一般呈圆形/椭圆形，灰斑色泽与焊缝断口金属不同，平而亮、或呈灰色。与周边金属有明显界限。,85,7.2 灰斑的宏观和微观特征7.2.1宏观特征,灰斑,灰斑,86,7.2.2 微观特征,87,7.3 灰斑对焊缝力学性能影响7.3.1 灰斑缺陷降低焊缝强度拉伸试样断口存在灰斑,88,7.3.2 轨脚存在灰斑缺陷造成落锤断裂,89,7.3.3 灰斑缺陷在使用中形成核伤,源A,源B,90,源A进一步放大存在非金属夹杂物,91,92,93,94,95,
