城市轨道50Kg/m攀钢U71Mn钢轨焊接工艺研究
郭瑞林
【摘要】随着我国现代化高速铁路的发展，无缝线路的运用越来越多，列车速度越来越快，对钢轨焊接接头质量的要求也越来越高。为了减少车辆段内产生的噪音和震动对附近居民的影响，越来越多的地铁运营公司要求车辆段内铺设的50轨也要采用无缝线路技术，它对减少列车运行阻力，提高列车运行速度，延长机车车辆使用寿命，降低线路维护费用，减少列车经过时产生的噪音和震动有很大的作用。目前用于钢轨焊接方法主要有三种，即闪光焊﹑气压焊和铝热焊，鉴于闪光焊焊接自动化程度和生产效率高，焊接质量稳定的优点，工地25米钢轨焊接越来越多的采用了移动式闪光焊接的施工工艺，并且已经形成了一套适宜于50Kg/m钢轨的焊接工艺。
【关键词】城市轨道;50Kg/m攀钢U71Mn;焊接工艺
Study on welding technology of urban track 50Kg/m climbing steel U71Mn rail
Guo Rui-lin
（Institute of Welding， Southwest Jiaotong UniversityXianyangShanxi712000）
【Abstract】With the development of modern high-speed railway in China， the use of seamless lines is more and more， the speed of trains is faster and faster， and the quality requirement of welded joints for Rails is higher and higher. In order to reduce the impact of noise and vibration generated in the depot on nearby residents， more and more subway operators require that the 50 rails laid in the depot also use seamless line technology， which reduces the resistance of the train and improves the speed of the train. Extending the service life of locomotives and vehicles， reducing the cost of line maintenance， and reducing the noise and vibration generated by the train during passing have a great role. At present， there are three main methods for rail welding， namely flash welding， pneumatic welding， and aluminum hot welding. In view of the degree of automation and high production efficiency of flash welding， and the advantages of stable welding quality， more and more 25-meter rail welding on the site has been adopted. Mobile Flash welding construction process， And a welding process suitable for the 50Kg/m climbing U71Mn expressway has been formed.
【Key words】Urban track;50 Kg/m climbing steel U71Mn;welding process;Weldability
一般50Kg/m钢轨都铺设在车辆段的库内线，行车速度一般为3～5Km/h，道床形式一般采用一般整体道床、柱式检测坑道床和壁式检测坑道床三种道床形式，焊接施工相对于正线的60Kg/m钢轨要复杂多变，图1为在一般整体道床上面进行钢轨焊接作业（ 50Kg/m钢轨焊接施工现场见图1）。
1. 攀钢U71Mn钢轨化学成分及可焊性分析
（1）钢轨的可焊性一般由“碳当量”来衡量，即将钢轨中各种化学元素对共晶点实际碳量的影响折算成碳的增减，这样算出的含碳量称为“碳当量”，用CE表示，“碳当量”的计算公式为：
CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15
（2）铁道标准TB/T 3276-2011及TB/T 2344-2012中钢轨化学成分如下表1所示（钢轨牌号及化学成分见表1）。
從表1中C、Mn元素的含量可以看出U71Mn为高碳中锰钢，其“碳当量”计算为：
CE=C+Mn/6+（Cr+Mo+V）/5+（Ni+Cu）/15
=（0.65-0.75）+（0.70-1.20）/6
计算可得U71Mn钢轨的“碳当量”范围约为0.77%～0.95%。
（3）一般当“碳当量”计算值大于0.4%～0.5%时，焊接性能较差，“碳当量”计算值越大焊接性能越差，攀钢U71Mn钢轨的“碳当量”计算值约为0.77%～0.95%，其钢轨焊接性能很差。在实际的钢轨焊接施工中为有效提高焊轨质量，必须对钢轨材料的可焊性，闪光焊机性能及工艺参数等因素进行综合分析比较，针对不同的轨型，钢轨物理学性能和化学成分，通过焊接试验和分析确定合理的焊接工艺参数，才能在实际生产中提高焊头合格率，提高焊接效率，保证焊接质量。
2. 60Kg/m攀钢U71Mn钢轨的焊接工艺
（1）在实际的钢轨焊接施工中，60轨使用量所占比重很大，所采用的焊接工艺研究也相对比较成熟。下图为60Kg/m攀钢U71Mn钢轨使用UN5-150移动式闪光焊轨机焊接试头的工艺和对应的焊接曲线图（60Kg/m攀钢U71Mn钢轨UN5-150移动闪光焊机焊接工艺参数表和曲线图见图2）。
3. 50Kg/m攀钢U71Mn焊接工艺参数的调整
3.1将工机具全部更换为50Kg/m钢轨焊接的工装，首先使用上图中显示的60Kg/m攀钢U71Mn钢轨工艺参数试焊接时，整个阶段位移烧化很快，端面温度上升也很快，导致焊接图形不稳定。
3.2对比50Kg/m轨和60Kg/m轨的外形尺寸发现：
1-50Kg/m轨断面面积60Kg/m轨断面面积=15%
50Kg/m轨断面面积比60Kg/m轨断面面积小了15%（50Kg/m轨和60Kg/m轨外形尺寸对比表见表3，50Kg/m轨外形尺寸图见图3，60Kg/m轨外形尺寸图见图4）。
3.3在60Kg/m攀钢U71Mn钢轨工艺的基础上，考虑到50Kg/m轨断面面积减小了15%，所需要输入的热量也相应减少，由焦耳定律：
所以此处所输入的参数电压和电流的乘积理论应当是原60Kg/m的电压和电流乘积的85%，此处考虑到50Kg/m钢轨轨头、轨底、轨腰都比较薄弱，所以輸入参数的时候让电压和电流的乘积占到60Kg/m的电压和电流乘积的80%左右，防止产生过烧现象，其他参数基本不变，对参数做如下初步设计调整（工艺参数调整对比表见表4）：
调整过后（后一列为调整后参数）用类似参数焊接6根试头并全部进行落锤试验，其中5根试头四锤不断且断口合格，其中有1根第二锤断裂，断口中存在较大灰斑，参数包容性较差，不稳定（工艺调整后的参数表、曲线图和相对应断口照片见图5）。
3.4结论一：
（1）通过降低各阶段电压值、电流值来减少热量输入，但是电压和电流值又不能减少的太多，否则会出现闪光很柔和，热场较宽，曲线图中出现短路和断路的情况，同时产生大量灰斑;
（2）断面面积减小，机头压力和顶锻量也要减小。50Kg/m钢轨较60Kg/m钢轨相比机头压力降低1MPa，顶锻量减少2.2mm;
（3）预闪、高压一、高压二阶段电压和电流减小之后要适当增大该阶段的送进和后退速度与之相匹配，否则会在闪光时爆出大坑导致断口中出现超标灰斑;
（4）前期热量输入减小之后，到后期的稳定烧化阶段总会出现电流密集或是短路和断路现象，最终导致断口中产生超标灰斑。
分析：接头中的热量主要依靠前期的预闪、高压一和高压二阶段产生，到后期的稳定烧化阶段主要起到闪平和保护端面的作用，最终顺利进入到顶锻阶段顺利完成钢轨的塑性变形过程。
在稳定烧化阶段要想实现较好的闪平和保护端面的作用，在电压不变的情况下还得让钢轨焊接时的过梁频繁而又不能很猛烈地爆破，需将稳定烧化阶段的电流再增大，送进和后退速度也要增大，让钢轨的两个端面频繁接触，才能使得在该阶段过梁爆破频繁而又不猛烈。所以再对工艺参数进行调整如下（工艺参数调整对比表见表5）：
调整过后消除了焊接曲线图中稳定烧化阶段的电流密集和断路、短路现象，焊接曲线图、抗锤性、断口都满足要求。
3.5结论二：
（1）稳定烧化阶段电压不变增大电流增强过梁爆破的剧烈程度，能更好地在钢轨发生塑性变形之前在钢轨两端面之间形成真空状态起到对端面的保护作用。
（2）稳定烧化阶段送进、后退速度应该与该阶段的电流电压和后期留在钢轨上的热量相匹配，快进快退有助于后期的闪平和对端面的保护。
（3）低压二和低压三阶段位移的增大可以烧掉前期在钢轨端面形成的大坑，消除掉断口中的灰斑。
（4）增大稳定阶段的电流和送进、后退速度有助于消除掉焊接曲线图中的电流密集现象和短路、断路问题（工艺稳定后的参数表、曲线图和对应的断口照片见图6）。
（5）用同样的办法统计50Kg/m攀钢U71Mn参数的预闪、高压一、高压二、低压一、低压二、低压三、加速1、加速2共8个阶段的：
平均电压：（390+380+360+333+333+333+362+365）/8=357V;
平均电流一：（150+250+255+130+200+200+250+250）/8=211A;
平均电流二：（250+300+305+180+250+250+300+300）/8=267A;
平均电流三：（350+350+355+230+300+300+350+350）/8=323A;
平均前进速度：（0.9+1.7+2.1+0.95+0.56+0.56+0.58+0.67）/8=1mm/s;
平均后退速度：（0.7+0.7+0.8+0.5+0.2+0.2+0.1+0.1）/8=0.41mm/s;
3.6由上述计算可知50Kg/m攀钢U71Mn钢轨主要参数配置平均值，如表6所示（50Kg/m攀钢U71Mn钢轨主要参数配置平均值见表6，对比50Kg/m攀钢U71Mn钢轨和60Kg/m攀钢U71Mn钢轨主要参数的平均值见表7）。
3.7对比50Kg/m攀钢U71Mn钢轨和60Kg/m攀钢U71Mn钢轨主要参数的平均值发现：50Kg/m钢轨焊接参数的平均电流和平均电压普遍要比60Kg/m钢轨焊接参数低，而平均前进速度和平均后退速度又比60Kg/m的钢轨大。由于50Kg/m钢轨的外形比较单薄，所需要的热量输入必然也要降低，输入的热量减少了但端面温度还需要达到热塑性变形的要求，所以平均前进速度和平均后退速度又需要偏大一些，在焊接过程中实现快进快退达到提高端面温度的目的。
4. 正火工艺参数调整
考虑到50Kg/m钢轨尺寸偏小，所需要的热输入也相应减小，所以在正火时氧气、乙炔流量要小一些，经实验总结后乙炔流量为3.4，氧气流量为2.9，正火时间在4分30秒左右，轨头中心线温度达到920℃±10℃。通过落锤试验观察断口，晶粒细腻，满足要求。
5. 结束语
文中通过对比分析出攀钢U71Mn的50Kg/m钢轨接头焊接工艺与60Kg/m钢轨接头焊接工艺的异同，为以后50Kg/m钢轨接头的焊接工艺调整思路提供便捷。随着城市轨道交通的发展，车辆段检修库内50Kg/m钢轨的焊接量会越来越大，50Kg/m钢轨焊接工艺的应用具有显著的社会经济效益，具有广阔的推广和应用前景。
参考文献
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[5]TB/T2344-2012《钢轨订货技术条件》.
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