高海拔條件下氣壓焊焊接工藝的探討

摘要:

在青藏線鋪設(shè)無縫線路,對提高行車質(zhì)量、減少線路維修更具現(xiàn)實(shí)意義。通過在海拔高度4300 m處的一系列施焊試驗(yàn),確定了適合低氣壓、低含氧量處的氧氣、乙炔流及加熱器的火焰強(qiáng)度等焊接參數(shù)。

 1 　概述

　　青藏鐵路格拉段縱貫我國西部青海、西藏兩省區(qū),跨越青藏高原,全線平均海拔在4 000 m以上,多年凍土凍脹融沉、嚴(yán)寒、風(fēng)雪多、日溫差大、光照強(qiáng)等自然條件對線路路基及軌道帶來諸多不利影響。在青藏線鋪設(shè)無縫線路,對于提高行車速度、減少線路維修、降低運(yùn)營成本,實(shí)現(xiàn)鐵路跨越式發(fā)展戰(zhàn)略,具有十分重要的意義。
　　鐵道部重大科研項(xiàng)目《青藏線格望段無縫線路試驗(yàn)段———關(guān)鍵技術(shù)研究》,在甘泉至玉珠峰間分三段計(jì)2318546 km 試鋪無縫線路,其中鋪設(shè)50kgPm 鋼軌1611442 km ,鋪設(shè)60 kgPm 鋼軌71710 47 km ,均采用溫度應(yīng)力式區(qū)間無縫線路。
　　現(xiàn)場單元焊和鎖定焊國內(nèi)目前主要采用氣壓焊和鋁熱焊兩種焊接工藝。鋁熱焊焊縫強(qiáng)度只是母材的70 %左右,焊接組織為鑄造組織,常有鑄造缺陷伴隨產(chǎn)生且斷頭率高,不太被行家青睞。氣壓焊焊縫強(qiáng)度高、斷頭率低,但在青藏高原特殊的環(huán)境(年平均氣壓是海平面的60 %～70 %、空氣中含氧量比海平面減少38～46 % ,焊接質(zhì)量能否滿足TBPT1632 —91《鋼軌焊
接接頭技術(shù)條件》的技術(shù)要求,有待于在實(shí)踐中進(jìn)一步研究與探討。

2 　傳統(tǒng)氣壓焊機(jī)與數(shù)控氣壓焊機(jī)性能之比較

　　移動式氣壓焊設(shè)備主要包括: 壓接機(jī)(含推凸裝置) 、加熱器、控制箱、水冷裝置、高壓電動泵站及輔助配套部分如端磨機(jī)、仿型打磨機(jī)、管路系統(tǒng)、氧氣瓶、乙炔瓶及發(fā)電機(jī)組等。
2.1 　傳統(tǒng)氣壓焊機(jī)
　　傳統(tǒng)的氣壓焊機(jī)都是手工操作和控制,每次操作過程(夾緊、擺火、氣體流量與配比、壓力轉(zhuǎn)換等) 控制工藝參數(shù)的準(zhǔn)確程度低,參數(shù)穩(wěn)定性差。因而接頭質(zhì)量常常受人為因素的影響,表現(xiàn)出很大的波動性,斷頭率增高,使無縫線路存在安全隱患,危及行車安全。
2.2 　新型數(shù)控氣壓焊機(jī)
　　青藏鐵路無縫線路試驗(yàn)段采用國內(nèi)最新研制的數(shù)控氣壓焊設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了焊接全過程的順序控制與閉環(huán)智能控制。焊接過程中沒有人工操作,能夠保證焊接工藝的穩(wěn)定性和一致性,完全消除了人為因素對接頭質(zhì)量的影響。主要特點(diǎn):
　　1) 焊接過程的順序控制與柔性控制:以PLC 為核心,對焊接作業(yè)過程進(jìn)行順序控制,將高壓時(shí)間、低壓時(shí)間、頂鍛保壓時(shí)間等參數(shù)輸入控制程序,由程序自動實(shí)現(xiàn)焊接時(shí)間控制與自動轉(zhuǎn)換。根據(jù)實(shí)際焊軌工況需要,也可采用人工干預(yù)方式進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。
　　2) 焊接熱輸入控制:采用焊接參數(shù)閉環(huán)控制技術(shù),由加熱器擺火控制模塊、加熱氣體流量與配比控制模塊聯(lián)合,實(shí)現(xiàn)擺火幅度、頻率、氣流大小、火焰特性等與焊接溫度相關(guān)的參數(shù)的精確控制。
　　3) 焊接擠壓變形控制: 將鋼軌氣壓焊“三段壓力法”工藝固化在PLC 控制程序中,采用壓力傳感器、位移傳感器,以閉環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)焊接壓力實(shí)時(shí)控制、柔性調(diào)節(jié)與自動轉(zhuǎn)換以及頂鍛位移的閉環(huán)控制。
　　4) 具有焊接參數(shù)在線檢測、記錄、存儲功能。

3 　高海拔下主要焊接工藝的探討

3.1 　氧氣、乙炔流量
　　氣壓焊的焊接火焰一般是采用氧—乙炔焰或氧—丙烷焰,實(shí)際上大都利用氧—乙炔焰焊接。其火焰的外形和構(gòu)造以及火焰的溫度分布,主要是由燃燒比決定的。
燃燒比:β0 = VkPVa ( Vk 為氧氣的體積; Va 為乙炔的體積) 。
　　在內(nèi)地低海拔地區(qū)(海拔高度≤1 000 m) ,氣壓焊使用的為弱碳化焰,β0 一般為0185～0195。但在青藏線海拔高度> 3 000 m的地區(qū),沒有成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒,現(xiàn)場氣壓焊燃燒比的確定以過去內(nèi)地的經(jīng)驗(yàn)保證不了焊接質(zhì)量。為此,我們在海拔高度4 300 m的玉珠峰車站進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn),取得了第一手資料,燃燒比β0 應(yīng)控制在0196～111。
　　氣壓焊60 kgPm U71Mn 鋼軌15 根通過落錘試驗(yàn)的接頭,其焊接時(shí)的氧氣、乙炔流量記錄如表1。

3.2 　加熱器
　　氣壓焊加熱器各部位火焰的強(qiáng)度,直接影響到焊接質(zhì)量。斷口上出現(xiàn)光斑、未焊透和過燒時(shí),如無其他原因,肯定是相應(yīng)部位的火焰功率偏低或偏高,需對加熱器火孔進(jìn)行調(diào)試。在內(nèi)地低海拔地區(qū)(海拔高度≤1000 m) ,氣壓焊60 kgPm U71Mn 鋼軌使用的加熱器火孔圖(38 ×2 = 76 孔) 如圖1 所示。
　　圖1 60 kgPm 鋼軌加熱器火孔火焰強(qiáng)度無法滿足高原條件下氣壓焊焊接技術(shù)要求。同樣,我們在海拔高度4 300 m的玉珠峰車站進(jìn)行了反復(fù)試驗(yàn)、調(diào)試,總結(jié)了一套適用于高海拔地區(qū)的火孔配置圖如圖2。其火孔數(shù)量為39 ×2 = 78 孔。

4 　效果

　　青藏鐵路無縫線路試驗(yàn)段現(xiàn)場氣壓焊所采用的新型焊接工藝,其焊接質(zhì)量完全滿足

TBPT1632 —91《鋼軌焊接接頭技術(shù)條件》的技術(shù)要求, 氣壓焊60 kgPmU71Mn 鋼軌15 根試件落錘試驗(yàn)情況如表2。

5 　結(jié)束語

　　青藏鐵路無縫線路試驗(yàn)段施工的經(jīng)驗(yàn)充分證明,氣壓焊采用先進(jìn)的數(shù)控氣壓焊設(shè)備,排除了人為因素對焊接質(zhì)量的影響。與此同時(shí),對焊接工藝根據(jù)不同的環(huán)境、不同的海拔高度進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化,總結(jié)出了一套世界高原鐵路現(xiàn)場氣壓焊經(jīng)驗(yàn),為今后高原、高寒特殊環(huán)境下無縫線路施工提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。