钢轨铝热焊预热参数对焊前预热温度的影响_高松福.pdf

高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed Railway第 2 卷 第 1 期2 0 2 3 年 2 月Vol.2 No.1February 2 0 2 3钢轨铝热焊预热参数对焊前预热温度的影响高松福，任金雷，石孟雷，宋宏图（中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081）摘要：通过设计测量钢轨铝热焊接头温度的专用方法，研究了60 kg/m钢轨铝热焊接预热过程中，预热参数对钢轨预热温度的影响。结果表明：钢轨端面预热温度呈现轨底、轨腰部位温度较高，轨头部位温度较低的分布特点，且随预热时间增加而增加；轨缝宽度较宽（30 mm）时，钢轨端面的预热温度较低，预热温度不均匀程度较为明显；随着丙烷流量的降低，轨底预热温度达到1 100 的时间越短，丙烷流量为48 L/min时，加热时间为2.7 min。数值模拟研究发现，较高的火焰流速和较大的轨缝宽度均加剧预热的不均匀程度，与试验测温所得规律一致。现场钢轨铝热焊接宜根据轨缝宽度和钢轨温度的不同，采用有差别的预热工艺，以达到钢轨端面预热温度适当且分布均匀的目标。关键词：钢轨焊接；铝热焊；预热参数；预热温度中图分类号：U213.9+2；TG457.1 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.01.011钢轨铝热焊因其作业灵活、方便快捷的特点，成为我国铁路钢轨维修焊接的主要方法1。但是钢轨铝热焊接是一种现场轨道焊接方法，现场作业环境及作业条件对焊接质量的影响较大，其中焊前预热温度是影响焊接质量的重要因素之一2。焊前预热不当是形成铝热焊接头热裂纹、未焊合、缩孔、疏松等缺陷的主要原因，控制好焊前预热温度是保证焊接质量的有效措施3-4。目前现场铝热焊接前的预热通过严格控制工艺参数，并在焊接预热过程中辅以肉眼观察的方法进行预热温度的控制，人为影响因素较多5。在实际钢轨铝热焊接作业过程中，往往会由于轨缝宽度、气体流量、环境温度、作业区域风速等因素的波动，造成预热温度不足或预热温度不均匀，影响焊接质量6。为了控制钢轨铝热焊焊前预热温度，通过试验测试和数值模拟的方法，研究预热工艺参数对预热温度的影响，为铝热焊现场控制焊前预热温度提供理论依据。1 试验材料与方法 预热试验采用2段60 cm长攀钢60 kg/m U75V钢轨，ZTK-I型砂型和预热器，将2段钢轨预留一定的轨缝宽度，按照钢轨铝热焊接要求进行砂型安装，钢轨与砂型的安装示意见图1。采用镍铬-镍硅热电偶测量一端钢轨温度，热电偶测温位置距钢轨被加热端面5 mm，从钢轨一端向轨面一端打孔，将热电偶预埋至指定位置，热电偶埋设位置见图2。通过温度采集仪器对热电偶的温度数据进行采集，记录预热过程中钢轨端面各点温度变化，试验装备安装后如图3所示。将采集的温度数据用绘图软件进行处理，绘制钢轨不同位置温度分布云图。预热采用氧气和丙烷气体，气体压力用压力表进行测量，气体流量采用质量流量计测量。预热氧气压图1钢轨和砂型安装示意图图2测温热电偶安装位置示意图文章编号：2097-0846（2023）01005404收稿日期：20221008；修回日期：20221026基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所科研项目（2021XC0104）第一作者：高松福（1980），男，副研究员，博士。E-mail：第 1 期高松福等：钢轨铝热焊预热参数对焊前预热温度的影响力0.30 MPa，丙烷压力0.10 MPa，预热器高度50 mm，其他预热参数见表1。建立钢轨铝热焊接预热三维模型，如图 4 所示。应用有限元分析软件流-固耦合模拟方法，轨缝宽度分别为26、30 mm，预热火焰流速分别为0.585、0.822 m/s条件下，预热火焰温度为1 800 时，分析钢轨预热温度的分布特征。2 试验结果及分析 2.1预热时间对预热温度的影响以试验编号4的预热工艺参数为例，总预热时间为5.5 min，分析加热到3.0、3.5、4.5 min时，钢轨端面轨头、轨腰及轨底部位预热温度随预热时间的变化，如图5所示。开始预热后，钢轨端面不同部位的温度均开始上升，随预热时间的延长，预热温度逐渐上升。轨腰、轨底部位温度上升较快，而轨头部位温度上升较慢，这是由于钢轨头部尺寸较大，因而火焰对其加热作用较为缓慢，温度上升较轨底和轨腰部位缓慢。延长预热时间可以提高钢轨的预热温度。2.2轨缝宽度对预热温度的影响轨缝宽度分别为 30、27、24 mm，预热时间均为4.5 min时的预热温度分布情况如图6所示，不同部位预热平均温度见表2。不同轨缝宽度情况下，钢轨端面预热温度分布均呈现相近的规律，轨底最高，轨腰次之，而轨头最低。当轨缝宽度为30 mm时，整个钢轨端面的预热温度最低，而且轨头部位与轨底部位温度相差也最大，达到表1预热试验预热工艺参数试验编号123456轨缝宽度/mm302724272727丙烷流量/(Lmin-1)646464645648氧气流量/(Lmin-1)153153153153153153预热时间/min5.55.04.55.54.52.7注：当轨底角预热温度超过1 100 时停止加热。图4预热模拟三维模型图5不同预热时间下预热温度分布图6不同轨缝宽度下预热温度分布图3预热试验装备安装图55高速铁路新材料第 2 卷321，温度分布均匀性最差，如图6（a）所示。这是由于当轨缝较大时，预热火焰较为通畅地从轨头穿过，对轨头部位加热作用较小，此外轨缝间隙较大时，预热火焰也可以较为通畅地通过轨缝间隙，并从轨底部位喷出，对钢轨断面的加热强度较弱。而当轨缝宽度较小时，火焰受钢轨端面的阻挡作用较强，对钢轨端面的加热作用也较强，导致钢轨端面的预热温度较高，预热温度的不均匀性也相应减小，如图6（c）所示。2.3丙烷流量对预热温度的影响在现场钢轨铝热焊接过程中，预热气体的压力均通过减压表进行控制，而预热气体的流量通过从砂型冒口返出火焰的高度、火焰声音等人为经验进行调节，受人为、环境因素影响较大。试验采用质量流量计来检测预热气体流量，当氧气流量固定为153 L/min，丙烷流量分别为64、56、48 L/min时，预热温度分布情况如图7所示。钢轨端面预热温度随丙烷流量的减少，轨底角处预热达到1 100 的时间逐渐变短，预热的不均匀程度逐渐增加。当丙烷流量为 48 L/min，预热时间仅为2.7 min时，轨底部位最高温度就达到1 192，而且轨底、轨腰温度明显高于轨头，如图7（c）所示。随预热气体中丙烷流量的减少，预热器喷出混合燃烧气体中氧气的比例增加，氧气比例越高，预热器喷出火焰的温度和流动速率也越高7，故而在低丙烷流量条件下，预热火焰以较高的温度，并以较快的速率喷入到轨底区域，从而加速对钢轨轨底区域的预热。2.4钢轨预热温度的有限元分析预热火焰流速为0.585 m/s，轨缝宽度分别为26、30 mm时，钢轨端面预热温度分布云图如图8（a）和图8（b）所示，与试验测试结果相似，预热温度呈现轨底、轨腰部位温度较高，轨头温度较低的分布特点。预热火焰流速为0.822 m/s，轨缝宽度为30 mm时，钢轨端面预热温度分布云图如图8（c）所示，预热温度分布的不均匀性较为明显，轨底部位温度明显高于轨头部位。在相同的预热气体流速条件下，轨缝宽度较宽时，火焰流动较为畅通，对轨底加热较强，预热的不均匀程度较为明显。而当轨缝宽度相同，预热气体流速不同，火焰流速较快时，火焰会以较快的速度冲击到轨底区域，对轨底的加热作用较强，预热的不均匀程度更为明显。3 现场工艺试验 钢轨铝热焊预热温度受轨缝宽度、预热气体混合表2不同轨缝宽度轨端各部位平均温度轨缝宽度/mm302724轨头/741807836轨腰/9491 0401 010轨底/1 0621 1091 127图7不同丙烷流量下预热温度分布情况图8不同轨缝宽度和火焰流速下预热温度分布情况56第 1 期高松福等：钢轨铝热焊预热参数对焊前预热温度的影响比、环境温度等因素的影响。在现场焊接过程中，宜根据轨缝宽度和环境条件的差异，进行预热气体流量和预热时间的调节，达到工艺要求的预热温度。如图 9 所示，在轨缝宽度不同时，调整混合气体流量和预热时间。图 9(a)所示为轨缝宽度为 27 mm，丙烷流量为 56 L/min，氧气流量为153 L/min，预热时间为4.5 min时的预热效果；图9(b)所示为轨缝宽度为30 mm，丙烷流量为 64 L/min，氧气流量为 153 L/min，预热时间为5.2 min时的预热效果。根据轨缝宽度，采用不同的预热工艺，可以达到基本相同的预热效果。4 结论（1）钢轨端面的预热温度随预热时间延长，预热温度升高。轨底、轨腰区域的预热温度高于轨头区域的预热温度。（2）当轨缝宽度较大时(30 mm)，预热火焰较为通畅地通过轨缝间隙，并从轨底部位较为通畅地喷出，对钢轨端面的加热强度较低。（3）在低丙烷流量条件下，预热火焰以较快的速度和较高的温度流入到轨底区域，从而会加速对钢轨轨底区域的预热，导致轨底区域预热温度显著高于轨头区域。参考文献：1 高松福，任金雷，石孟雷，等.钢轨铝热焊接过程数值模拟研究与试验验证 J.高速铁路新材料，2022，1（3）：33-37.2 任金雷，崔成林.钢轨铝热焊预热控制系统的研究与应用J.铁道建筑，2018，58（2）：125-128.3 胡智博，李力，邹立顺，等.秦沈客运专线钢轨铝热焊缺陷分析 J.铁道建筑，2003（10）：3-4.4 李力，胡智博，邹立顺.预热不当导致的铝热焊接头缺欠研究 J.铁道学报，2002（3）：118-120.5 张君，李琦，郭兵，等.高速铁路低温下钢轨铝热焊质量控制与提高 J.中国新技术新产品，2015（23）：36-38.6 杨艳玲，崔成林，高松福，等.钢轨铝热焊接头质量的影响因素分析 J.装备制造技术，2013（6）：125-128.7 佘凯.低氧预混燃烧的实验研究 D.天津：河北工业大学，2007.The Influence of Preheat Parameters on the Preheat Temperature of Rail Thermit WeldingGAO Songfu，REN Jinlei，SHI Menglei，SONG Hongtu（Metals and Chemistry Research Institute，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China）Abstract：The influence of preheat parameters on preheat temperature of rail thermit welding was investigated.The results show that,when the rail gap width is 30 mm,the preheating flame can flow through the rail gap more smoothly,and the heating effect on the rail head is weak,which leads to lower preheating temperature of the rail end and uneven distribution of preheating temperature.When the propane flow rate is 48 L/min,the temperature and heating rate of the preheating flame are higher due to the higher proportion of oxygen in the preheating gas.As a result,the temperature of rail bottom is higher than