既有线伤损钢轨移动闪光焊接施工技术现状_李政.pdf

第 2 卷 第 2 期2 0 2 3 年 4 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.2April 2 0 2 3既有线伤损钢轨移动闪光焊接施工技术现状李 政1，高松福1，宋宏图1，李泽明2，郭林泉3，张 健4（1.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；2.中国铁路北京局集团有限公司 北京工电大修段，北京 100071；3.中国铁路太原局集团有限公司，太原 030013；4.北京中铁科新材料技术有限公司，北京 100081）摘要：铁路线路的维修维护是保证运输安全与稳定的重要工作，采用闪光焊接方法处理无缝线路中伤损钢轨的效果较好。概述了既有线闪光焊施工技术现状，包括线下焊接、线上焊接和插入焊3种施工方式；分析总结了3种方式存在的问题和解决方法；对既有线闪光焊施工技术的进一步发展提出展望。关键词：钢轨；无缝线路；伤损焊接接头；闪光焊；插入焊；焊轨施工中图分类号：U215 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.02.009近年来，我国铁路行业飞速发展，截至2022年12月，我国铁路运营里程达到15.5万km，其中高速铁路运营里程达4.2万km。面对逐年增长的运营里程、货物发送量、旅客承载量，铁路线路的维修维护便成为确保铁路运输安全与稳定的重要工作。随着我国社会经济的进步，高速铁路无缝线路施工技术已越来越成熟，铁路无缝线路的铺设也逐年增多。无缝线路建成后达到一定运营里程或钢轨磨损达到一定程度后就要进行换铺，相比新线施工，既有线施工量更大一些。在处理既有线伤损钢轨接头时，常见的维修处理方法有铝热焊接、闪光焊接和气压焊接。铝热焊接具有设备小巧灵活、焊接时无需移动母材等优点，但因其接头为铸造组织，强度韧性较低、伤损率高，接头质量易受环境和作业人员操作影响1-3。尤其是既有线钢轨在服役期间产生磨损，导致砂型与钢轨不能完全密贴、易产生溢流飞边等问题，进而影响接头使用寿命。因此，铝热焊接已逐渐不适应我国大规模铁路维修安全可靠的要求。气压焊接头为锻造组织，相比铝热焊接头质量较好，无需大功率电源，焊接时间短。但因钢轨端面的清洁度要求严格，且气压焊采用火焰由表及里以热传递的方式加热钢轨，加热效率低，很难做到均匀加热，其焊接质量易受操作人员和环境因素的影响4-5。闪光焊接头为锻造组织，具有晶粒较细、强度大、韧性好、耐磨性高、平顺性好等特点。闪光焊因其焊接质量稳定、自动化和机械化程度高、受人工操作水平影响小等优点，已逐渐成为国内无缝线路接头的主要焊接方法6。据统计，国内无缝线路接头中闪光焊接头的占有率最高，接头断轨率最低。鉴于此，围绕既有线钢轨移动闪光焊施工方法的现状，分析总结了线下焊接、线上焊接和插入焊3种方式存在的问题和解决方法，并展望了既有线钢轨移动闪光焊施工的发展情况。1 移动闪光焊施工方式 钢轨闪光焊接分为焊轨基地厂焊和移动式闪光焊。现阶段无缝线路钢轨焊接流程如图1所示，在焊轨厂将定尺钢轨采用固定式闪光焊机焊接成300500 m的长钢轨，通过长轨运输车将长钢轨运送到铁路现场，再采用移动式闪光焊机将钢轨焊接成无缝线路7。采用移动闪光焊进行铁路现场钢轨焊接时，可分为新线焊接和既有线焊接。进行铁路新线焊接时，先25 m定尺钢轨100 m定尺钢轨线下单元焊接300500 m长钢轨焊轨厂焊接长轨运输车运至铁路现场1 0002 000 m长钢轨无缝线路线上单元锁定焊图1无缝线路钢轨焊接流程文章编号：2097-0846（2023）02004505收稿日期：20230216；修回日期：20230302基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司科研开发项目（2021YJ210）第一作者：李政（1996），男，硕士。E-mail：lizheng_高速铁路新材料第 2 卷将定尺钢轨提前卸至承轨槽，在轨温适宜的条件下，移动闪光焊焊轨车进入区间，完成单元轨节的焊接和放散，采用移动闪光焊焊接新线，因其焊接效率高、焊接速度快和接头质量好，已在新线建设中占据主导地位。目前，我国新建铁路线路全部采用移动式闪光焊方法焊接8。相比新线施工，既有线施工量更大一些。既有线闪光焊接分为线下焊接和线上焊接，其中线上焊接又分为线上换轨和插入焊。2 既有线线下焊接 采用移动闪光焊进行线下焊接时，利用其他天窗点，先将300500 m长钢轨提前卸至道肩。当闪光焊施工天窗时，在线路封锁的情况下，移动闪光焊轨车进入区间将长钢轨焊连成满足换轨需求的超长无缝钢轨。移动闪光焊线下焊接施工流程如图2所示。2.1存在问题因各路局施工车型不同、施工条件不同，导致现场采用的施工工艺也存在一定差异。如图3所示，进行线下焊接时，长钢轨通常放置于石砟上，若直接焊接，受道床摩擦阻力影响，焊接阻力过大，实际作业情况与焊机预设焊接参数存在偏差，易导致过烧、灰斑等缺陷的产生9-10。现有移动闪光焊线下焊接施工方法及特点如表1所示。2.2解决方法道床阻力会影响闪光焊焊接过程。焊机的焊接参数是根据型式检验设置的，型式检验时采用短钢轨，且不存在道床阻力的影响，若在型式检验时模拟道床阻力的存在，设定焊接参数，其成本过高，效用不明显。因此，应选用能够最大程度降低道床阻力影响、相对节约人工和设备成本、对焊接质量影响最小的方法，具体方法需根据现场实际情况选择。在人力和设备准备充足的情况下，选取局部拨弯法或全铺垫滚筒法，尽可能减小道床阻力对焊接质量的影响。3 既有线线上换轨 既有线线上换轨是在线路封锁状态下，将线下焊接好的1 0002 000 m超长无缝钢轨移动至线上承轨槽，新旧轨之间无需预留消耗量，确保待焊钢轨两端的间隙在焊机调整范围内。按线路应力放散要求，每间隔 20 根轨枕在钢轨下支垫滚筒，使接头尽可能平顺。将焊机与钢轨对位，利用焊机将钢轨拉至平顺，开始焊接工序，图 4为既有线线上换轨施工示意图。采用保压焊接的方式进行钢轨焊接，焊后对钢轨进行拉伸。3.1存在问题既有线线上换轨时，面临的主要问题是在焊机夹持区域，推瘤过程中，轨枕螺栓与推瘤刀行程干涉冲突，影响焊接作业11。3.2解决方法依据现有施工案例12，总结出 3 种方法如表 2 所图3移动闪光焊线下焊接施工示意图钢轨焊前检查、锯轨、除锈、支垫顺坡工具焊机对位、焊接粗磨作业焊后热处理精磨作业探伤作业图2移动闪光焊线下焊接施工流程表1移动闪光焊线下焊接施工方法及特点施工方法直接焊接法部分铺垫滚筒法全铺垫滚筒法单缸拉轨器配合法局部拨弯法施工方案不采用降阻方式，利用焊机拉动钢轨钢轨待焊端前100 m底部放置滚筒500 m长钢轨下端每隔20 m放置1个滚筒待焊端钢轨6070 m处使用单缸拉轨器，一端固定在基本轨，另一端固定在待焊轨待焊端钢轨前2030 m拨弯特点摩擦阻力大较小小较小较小人工成本低低高高高设备成本低较低高高较低备注可能影响焊接质量减小阻力效果不明显最大限度减小阻力，人工及设备成本高可能影响随动性可改善随动性，小半径曲线准备工作复杂待焊接头长钢轨下每间隔20根枕木支垫滚筒,全长范围内扣件只松不拆既有旧轨10 m范围扣件只松不拆轨枕图4线上换轨施工示意图46第 2 期李政等：既有线伤损钢轨移动闪光焊接施工技术现状示，但在实际施工中3种方法都存在一定的问题。顺坡支垫法虽施工方案简单，易操作，能解决轨枕螺栓与推瘤刀行程的冲突，但局部抬高钢轨会造成接头起拱量严重超标，钢轨垫高，焊轨车掉道风险也随之增大，需配合轨距拉杆使用。轨枕翻面法虽避免了钢轨太高导致的焊轨车失稳问题，但恢复石砟和轨枕耗时长，且易对线路基础稳定性造成一定影响。螺栓锚固法具备轨枕翻面法的优点，且相比轨枕翻面法，螺栓锚固法不用清理捣固石砟，但锚固作业过程复杂，且锚固恢复时间长。顺坡支垫法是解决轨枕螺栓干涉效率最高、操作最简单的方法。使用固定端钢轨专用顺坡支垫工具，垫高钢轨形成顺坡的同时，支垫工具有轨底角锁定扣块、轨底固定槽、轨枕螺栓卡槽，能牢固锁定轨距，最大限度减小焊机掉道风险，配合轨距拉杆使用可靠性更高。图5为固定端钢轨专用支垫工具。相比于新线焊接，既有线线上换轨需在维修天窗时间内进行，施工结束后要保证铁路线路的正常运行。正常情况下，按新线焊接方法将龙口进行拉伸锁定焊，若施工时突发意外情况，例如液压拉轨器故障导致拉伸锁定焊无法正常进行，则需在换铺后的龙口处采用铝热焊接方法进行应急焊接，及时提报施工计划，在下一个维修天窗内进行线上插入焊。4 既有线插入焊 既有线插入焊是指锯切既有线的伤损旧轨，插入焊接一根6.25 m以上的短轨。原则上，普速铁路插入短轨不少于6.25 m，高速铁路插入短轨不少于20 m。一次插入焊作业需焊接2个接头，如图6所示，沿焊轨车行进方向，先与既有旧轨焊连的接头称为头端，后与既有旧轨焊连的接头称为尾端。4.1存在问题既有线插入焊尾端接头焊接施工流程如图 7 所示。既有线插入焊同样面临轨枕螺栓干涉焊机的问题，除此之外，还缺乏固定拨弯钢轨的专用工具。4.2解决方法焊接既有线插入焊尾端接头时，现场操作人员将钢轨向道心内侧拨出一定弧度，起到预留消耗量的作用。现有施工情况下，钢轨拨出时固定方式不规范，现场往往采用短钢轨、破旧枕木、钢管等工具对拨弯钢轨进行支垫。图 8 为拨弯支垫工具。支垫工具一端有轨头卡槽，可紧扣住固定端钢轨轨头；另一端有轨枕螺栓卡槽，可牢固固定在轨枕螺栓上。现场进行拨弯焊接时，操作人员先用齿条压机将拨弯钢轨抬高至高于轨枕螺栓，使用撬棍将拨弯钢轨放置于专用支垫工具上，待焊机顶锻时，再使用撬棍配合顶锻力将拨弯钢轨拨回承轨槽。图5顺坡支垫工具图6既有线插入焊施工示意图表2焊机与轨枕螺栓干涉的解决方法解决方法顺坡支垫法轨枕翻面法螺栓锚固法实施方案采用专用支垫工具，以焊缝中心为起点，将固定端钢轨两端垫高，形成顺坡，确保焊机作业时不受轨枕螺栓干涉清理焊接接头两侧的石砟，将影响焊机夹持位置的轨枕翻面，待焊接完成后，恢复轨枕及石砟，重新进行捣固拆除影响焊机夹持区域的轨枕螺栓，其余位于焊机底部的螺栓进行绝缘防护，避免焊机直接和螺栓接触，待焊接完成后，重新将螺栓锚固到线路要求强度47高速铁路新材料第 2 卷5 展望 既有线钢轨采用移动闪光焊施工已较为成熟，采用科学合理的施工工艺和安全有序的施工组织，可节省施工时间，提高焊接质量。既有线钢轨移动闪光焊施工技术尚存在优化空间。一方面，施工配套工机具还具有很大的改良空间，研制自动化配套工机具，能减轻现场人员的工作量，工机具的进一步轻量化也是亟待解决的问题。对配套工机具进一步改良，减轻质量，优化结构，最大程度为现场人员提供便利。例如，现场多采用向道心内侧进行拨弯，其支垫工具能以对侧直钢轨为支点进行固定。在不具备道心内侧拨弯的工况（如曲线区段），若将钢轨向道心外侧拨出，支垫工具应稳固固定，需研制能够具备道心内、外侧以及钢轨垂向方向的拨弯支垫工具。另一方面，既有线钢轨移动闪光焊施工工艺中，诸多参数的制定没有量化，仅依据现场人员经验，例如既有线钢轨插入焊中，距待焊接头的拨弯距离，拨出“弯”的弦长以及弓矢的精确值缺乏理论依据支撑。尽管目前根据人员经验可以完成焊接作业，但是只有对这些参数的取值进行深入研究，科学制定施工工艺，才能更好地确保移动闪光焊施工方法在无缝线路的优势，为线路质量安全提供更有效的保障。参考文献：1 吕其兵，张曦.高速铁路轨道焊接质量控制现状与趋势 J.电焊机，2019，49（2）：1-5.2 任金雷，高松福，石孟雷，等.钢轨铝热焊接砂型及焊接工艺优化 J.铁道建筑，2022，62（5）：55-58.3 张琪，李力，宋宏图，等.无缝线路钢轨焊接技术发展现状及趋势 J.热加工工艺，2017，46（3）：10-12.4 朱志明，范开果，潘际銮.高速铁路钢轨焊接技术的发展与应用 J.焊接，2013，479（5）：5-10+68.5 廖马宏.重载用高耐磨、高强韧过共析钢轨气压焊工艺研究 D.成都：西南交通大学，2021.6 王莹莹.钢轨闪光焊接头灰斑和微裂纹缺陷形成机理研究D.北京：中国铁道科学研究院，2018.7