无缝线路钢轨现场焊接技术工艺的运用分析
时间：2023-06-08 21:25:06 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
冉启鹏
（中铁二十二局集团第二工程有限公司，北京 100041）
我国高速铁路项目中无缝线路的铺设逐渐增多，此种建设方式对钢轨的焊接技术有着较高要求。目前，无缝线路钢轨现场焊接技术已经逐渐成熟，气压焊接、接触焊接等方式的应用优势非常明显，但为确保无缝线路钢轨现场焊接质量，还应明确不同焊接技术的工艺要求，制订出更科学、合理的技术方案。
吉图珲客专V标段（吉林—延吉段）施工范围包括：左线DK0+387.43～DK267+500段；
右线DYK0+434.65～DK267+500段铺设跨区间无缝线路长度535.4 km。
高速铁路上的无缝线路设计中，钢轨长度需要控制在300～500 m。由于钢轨焊接后热影响区、焊缝构成的焊头性能会产生变化，如强度、塑性减弱或降低，所以，对于无缝线路钢轨需要通过现场焊接的方式，且钢轨母材的规格、尺寸偏差应符合无缝线路钢轨焊接要求，如表1所示。另外，我国高速铁路专项多为60 kg/m的轨型，抗拉强度约为880 MPa，现场焊接时的钢轨高度、宽度、断面尺寸偏差、轨底宽度都会影响焊接质量，相关人员还应掌握无缝线路钢轨现场焊接技术要点，明确各类焊接工艺的施工要求，加强焊接质量控制。
表1 无缝线路钢轨母材尺寸及允许偏差
无缝线路钢轨现场焊接时，由于钢轨长度会受轨道养护技术、铺设工艺、运输及制造技术制约，所以在进行现场焊接时需要面对较多的问题。具体可体现在以下内容中。
1）钢轨现场焊接期间，前期打磨、拉轨、锯轨、焊轨、探伤等环节中，施工人员的流动性较强，且部分施工时间节点无法同时进行，前后作业的协调难度大，部分专项作业施工人员工作强度大。
2）由于无缝线路钢轨的现场焊接环境较为特殊，刮风、降雨会影响现场焊接活动，使得现场焊接施工难度增加。但现场焊接施工人员多为劳务派遣工人，专业性较弱，现场焊接时的安全风险较大。
3）无缝线路钢轨的单元轨节多为100 m，需要提前在加工厂焊接为500 m后用专业的运输工具运输到现场。但是，将焊接后的钢轨转移到铁路无缝线路的砟肩区域后，可能会出现1～10 m的误差风险，且现场焊接过程中温度过高、钢轨弯道曲线半径过小都会影响焊接质量，要求施工人员及时调整，灵活控制各项参数[1]。
5.1 钢轨焊接前除锈
施工标准。钢轨现场焊接前除锈时，需要人工手持砂轮机除锈。除锈区域应集中在待焊区域的钢轨端面，以及焊接与钢轨接触区域。钢轨母材打磨量应控制在0.2 mm左右，除锈时尽量沿着钢轨方向纵向打磨，除锈后钢轨表面的待焊时间不得大于24 h，除锈打磨质量要求如下：（1）先除锈区域应打磨到露出金属本色，钢轨轨腰区域的生产标识还应打磨平整。（2）打磨轨腰时，还应顺着钢轨方向打磨，且打磨机的砂轮不能停留在同一区域打磨。（3）在除锈打磨后打磨面不得出现划痕、凹凸面，打磨时需要严格控制对母材的打磨量。（4）待焊钢轨除锈打磨24 h后若出现再次生锈情况还应重新打磨。（5）打磨后检查钢轨接头，无误后进行焊接。
5.2 焊轨机对位
正式进行现场焊接时，还应提前检查焊接的运行参数，如油温、油位、电压等；
详细查看焊轨机的焊接记录、运转记录、焊接程序后，才可开始焊接，焊接过程中禁止随意改动焊接施工参数。施工人员可按照3～5 km/h的速度移动焊轨机进行初定位，即将载有移动焊机的轨道车第一个轮移动至距焊接位置的2.8 m处，对位后安装止轮器；
将液压支腿放下，将焊轨所需的作业车顶升。对接作业车接头时，需要以工作面、钢轨顶面为准，且错位偏差应控制在0.2 mm以内，轨底边缘错位偏差应小于1 mm。为避免焊接后影响列车通行，可在焊接前将轨底的上拱量设置为0.1～0.2 mm。
6.1 气压焊接技术
气压焊接技术在1955年被引进我国，具有成本低、设备简单、焊接效果明显等优势。气压焊接技术方案中，施工人员需要在现场焊接前进行气压焊轨工艺试验，适用的焊轨机为双导柱卧式压接机、新型移动式气压焊机，且焊接设备中含有射吸式加热器[2]。在无缝线路钢轨现场焊接中采用气压焊接技术时，工艺流程为：施工准备→锯轨→拉轨→轨端处理→对轨固定→点火焊接→打磨→探伤→验收焊缝。
锯轨时，施工人员还应用方尺检查配轨两接头的相错量，若相错量大于100 mm则需要及时锯轨。拉轨时可将钢轨扣件松开，然后将钢轨支撑在滚轮上，支撑后用拉轨器进行拉轨，并用枕木支撑钢轨接头。需要注意的是，对于高速铁路上的无缝线路现场焊接时，应确保钢轨焊头的直线度、平顺性符合预期要求，对此，施工人员应基于气压焊接技术，做好现场焊接时热处理、精细化打磨工作，并且为防止无缝线路运行时存在低接头问题，焊接后应保持接头纵向平直。
6.2 钢轨铝热焊技术
6.2.1 技术原理
钢轨铝热焊技术是借助氧化铁、铝在化学反应后产生的热量熔化金属，从而使金属堆焊、熔接。铝热化学反应属于氧化还原反应，反应后的产物包括氧化铝熔渣、液态铝热钢，而氧化铁中的铁元素会被还原为铝热钢水。钢轨铝热焊接工艺是将氧化铁、铝粉、铝热焊剂共同放置在反应坩埚内，点燃后会产生铝热反应。反应后会生成大量热熔化合金添加物，并且和铁元素氧化还原后的钢水融合形成钢液，由于钢液密度过大，所以会沉积在坩埚底部，浇铸在钢轨外观尺寸一样的空腔后可将两段钢轨焊接为整体。
6.2.2 焊接工艺
无缝线路钢轨铝热焊技术适用于50 kg/m、60 kg/m、75 kg/m的钢轨，所涉及的铝热焊接工艺包括定时预热、自动浇注、宽焊缝焊接、大剂量焊接等。具体的工艺流程如下。
1）制作钢轨空腔和砂型、坩埚，现场布置距离焊点约5 m的区域布置氧气瓶、乙炔瓶、石油液化气，焊接所需的其他设备应放置在焊接区域一侧的路肩上，坩埚所放置的区域距离所有气瓶不得小于5 m。
2）锯轨后再进行焊接时，所插入的钢轨长度应大于6 m，且焊接钢轨无损伤、弯曲等情况，同时与无缝线路上的钢轨打磨量相同。锯轨时，可使用双向的摆动式切轨机，切割过程中还应按照提前划出的线切割，允许误差、垂直误差分别为1 mm、2 mm。切后可用锉刀将轨端口处的氧化物清除。
3）将需要现场焊接的轨端对齐、校正，施工人员可用1 m左右的直尺贴在钢轨侧面、顶面，仔细检查焊接端是否纵向平直，有无歪扭、错牙情况。然后清理无缝线路钢轨砂型中的通道，放置在钢轨焊接口上。
4）把提前制备好的封箱砂放置在容器内密封，并在焊接前密封钢轨、砂型接缝的吻合处，两侧流钢槽还应和砂型紧密结合，避免焊接时因钢水而出现安全问题。随后施工人员可将坩埚烘干，安装到专用支架上，同时和流钢槽共同固定在钢轨上形成坩埚框架。
5）预热后使砂型芯座呈垂直状态，避免燃烧时的焰流对准砂型底部，要将焰流冲向两端的钢轨面上。焊接期间，施工人员还应随时关注封箱区域，如有出现跑火现象应及时处理，预热3 min后正式点火。点火后的高温火柴产生火花后，在砂型中插入焊剂，点燃焊剂后关闭预热装置，密封砂芯，然后迅速地将坩埚推移到和砂芯中心垂直的位置。
6）待砂箱中焊剂相互反应产生钢水并流入需焊接的钢轨缝隙内，凝固后使钢轨成型。随后拆除支架、清除钢轨面上的砂土，将砂箱托松开后移动到推凸机上，2 min后加力，让焊接所需的刀具进入砂箱内。3 min后再次加力，让刀具在不损伤母材的情况下打磨轨面两侧。精磨后检查钢轨外观进行探伤检查，确认钢轨焊缝区域无缺损后进行下一轨段的焊接工作。
6.3 接触焊接技术的基本原理及工艺要求
6.3.1 基本原理
接触焊接具体指接触闪光焊技术，该技术是利用电流通过电阻时产生的热量焊接钢轨。焊接时需要提前预热；
中期持续加热；
焊接后期快速爆破闪光；
最后顶锻、保压、冷却后完成钢轨的现场焊接工作。接触闪光焊接所用的设备自动化程度高，焊接参数控制更为灵活，且外部因素对焊接质量的影响较小、焊接效率高。期间所用的焊接工艺包括连续闪光焊、预热闪光焊、脉冲闪光焊等。
6.3.2 工艺要求
（1）焊接前先在滚筒上对轨，使无缝线路钢轨的两轨保持在相同水平面；
对轨质量控制目标以作用面不存在横向错位、竖向错位为准，错位偏差需控制在0.2 mm以内。（2）调整焊机位置，将钢轨接缝和焊机中心点对中；
将渣液涂刷在焊机内侧，便于清理焊渣；
落下焊机，将钢轨夹紧，夹紧后检查钢轨缝，确认无误后进行现场焊接。（3）按照工艺要求，调整焊接工艺参数，焊接后清理、打磨焊瘤块，并松开钢轨，提升焊机。随后根据无缝线路上的配轨表，对钢轨接头区域进行编号；
一个接头焊接结束后，在焊缝的热状态下进行调直：即通过调整使焊缝两侧约500 mm、垂直方向的不平直度小于0.3 mm/m，拱量控制在0.5～1.0 mm/m。钢轨焊头温度低于500℃时，用加热器纵向摆动，纵向摆动量约为8～9 cm。（4）施工人员应打磨焊头，并用1 m直尺检查焊头的平直度，确保焊头平直度符合无缝线路钢轨现场焊接的质量要求。
综上所述，为提升高速铁路项目中无缝线路钢轨焊接质量，相关人员还应结合无缝线路钢轨现场焊接的基本要求，做好现场焊接前的准备工作。同时灵活选用焊接工艺，发挥不同焊接方法的技术优势，更可靠地焊接钢轨，为无缝线路钢轨后期的维护、保养提供便利。此外，焊接铺设无缝线路钢轨是我国高速铁路建设发展的重要内容，相关人员还应持续探究无缝线路上钢轨现场焊接技术，完善钢轨焊接技术体系。
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