孟維剛 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)處

上海局從2002年引進(jìn)P95大修列車，經(jīng)過多年運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，具備了在營業(yè)線換枕年進(jìn)度將近100km的生產(chǎn)能力。但大列換枕后破壞原有無縫線路軌道結(jié)構(gòu)，換枕切入口、切出口均需臨時(shí)切斷鋼軌，破壞無縫線路結(jié)構(gòu)，且需在道床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，及時(shí)進(jìn)行應(yīng)力放散和焊復(fù)。原線上焊復(fù)采用鋁熱焊接。鋁熱焊焊縫屬于鑄造組織，雖然具有較高的硬度，但韌性低，鑄造組織中縮孔、疏松等缺陷檢出率低，近幾年我局發(fā)生的焊縫折斷均為鋁熱焊，缺陷也多為縮孔和疏松。同時(shí)，鋁熱焊施工作業(yè)過程中，人為因素、作業(yè)環(huán)境對焊縫質(zhì)量影響也較大。近幾年，隨著既有線提速，高鐵線路大規(guī)模開通，對鋼軌焊接質(zhì)量的要求越來越高，2010年我局引入第一臺(tái)YHG-1200自行式閃光焊焊軌車，2015年總公司配屬我局3臺(tái)氣壓焊焊軌車，如今已在鋪設(shè)新軌無縫線路施工中大規(guī)模應(yīng)用，但是在大列換枕后的焊復(fù)施工中的應(yīng)用才剛剛起步。本文通過主要探討氣壓焊、鋁熱焊、閃光焊焊接方式在大列換枕后恢復(fù)無縫線路結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)用存在的優(yōu)缺點(diǎn)，著重介紹氣壓焊焊軌車在大列換枕恢復(fù)無縫線路結(jié)構(gòu)施工的工藝及組織，有利于焊軌車運(yùn)用的推廣。

1 不同焊接方式的比較分析

目前,鐵路線上焊接主要有三種焊接方式：鋁熱焊、氣壓焊、閃光焊。

（1）鋁熱焊是目前應(yīng)力放散過程中使用的一種主要的焊接方法，操作簡便，設(shè)備輕便，簡單，作業(yè)時(shí)間相對較短，且可在道岔前后等復(fù)雜施工地段進(jìn)行焊接。鋁熱焊焊接不存在鋼軌消耗，不改變既有鋼軌的長度。鋁熱焊焊接接頭的質(zhì)量主要取決于鋁熱焊劑的質(zhì)量以及現(xiàn)場環(huán)境條件及操作者工藝掌握熟練程度。鋁熱焊接頭為鑄造組織，焊縫強(qiáng)度一般能達(dá)到鋼軌母材強(qiáng)度的70%，外觀質(zhì)量相對于其他焊接方式焊接的焊縫較差，一次成功率在90%左右。

（2）氣壓焊是采用火焰加熱方式激活兩待焊端面原子相互滲透重新結(jié)晶，其工藝具有適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，氣壓焊接頭是鍛造組織，頂鍛量就是鋼軌消耗量。氣壓焊焊軌車屬于大型自動(dòng)焊接設(shè)備，具備焊接、快速冷卻、正火、軌頂面噴風(fēng)提高硬度一體化功能，焊接參數(shù)經(jīng)型式試驗(yàn)確定后，焊接過程不需要人工干預(yù)，軌頂面沒有軟化區(qū)，強(qiáng)度可以達(dá)到鋼軌母材的90%以上，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

（3）閃光焊由于和設(shè)備性能穩(wěn)定性、作業(yè)環(huán)境中風(fēng)、雨等關(guān)聯(lián)性較大。閃光焊在電氣化鐵路線上聯(lián)焊時(shí)，必須保持左右股鋼軌之間不能導(dǎo)通，對工況要求較高，對施工效率也產(chǎn)生影響。閃光焊機(jī)焊接一個(gè)焊縫從待焊軌檢查處理開始至具備通車條件一般在35 min，換枕后焊復(fù)時(shí)需在有限的封鎖時(shí)間內(nèi)連續(xù)焊接4個(gè)焊頭，線上焊接一般不采用。

通過對比，氣壓焊軌車具有快速、質(zhì)量穩(wěn)定、工況適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在大列換枕龍口一個(gè)施工天窗連續(xù)焊接4個(gè)焊縫的情況下，優(yōu)勢更加明顯。因此，開展氣壓焊軌車配合大列換枕施工線上插焊施工研究對于改善軌道結(jié)構(gòu)，減少鋁熱焊在線數(shù)量，降低焊縫折斷風(fēng)險(xiǎn)，充分發(fā)揮大型施工設(shè)備效能很有價(jià)值。

2 施工組織研究

2.1 施工工況分析

（1）大列換枕時(shí)，切開鋼軌，換枕過程中，鋼軌發(fā)生串動(dòng)，在大列換枕當(dāng)日，利用再用短軌插入大列切入前龍口設(shè)置臨時(shí)緩沖區(qū)，開通線路，并相應(yīng)設(shè)置限速，待第二日線路復(fù)搗結(jié)束，第三日應(yīng)力放散并插焊恢復(fù)原有無縫線路軌道結(jié)構(gòu)。具體施工示意圖見圖1。

從圖2可以看出，第一對焊縫的焊接有兩種方案，一是線下焊接，二是線上焊接。由于氣壓焊焊軌車焊機(jī)的構(gòu)造原因，焊軌車焊接時(shí)鋼軌下部需懸空10 cm左右，以便焊機(jī)夾持鋼軌。如果采取線下焊接，第一對焊縫焊接結(jié)束后，焊軌車需后退再將鋼軌墊高并順撬（一般長度15 m左右），需增加耗時(shí)13 min-15 min；采取第二方案，可在焊軌車到達(dá)之前完成第一對焊縫后方15m至插焊軌全長墊撬，焊接完第一對后等5 min或者增加噴風(fēng)100s即可進(jìn)行第二對焊縫焊接。由以上分析可知，氣壓焊軌車焊復(fù)采用線上焊接方式，有助于減少作業(yè)時(shí)間，提高施工效率。

圖1 施工平面布置圖

圖2 插焊地段布置圖

（2）焊軌車墊軌順撬裝置改進(jìn)。廠家配備的線上聯(lián)焊墊軌順撬裝置最高墊起高度為180 mm，依靠軌距拉桿控制兩根鋼軌之間距離，但實(shí)際上，兩根鋼軌已經(jīng)處于完全懸空狀態(tài)，軌枕螺桿與軌底間有10 cm左右的凈空，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，我們對焊軌車焊接作業(yè)時(shí)需要的最大凈空和最小墊起高度進(jìn)行現(xiàn)場測試，經(jīng)過現(xiàn)場多次不同型號(hào)軌枕測試，氣壓焊焊機(jī)最小焊接凈空應(yīng)不低于150 mm（軌枕面至鋼軌底），焊軌車輪緣處墊起高度應(yīng)不低于120 mm，并據(jù)此重新設(shè)計(jì)墊高塊，不但降低了墊起高度，同時(shí)減少了墊撬長度，提高了作業(yè)效率。

（3）拉伸焊接。通過在高里基地氣壓焊焊軌車線上聯(lián)焊兼具拉伸試驗(yàn)，焊縫距鎖定端分別為100 m、200 m、300 m、400 m、500 m拉伸焊接試驗(yàn)總結(jié)出：只要焊接端至鎖定端間鋼軌軌底每8 m～10 m墊放應(yīng)力放散滾筒，應(yīng)力放散百米測點(diǎn)位移到位，同時(shí)，焊縫質(zhì)量經(jīng)落錘檢驗(yàn)均合格，說明，在不少于100 m長度范圍內(nèi)，氣壓焊焊軌車具備焊接拉伸一體化功能，但要注意的是，氣壓焊焊軌車焊接前一般需要預(yù)留3 mm～5 mm的軌縫，以方便四氯化碳清洗和氧氣吹干，氣壓焊焊機(jī)的最大拉攏長度為100 mm，同時(shí)，氣壓焊焊機(jī)焊接消耗鋼軌一般在30 mm～33 mm之間，因此，在施工現(xiàn)場計(jì)劃拉伸焊接時(shí)，應(yīng)根據(jù)鎖定軌溫高低來計(jì)算放散長度。計(jì)算公式如下：

式中：l為放散長度（m），l1為氣壓焊焊機(jī)最大拉攏長度（m），l2為預(yù)留軌縫寬度（m），l3為焊接損耗（m），α為鋼軌的線膨脹系數(shù)，取11.8×10-6/℃，Δt為鎖定軌溫和實(shí)際作業(yè)軌溫差（℃）。

2.2 氣壓焊焊軌車施工作業(yè)效率分析

焊軌車參加施工過程分為加開站至施工點(diǎn)往返開行、設(shè)備調(diào)試、焊接作業(yè)、焊后保養(yǎng)等環(huán)節(jié)。

按照15 km長區(qū)間中部焊接、自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備自運(yùn)行速度40 km/h測算，往返開行需要23 min，加上進(jìn)入防護(hù)點(diǎn)前減速、打點(diǎn)等影響，一般不超過30 min。

氣壓焊焊軌車對軌一般在5 min以內(nèi)，焊接5 min、焊后噴風(fēng)3 min20s、正火5 min、噴風(fēng)冷卻3 min20s，焊接一個(gè)頭需時(shí)21 min40s，焊縫噴風(fēng)冷卻后溫度一般在350℃左右，350℃繼續(xù)冷卻至300℃以下，一般需時(shí)5 min左右。

按照一個(gè)天窗插焊一處4個(gè)焊縫計(jì)算，焊軌車插焊最短需要：運(yùn)行30 min+焊接22×4 min+冷卻5 min=123 min。

2.3 應(yīng)力放散施工節(jié)點(diǎn)分析（按500 m長度）

封鎖命令下達(dá)后作業(yè)人員進(jìn)行松卸扣件，內(nèi)燃螺絲機(jī)松卸扣件效率一般10根（單側(cè)）/min，軌枕配置1 667根/km,500 m長線路配置6臺(tái)（每側(cè)3臺(tái)），全部卸完（恢復(fù)）需時(shí)30 min，在此時(shí)間內(nèi)同步進(jìn)行放散地段龍口鋸軌、插入、待焊軌軌端打磨精挫、墊軌等工作，焊軌車運(yùn)行至作業(yè)位置；焊接準(zhǔn)備工作到位后，焊軌車焊接對位夾軌焊接第一對焊縫,焊接結(jié)束計(jì)算拉伸量，鋸軌、撥彎、打磨精修需時(shí)15 min，焊軌車對位夾軌，焊接第二對焊縫。開通前10 min電務(wù)調(diào)試。

通過整個(gè)施工節(jié)點(diǎn)測算，總耗時(shí)需要123+60+15+10=208 min，目前，大列換枕施工天窗時(shí)長一般都在210 min，滿足氣壓焊焊軌車線上插焊作業(yè)時(shí)長需求。

3 運(yùn)用及總結(jié)

從2016年9月京九線集中修開始，上海大修段在京九線進(jìn)行氣壓焊焊軌車大列換枕地段線上插焊施工，累計(jì)焊接86頭，一次合格率100%，施工正點(diǎn)率100%，現(xiàn)場減少86個(gè)鋁熱焊焊縫，提升了軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量和鋼軌防斷能力。2018年4月在隴海線大列換枕過程中，首次實(shí)現(xiàn)氣壓焊軌車線上拉伸焊接。總之，氣壓焊軌車自應(yīng)用以來，不僅穩(wěn)步提高線路大修質(zhì)量，同時(shí)大大減輕了現(xiàn)場作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力資源。使鐵路大修施工朝著規(guī)范化、機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)不斷邁進(jìn)。