冉啟鵬

（中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司，北京 100041）

1 引言

我國高速鐵路項目中無縫線路的鋪設(shè)逐漸增多，此種建設(shè)方式對鋼軌的焊接技術(shù)有著較高要求。目前，無縫線路鋼軌現(xiàn)場焊接技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，氣壓焊接、接觸焊接等方式的應(yīng)用優(yōu)勢非常明顯，但為確保無縫線路鋼軌現(xiàn)場焊接質(zhì)量，還應(yīng)明確不同焊接技術(shù)的工藝要求，制訂出更科學(xué)、合理的技術(shù)方案。

2 工程概況

吉圖琿客專V標(biāo)段（吉林—延吉段）施工范圍包括：左線DK0+387.43～DK267+500段；右線DYK0+434.65～DK267+500段鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路長度535.4 km。

3 無縫線路對鋼軌現(xiàn)場焊接的要求

高速鐵路上的無縫線路設(shè)計中，鋼軌長度需要控制在300～500 m。由于鋼軌焊接后熱影響區(qū)、焊縫構(gòu)成的焊頭性能會產(chǎn)生變化，如強(qiáng)度、塑性減弱或降低，所以，對于無縫線路鋼軌需要通過現(xiàn)場焊接的方式，且鋼軌母材的規(guī)格、尺寸偏差應(yīng)符合無縫線路鋼軌焊接要求，如表1所示。另外，我國高速鐵路專項多為60 kg/m的軌型，抗拉強(qiáng)度約為880 MPa，現(xiàn)場焊接時的鋼軌高度、寬度、斷面尺寸偏差、軌底寬度都會影響焊接質(zhì)量，相關(guān)人員還應(yīng)掌握無縫線路鋼軌現(xiàn)場焊接技術(shù)要點，明確各類焊接工藝的施工要求，加強(qiáng)焊接質(zhì)量控制。

表1 無縫線路鋼軌母材尺寸及允許偏差

4 無縫線路鋼軌現(xiàn)場焊接時存在的問題

無縫線路鋼軌現(xiàn)場焊接時，由于鋼軌長度會受軌道養(yǎng)護(hù)技術(shù)、鋪設(shè)工藝、運輸及制造技術(shù)制約，所以在進(jìn)行現(xiàn)場焊接時需要面對較多的問題。具體可體現(xiàn)在以下內(nèi)容中。

1）鋼軌現(xiàn)場焊接期間，前期打磨、拉軌、鋸軌、焊軌、探傷等環(huán)節(jié)中，施工人員的流動性較強(qiáng)，且部分施工時間節(jié)點無法同時進(jìn)行，前后作業(yè)的協(xié)調(diào)難度大，部分專項作業(yè)施工人員工作強(qiáng)度大。

2）由于無縫線路鋼軌的現(xiàn)場焊接環(huán)境較為特殊，刮風(fēng)、降雨會影響現(xiàn)場焊接活動，使得現(xiàn)場焊接施工難度增加。但現(xiàn)場焊接施工人員多為勞務(wù)派遣工人，專業(yè)性較弱，現(xiàn)場焊接時的安全風(fēng)險較大。

3）無縫線路鋼軌的單元軌節(jié)多為100 m，需要提前在加工廠焊接為500 m后用專業(yè)的運輸工具運輸?shù)浆F(xiàn)場。但是，將焊接后的鋼軌轉(zhuǎn)移到鐵路無縫線路的砟肩區(qū)域后，可能會出現(xiàn)1～10 m的誤差風(fēng)險，且現(xiàn)場焊接過程中溫度過高、鋼軌彎道曲線半徑過小都會影響焊接質(zhì)量，要求施工人員及時調(diào)整，靈活控制各項參數(shù)[1]。

5 無縫線路鋼軌現(xiàn)場焊接前準(zhǔn)備工作

5.1 鋼軌焊接前除銹

施工標(biāo)準(zhǔn)。鋼軌現(xiàn)場焊接前除銹時，需要人工手持砂輪機(jī)除銹。除銹區(qū)域應(yīng)集中在待焊區(qū)域的鋼軌端面，以及焊接與鋼軌接觸區(qū)域。鋼軌母材打磨量應(yīng)控制在0.2 mm左右，除銹時盡量沿著鋼軌方向縱向打磨，除銹后鋼軌表面的待焊時間不得大于24 h，除銹打磨質(zhì)量要求如下：（1）先除銹區(qū)域應(yīng)打磨到露出金屬本色，鋼軌軌腰區(qū)域的生產(chǎn)標(biāo)識還應(yīng)打磨平整。（2）打磨軌腰時，還應(yīng)順著鋼軌方向打磨，且打磨機(jī)的砂輪不能停留在同一區(qū)域打磨。（3）在除銹打磨后打磨面不得出現(xiàn)劃痕、凹凸面，打磨時需要嚴(yán)格控制對母材的打磨量。（4）待焊鋼軌除銹打磨24 h后若出現(xiàn)再次生銹情況還應(yīng)重新打磨。（5）打磨后檢查鋼軌接頭，無誤后進(jìn)行焊接。

5.2 焊軌機(jī)對位

正式進(jìn)行現(xiàn)場焊接時，還應(yīng)提前檢查焊接的運行參數(shù)，如油溫、油位、電壓等；詳細(xì)查看焊軌機(jī)的焊接記錄、運轉(zhuǎn)記錄、焊接程序后，才可開始焊接，焊接過程中禁止隨意改動焊接施工參數(shù)。施工人員可按照3～5 km/h的速度移動焊軌機(jī)進(jìn)行初定位，即將載有移動焊機(jī)的軌道車第一個輪移動至距焊接位置的2.8 m處，對位后安裝止輪器；將液壓支腿放下，將焊軌所需的作業(yè)車頂升。對接作業(yè)車接頭時，需要以工作面、鋼軌頂面為準(zhǔn)，且錯位偏差應(yīng)控制在0.2 mm以內(nèi)，軌底邊緣錯位偏差應(yīng)小于1 mm。為避免焊接后影響列車通行，可在焊接前將軌底的上拱量設(shè)置為0.1～0.2 mm。

6 無縫線路鋼軌現(xiàn)場焊接技術(shù)工藝

6.1 氣壓焊接技術(shù)

氣壓焊接技術(shù)在1955年被引進(jìn)我國，具有成本低、設(shè)備簡單、焊接效果明顯等優(yōu)勢。氣壓焊接技術(shù)方案中，施工人員需要在現(xiàn)場焊接前進(jìn)行氣壓焊軌工藝試驗，適用的焊軌機(jī)為雙導(dǎo)柱臥式壓接機(jī)、新型移動式氣壓焊機(jī)，且焊接設(shè)備中含有射吸式加熱器[2]。在無縫線路鋼軌現(xiàn)場焊接中采用氣壓焊接技術(shù)時，工藝流程為：施工準(zhǔn)備→鋸軌→拉軌→軌端處理→對軌固定→點火焊接→打磨→探傷→驗收焊縫。

鋸軌時，施工人員還應(yīng)用方尺檢查配軌兩接頭的相錯量，若相錯量大于100 mm則需要及時鋸軌。拉軌時可將鋼軌扣件松開，然后將鋼軌支撐在滾輪上，支撐后用拉軌器進(jìn)行拉軌，并用枕木支撐鋼軌接頭。需要注意的是，對于高速鐵路上的無縫線路現(xiàn)場焊接時，應(yīng)確保鋼軌焊頭的直線度、平順性符合預(yù)期要求，對此，施工人員應(yīng)基于氣壓焊接技術(shù)，做好現(xiàn)場焊接時熱處理、精細(xì)化打磨工作，并且為防止無縫線路運行時存在低接頭問題，焊接后應(yīng)保持接頭縱向平直。

6.2 鋼軌鋁熱焊技術(shù)

6.2.1 技術(shù)原理

鋼軌鋁熱焊技術(shù)是借助氧化鐵、鋁在化學(xué)反應(yīng)后產(chǎn)生的熱量熔化金屬，從而使金屬堆焊、熔接。鋁熱化學(xué)反應(yīng)屬于氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)后的產(chǎn)物包括氧化鋁熔渣、液態(tài)鋁熱鋼，而氧化鐵中的鐵元素會被還原為鋁熱鋼水。鋼軌鋁熱焊接工藝是將氧化鐵、鋁粉、鋁熱焊劑共同放置在反應(yīng)坩堝內(nèi)，點燃后會產(chǎn)生鋁熱反應(yīng)。反應(yīng)后會生成大量熱熔化合金添加物，并且和鐵元素氧化還原后的鋼水融合形成鋼液，由于鋼液密度過大，所以會沉積在坩堝底部，澆鑄在鋼軌外觀尺寸一樣的空腔后可將兩段鋼軌焊接為整體。

6.2.2 焊接工藝

無縫線路鋼軌鋁熱焊技術(shù)適用于50 kg/m、60 kg/m、75 kg/m的鋼軌，所涉及的鋁熱焊接工藝包括定時預(yù)熱、自動澆注、寬焊縫焊接、大劑量焊接等。具體的工藝流程如下。

1）制作鋼軌空腔和砂型、坩堝，現(xiàn)場布置距離焊點約5 m的區(qū)域布置氧氣瓶、乙炔瓶、石油液化氣，焊接所需的其他設(shè)備應(yīng)放置在焊接區(qū)域一側(cè)的路肩上，坩堝所放置的區(qū)域距離所有氣瓶不得小于5 m。

2）鋸軌后再進(jìn)行焊接時，所插入的鋼軌長度應(yīng)大于6 m，且焊接鋼軌無損傷、彎曲等情況，同時與無縫線路上的鋼軌打磨量相同。鋸軌時，可使用雙向的擺動式切軌機(jī)，切割過程中還應(yīng)按照提前劃出的線切割，允許誤差、垂直誤差分別為1 mm、2 mm。切后可用銼刀將軌端口處的氧化物清除。

3）將需要現(xiàn)場焊接的軌端對齊、校正，施工人員可用1 m左右的直尺貼在鋼軌側(cè)面、頂面，仔細(xì)檢查焊接端是否縱向平直，有無歪扭、錯牙情況。然后清理無縫線路鋼軌砂型中的通道，放置在鋼軌焊接口上。

4）把提前制備好的封箱砂放置在容器內(nèi)密封，并在焊接前密封鋼軌、砂型接縫的吻合處，兩側(cè)流鋼槽還應(yīng)和砂型緊密結(jié)合，避免焊接時因鋼水而出現(xiàn)安全問題。隨后施工人員可將坩堝烘干，安裝到專用支架上，同時和流鋼槽共同固定在鋼軌上形成坩堝框架。

5）預(yù)熱后使砂型芯座呈垂直狀態(tài)，避免燃燒時的焰流對準(zhǔn)砂型底部，要將焰流沖向兩端的鋼軌面上。焊接期間，施工人員還應(yīng)隨時關(guān)注封箱區(qū)域，如有出現(xiàn)跑火現(xiàn)象應(yīng)及時處理，預(yù)熱3 min后正式點火。點火后的高溫火柴產(chǎn)生火花后，在砂型中插入焊劑，點燃焊劑后關(guān)閉預(yù)熱裝置，密封砂芯，然后迅速地將坩堝推移到和砂芯中心垂直的位置。

6）待砂箱中焊劑相互反應(yīng)產(chǎn)生鋼水并流入需焊接的鋼軌縫隙內(nèi)，凝固后使鋼軌成型。隨后拆除支架、清除鋼軌面上的砂土，將砂箱托松開后移動到推凸機(jī)上，2 min后加力，讓焊接所需的刀具進(jìn)入砂箱內(nèi)。3 min后再次加力，讓刀具在不損傷母材的情況下打磨軌面兩側(cè)。精磨后檢查鋼軌外觀進(jìn)行探傷檢查，確認(rèn)鋼軌焊縫區(qū)域無缺損后進(jìn)行下一軌段的焊接工作。

6.3 接觸焊接技術(shù)的基本原理及工藝要求

6.3.1 基本原理

接觸焊接具體指接觸閃光焊技術(shù)，該技術(shù)是利用電流通過電阻時產(chǎn)生的熱量焊接鋼軌。焊接時需要提前預(yù)熱；中期持續(xù)加熱；焊接后期快速爆破閃光；最后頂鍛、保壓、冷卻后完成鋼軌的現(xiàn)場焊接工作。接觸閃光焊接所用的設(shè)備自動化程度高，焊接參數(shù)控制更為靈活，且外部因素對焊接質(zhì)量的影響較小、焊接效率高。期間所用的焊接工藝包括連續(xù)閃光焊、預(yù)熱閃光焊、脈沖閃光焊等。

6.3.2 工藝要求

（1）焊接前先在滾筒上對軌，使無縫線路鋼軌的兩軌保持在相同水平面；對軌質(zhì)量控制目標(biāo)以作用面不存在橫向錯位、豎向錯位為準(zhǔn)，錯位偏差需控制在0.2 mm以內(nèi)。（2）調(diào)整焊機(jī)位置，將鋼軌接縫和焊機(jī)中心點對中；將渣液涂刷在焊機(jī)內(nèi)側(cè)，便于清理焊渣；落下焊機(jī)，將鋼軌夾緊，夾緊后檢查鋼軌縫，確認(rèn)無誤后進(jìn)行現(xiàn)場焊接。（3）按照工藝要求，調(diào)整焊接工藝參數(shù)，焊接后清理、打磨焊瘤塊，并松開鋼軌，提升焊機(jī)。隨后根據(jù)無縫線路上的配軌表，對鋼軌接頭區(qū)域進(jìn)行編號；一個接頭焊接結(jié)束后，在焊縫的熱狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)直：即通過調(diào)整使焊縫兩側(cè)約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。鋼軌焊頭溫度低于500℃時，用加熱器縱向擺動，縱向擺動量約為8～9 cm。（4）施工人員應(yīng)打磨焊頭，并用1 m直尺檢查焊頭的平直度，確保焊頭平直度符合無縫線路鋼軌現(xiàn)場焊接的質(zhì)量要求。

7 結(jié)語

綜上所述，為提升高速鐵路項目中無縫線路鋼軌焊接質(zhì)量，相關(guān)人員還應(yīng)結(jié)合無縫線路鋼軌現(xiàn)場焊接的基本要求，做好現(xiàn)場焊接前的準(zhǔn)備工作。同時靈活選用焊接工藝，發(fā)揮不同焊接方法的技術(shù)優(yōu)勢，更可靠地焊接鋼軌，為無縫線路鋼軌后期的維護(hù)、保養(yǎng)提供便利。此外，焊接鋪設(shè)無縫線路鋼軌是我國高速鐵路建設(shè)發(fā)展的重要內(nèi)容，相關(guān)人員還應(yīng)持續(xù)探究無縫線路上鋼軌現(xiàn)場焊接技術(shù)，完善鋼軌焊接技術(shù)體系。