铁路铺轨现场钢轨接触焊接施工工艺

李桦

摘 要：铁路道轨施工过程中，设备、操作、工序等细节的安全系数是整个工程安全系数和后续应用质量的基本保障。本文先系统的分析了在铁路钢轨接触焊接工程中常见的施工工艺，又结合实际施工案例分析了此类工程中施工技术应用的细节，希望能够为后续铁路铺轨施工更加安全和高效的运行提供稳定保障。

关键词：铁路;钢轨;接触焊接

1 无缝线路轨道工程施工中的钢轨焊接

1.1 概述

无缝线路轨道工程施工是一项大的系统工程，现场钢轨接触焊接施工则是其基本的施工环节之一。在秦沈线跨区间无缝线路轨道工程的施工中，我们的基本施工工序为：

（1）路基与底碴的交接;（2）基地焊接长钢轨;（3）铺设长轨轨道;（4）分次铺碴整道;（5）现场单元轨节焊接;（6）预铺或换铺大号码道岔;（7）轨道的锁定焊接、应力放散、线路锁定形成无缝线路;（8）精细整理线路和道岔;（9）轨道的合拢锁定焊接、应力放散、线路（道岔）锁定，形成跨区间无缝线路;（10）钢轨预打磨;（11）轨检车检测线路、整改线路、竣工验交。

我们目前所着重探讨的是无缝线路轨道工程施工中现场钢轨接触焊接工序，所以须对其中的各个施工环节作出明确的分类。

1.2 现场钢轨焊接的施工工序分类

根据无缝线路轨道工程施工工序的要求，我们将现场的钢轨焊接分为单元焊、锁定焊和合拢锁定焊三类，同时赋予了明确的作业内容。

单元焊，它是无缝线路轨道工程施工中的一道独立的施工工序，即完成单元轨道内的钢轨焊接，形成单元轨道。

锁定焊，它不是无缝线路轨道工程施工中的一道独立的施工工序，而是必须和应力放散、线路锁定结合在一起才成为一道完整的工序，一般采用先焊接后锁定的作业顺序。这道工序完成后軌道即形成无缝线路。

合拢锁定焊，它是将两部分无缝线路焊连在一起的施工工序，除按锁定焊作业内容作业外，还必须遵守无缝线路的施工规范，必要时需在钢轨处于拉伸的状态下进行焊接，可采用先部分锁定后焊接、再全部锁定的作业顺序。

2 现场钢轨接触焊接的工艺要求

钢轨的闪光接触焊接与铝热焊接不同，铝热焊属于铸造焊接而闪光焊属于锻压焊接。铝热焊利用外加铝热焊剂的氧化还原反应产生大量的热，熔铸钢轨达到焊接的目的，而闪光焊接则利用钢轨的接触闪光，在不断烧损钢轨母材的同时产生大量的热，锻压钢轨达到焊接的目的。在铝热焊施工中钢轨不产生位移，而在闪光焊施工中钢轨要产生整体位移，轨道中会出现一段不断增大的缺口。

现场钢轨闪光焊接的工艺要求与基地车间内闪光焊接的工艺要求原则上是一致的。但是由于现场和车间的客观环境不同，因此需要针对现场环境的特点采取相应的措施。

2.1 关于对中焊接

目前焊轨机的对中方式有两种，即中心线对中和工作边对中。在焊轨生产线上固定式焊轨机一般均采用工作边对中，焊缝工作边的平直度比较容易达到标准，但在施工实践中，焊缝工作边也出现过负值。所以我们在技术总结中也提出，在调直时向内多调0.1 mm～0.2 mm。

在移动式焊轨机中两种对中方式都有，亦各有利弊。工作边对中的设备优点已如上所述，缺点是设备自重较大（如AMS60型自重6.5 t），中心线对中设备的优点是焊缝的强度较好，设备自重较小（如K920型自重3 t，K922型自重3.5 t），缺点是焊缝工作边的平顺性不太容易达到标准，但是在调直时采取向内多调0.1 mm～0.2 mm的措施，经过细致的打磨，工作边的平直度也能够达到标准。

2.2 关于保压推瘤

在车间的焊轨生产线上这一问题并不存在，生产线（沿钢轨的纵向）已经调置为水平状态，钢轨焊接时活动端的钢轨长仅为25 m，并支承在生产线的滚道上。在焊接的全过程中，活动端的钢轨不会对钢轨的焊缝产生反力，因此也不存在保压问题。

在现场钢轨焊接中情况则不同，现场钢轨焊接时活动端的钢轨长为500 m～2 000 m（重30 t～120 t），而且如此长钢轨往往还在12‰的坡道上，尽管其同样支承在滚道上（滚道的间距不同），在焊接过程中，活动端的长钢轨因拉力和拉伸力的存在，将会对焊缝产生反力。如果在焊接刚完成之际就松开夹钳进行推瘤作业，则焊缝将因无力承受此反力而严重影响焊缝的焊接质量，甚至于开焊。因此必须强调，对于现场的闪光焊接，在焊缝轨温降至300℃～500℃以前必须保压，以确保焊接质量。

2.3 关于正火工艺

按照正火工艺的要求，在轨温降至500℃以下之后，再将钢轨加温至910℃左右，而此时的钢轨焊缝亦不能承受外力，所以必须在线路锁定之后（或部分锁定之后）再进行正火作业。

其它焊接工艺要求亦必须根据现场的实际工况，研制和使用相应的机具。

3 现场钢轨闪光焊接的力学分析

现场实施闪光焊接时钢轨将受到三种力，一是使钢轨整体位移的拉力（FW），二是使钢轨拉伸变形的拉伸力（FB），三是钢轨焊接时的顶锻力（FD）。FW与外部阻力相关、FB与钢轨内部的温度力相关、FD约为450 kN～500 kN。

3.1 FW的计算

已知的外部条件为钢轨60 kg/m、长度2 000 m、坡道12‰，钢轨在移动时每隔10 m～12 m放置一个滚筒（滚动轴承）。

FW = P×（μW+μQ+μP）

μW为钢轨移动摩擦系数（取0.054）、μQ为曲线阻力系数（取0.000 2）、μ′P为坡道阻力系数（0.012）。

10 m钢轨简支状态下，中间挠度为a==11.6 mm，相当于11.6/5 000=2.3‰的坡道，μP=0.012+0.002 3=0.014 3。

FW=1 200×0.068 5=82.2 kN

3.2 FB的计算

若采用连续闪光焊工艺，则钢轨的总消耗量为42 mm～

45 mm;若采用脉动闪光焊工艺，则钢轨的总消耗量为27 mm

～30 mm。

钢轨的热胀冷缩线性变化为ΔL=α×Δt×L（α=11.8×

10-6/℃），即每1 000 m钢轨每增加1℃伸长11.8 mm，则30 mm的钢轨消耗量相当于1 000 m钢轨2.54℃的温度变化量。

60 kg/m钢轨的温度力公式为 Pt=EFα×Δt =19×Δt（kN），所以30 mm钢轨伸长量相当于1 000 m钢轨的温度力FB=

48.26 kN。

在实际施工中，可以根据不同的工况（活动端的钢轨长度、施工时现场的轨温、施工所用机具的拉伸力、拉伸行程等因数）进行施工组织。

4 现场钢轨闪光焊接施工工艺

4.1 单元焊施工

根据钢轨闪光焊接工艺的特点，在工序安排上宜提前进行单元焊，如可以在铺设长轨轨道之后即进行单元焊作业，其作业内容为：

（1）拆除固定端轨道25 m和活动端500 m轨道的十分之一弹条扣件;（2）将500 m钢轨打起，在钢轨下面每隔10 m放置一个滚筒;（3）进行钢轨闪光焊接、正火、调直、打磨、探伤等作业;（4）左右股钢轨先后协调作业;（5）确认焊缝合格后，打起500 m钢轨抽出鋼轨下面的滚筒，上好十分之一的弹条扣件;（6）每日施工完成后，对出现的轨道缺口应填以相应的短轨，两端用无孔接头予以可靠的连接，确保行车安全。

4.2 锁定焊施工

线路经分层铺碴整道达到初期稳定状态之后，即可进行线路锁定作业。由于线路锁定作业是由后向前顺序作业，所以其中的锁定焊施工可采用先焊接后锁定的作业顺序。此时的锁定焊作业内容与单元焊施工作业内容基本相同。锁定焊作业完成之后进行应力放散、线路锁定作业。

4.3 合拢锁定焊施工

合拢锁定焊施工可分为两种情况，一是在设计锁定轨温范围以内施工，二是在低于设计锁定轨温时施工。

4.3.1 在设计锁定轨温范围以内施工

在设计锁定轨温范围以内实施合拢锁定焊施工时，若锁定的活动端钢轨长度为1 000 m，其作业内容为：

（1）拆除固定端轨道25 m和活动端1 000 m轨道的全部弹条扣件，将活动端1 000 m钢轨打起，在钢轨下面每隔10 m放置一个滚筒;（2）对活动端的1 000 m钢轨进行应力放散;（3）应力放散后，焊缝处活动端钢轨与固定端钢轨相互重迭的长度（L′）应为：①作业时轨温=实际锁定轨温，则L′=闪光焊接的消耗量，焊接时可用挑曲线的方法，②作业时轨温=实际锁定轨温-2.54℃（对于脉动闪光焊而言），则L′=0;（4）进行钢轨闪光焊接、正火、调直、打磨、探伤等作业;（5）左右股钢轨先后协调作业;（6）确认焊缝合格后，打起1 000 m钢轨抽出钢轨下面的滚筒，上好全部弹条扣件。

4.3.2 在低于设计锁定轨温范围时施工

在设计锁定轨温范围以下实施合拢锁定焊施工时，若锁定的活动端钢轨长度为1 000 m，其作业内容为：

（1）拆除固定端轨道25 m和活动端1 000 m轨道的全部弹条扣件，将活动端1 000 m钢轨打起，在钢轨下面每隔10 m放置一个滚筒;（2）对活动端的1 000 m钢轨进行应力放散;（3）应力放散后，焊缝处活动端钢轨与固定端钢轨的间距（L″）应为：L″=轨温相当于实际锁定轨温的拉伸量-闪光焊接的消耗量，多余的钢轨应予切除;（4）如果焊轨机夹钳的行程小于钢轨拉伸量与闪光焊接的消耗量之和，则需要采用钢轨拉伸器先将钢轨拉伸，其拉伸量等于L″与闪光焊接消耗量之和（拉伸时须撞击或击打钢轨，尽量做到均匀拉伸）;（5）先将前800 m～900 m钢轨放下并进行锁定作业，然后松开钢轨拉伸器，此时所剩100 m～200 m

钢轨的伸缩量（2.36 mm/℃）应≤焊轨机行程-闪光焊接的消耗量，否则应在轨温适当升高时再作业（注意，此时作业应遵守无缝线路的施工规范）;（6）进行钢轨闪光焊接、正火、调直、打磨、探伤等作业;（7）左右股钢轨先后协调作业;（8）确认焊缝合格后，打起100 m～200 m钢轨抽出钢轨下面的滚筒，上好全部弹条扣件。

5 结语

经过对铁路秦沈线跨区间无缝线路轨道工程的预算进行分析，可知经济效益的提升十分明显，同时铺架的安全系数和工期也能够得到保障，社会效益良好。

参考文献：

[1]王晓栋.川藏铁路长大坡道电分相缓坡设置方案研究[J].铁道标准设计，2021（3）：12-18.

[2]张益铭.2万t列车通过朔黄铁路长大坡道优化研究[D].大连交通大学，2020.