無縫線路移動閃光焊焊接接頭質量控制探討

摘要：為提高鋼軌現場焊接施工質量，確保鐵路軌道后期運營的安全性及平順性，避免焊接接頭成為整個無縫線路的安全隱患，移動閃光焊焊接接頭質量控制就成為無縫線路施工現場控制的關鍵環節，本文詳細介紹了現場鋼軌焊接接頭的外觀幾何尺寸及內在組織結構的質量控制措施。

關鍵詞：鋼軌焊接接頭 施工工藝 對軌 預拱度 正火 打磨 接頭精整

現場鋼軌接頭焊接施工過程繁雜、工序多、質量標準高、協調難度大，焊軌施工是一個由焊機調試、現場型式試驗、拆除扣件、墊放滾筒、鋼軌除銹、對軌、焊接、粗磨、正火、矯直、接頭精整、探傷、線路恢復等十多個工序相互結合的一個綜合施工過程，為保證焊接接頭的施工質量，施工前需做好相應的準備工作。

1 施工準備

1.1 組織管理

現場組織機構應包括施工技術、質量、進度、人員、設備、物料、后勤、試驗（可快速反應質量變化）管理組，并設置總技術負責人和協調人，及時對現場進行技術指導和監督，高效處理現場各項質量問題，對提高施工質量的措施及方法能夠有效布置實施，對可能造成施工質量隱患或進度不利因素能快速處理。

1.2 施工人員

使用施工設備，依照施工方法，執行施工工藝，實現產品質量控制都把握在一線施工人員手中。對鋼軌焊接質量控制影響大的鋼軌焊接、接頭正火處理、接頭精整、鋼軌探傷的施工人員應重點培訓；由于現場使用的設備及小型機具、檢查工具多，對設備操作人員盡量選擇有經驗的、責任心強的人員培訓，施工前對特殊工況進行相應學習，如坡道、彎道、合攏焊接等，提前積累處理經驗。

1.3 施工設備

施工前對設備的數量、型號和性能應結合施工效率進行綜合分析，對制約生產效率的設備應準備備用件，現場施工主要設備及工機具如下：移動焊軌機、N17平板車、重型軌道車、正火設備、軌溫計、仿行打磨機、鋸軌機、探傷儀、鋼軌平直度檢測設備、螺栓緊固機等。為確保鋼軌焊接接頭質量，施工過程中應對自檢儀器進行校準或檢定。

現場焊軌施工根據不同的焊軌方向，焊軌車組提前在站內編組完畢后，利用長軌運輸車推進后的空閑時間隨之推進焊軌車組，進入計劃施工地點進行焊軌施工，長軌運輸車從前方返回之時，焊軌車組要提前退出區間。

2 工藝流程

鋼軌接頭焊前檢查與處理：鋼軌接頭焊前檢查與處理包括鋼軌扣件拆除、墊放滾筒、軌端及電極接觸部位除銹、機車對位、對軌與夾持、設備檢查等內容。現場施工時通過上述準備工作后經檢查達到焊接條件即可進行焊接。

鋼軌焊接：鋼軌焊接包括焊軌作業車對位，夾軌對中，通電焊接。

焊后處理：接頭焊接后要檢查接頭外觀質量、推凸質量、接頭粗打磨、接頭熱處理、焊后冷調直、焊縫精磨、焊縫平直度檢查、接頭無損探傷、恢復線路。

移動閃光焊接頭外在質量控制：線上鋼軌移動閃光焊過程中，為保證最終線路的平順性，需嚴格控制接頭的外在質量，特別是平直度。由于現場移動閃光焊是一個由鋪軌、拆除扣件、墊放滾筒、除銹、對軌、焊接、粗磨、正火、矯直、接頭精整、探傷、整修、恢復線路等十多個工序相互結合組成的一個綜合施工過程，因此對移動閃光焊焊頭的外在質量控制應貫穿始終。其中對焊接接頭平直度有直接影響的工序主要有：對軌、焊接、正火、矯直及接頭精整。

3 焊接接頭質量控制要點及具體措施

為進一步保證京滬高速鐵路鋼軌焊接接頭的質量，結合本項目實際施工情況，提出以下現場焊軌控制要點及具體實施。

3.1 對軌工序

現場施工時，線路條件如曲線段、直線段、坡道等會對鋼軌的平順性有一定的影響。當進行焊接時，由于移動式閃光焊機夾持采用軌腰夾持的方式，通過鉗口表面與軌腰表面的接觸進行夾緊，由于兩表面均為圓弧面，因此僅僅靠夾持無法達到足夠的對中精度，特別是在非直線段上，這點情況尤為突出。因此在焊接前，應將鋼軌初對中，將兩待焊鋼軌頂面和工作邊平行對位，基本平齊，預留好合理的預拱度，采用斜鐵等方式消除由于彎道超高及鋼軌扭曲引起的不對中情況后，才能進入夾持工序。初對中是保證接頭外觀質量中最容易被忽視的環節。

3.2 預拱度控制

焊接接頭預拱度控制是控制高低接頭的關鍵工序，施工時先拆除扣件并墊放好滾筒，在各項檢查完成后，進行鋼軌焊接對位，焊接對位直接控制鋼軌的焊接施工質量。鋼軌預供度調整，焊前鋼軌供度控制在2.9mm/m～3.1mm/m，待焊鋼軌分固定端和活動端。固定端調整：設3個固定支點，支點位置距軌端第二個承軌槽、第五個承軌槽、第8個承軌槽的調整高度依次為3cm、1cm、2cm，固定端鋼軌在焊接機組下壓后會上翹；活動端調整：設2個固定支點，第一個支點距軌端第3～5個承軌槽，第二個支點距軌端18～21個承軌槽的調整高度分別為4cm、9cm，由于第一支點和第二支點之間的間距較大，鋼軌在重力作用下軌端會上翹（以上數據為現場焊接經驗值），現場通過調整移動活動端支點將鋼軌供度調整好，具體見下圖。

鋼軌供度調整好后進行焊機對位，車輪距軌端第一輪對提前標上記號，以每小時3-5公里的速度推進移動焊軌機初定位，載有移動焊機的軌道車第一個輪對距焊接位置3m左右，對位完成后應迅速裝好止輪器，保證車輛不會發生溜車現象。對位之后應放下液壓支腿，頂升起焊軌作業車。在焊接接頭對軌過程中，必須以軌頂面和工作面為基準，軌頂面和工作面錯位偏差不應大于0.2mm，軌底邊緣錯位偏差不應大于1mm。焊機電極表面應平整、光潔，無油、水、鐵渣等污染物，左右股軌節接頭相錯量不能超過100mm。曲線上鋼軌焊接，由于高速鐵路、客運專線曲線半徑較大，現場撥道調整量不大，為確保鋼軌在焊接過程中橫向相差量滿足要求，在待焊鋼軌下放好滾筒后，將鋼軌向曲線內側撥動，在接頭20米范圍撥成直線，現場通過拉懸線檢查。

3.3 夾持焊接工序

對移動式閃光焊焊接接頭來講，夾持對中主要通過焊機進行，通過對中時設備的機械精度輔助人工干預，可以較好的實現對中。由于任何兩根待焊鋼軌的平直度都不可能完全一樣，線路情況的影響也不相同，焊軌設備本身的機械對中結構也有一定的偏差，因此焊后大部分接頭存在著一定的接頭錯邊。夾持焊接工序在保證接頭外觀平直度質量方面主要起兩方面的作用，一是以軌頂面及工作邊為基準，兼顧其他部位進行對中，確保接頭錯邊處于合理范圍內，控制好焊接接頭的錯邊量，也可以改善焊接接頭的平直度；二是控制焊接預拱度，以控制焊后平直度，為接頭正火打下良好的平直度基礎。

3.4 正火矯直工序

焊后正火熱處理同樣是一個熱過程，依然不可避免的會使得焊接接頭產生平直度變化。正火過程無法像焊接過程一樣通過夾持機構的夾持結合撤出夾持時間的控制來保證高溫接頭的平直度，正火時只能夠通過控制拆除扣件距離、墊物高度和位置等輔助手段來使得正火工序對平直度的影響最小化。根據現場實際軌溫情況，由于正火后接頭預供度會下降，高溫時控制鋼軌供度為3.1mm/m，在接頭兩側第二、四、六軌枕位置安裝鎖軌裝置，鎖軌裝置滿足能定在道床板上，在接頭加熱將鋼軌預供度調整好，將鎖軌裝置安裝好，并在接頭兩側將30m范圍內的扣件按鎖定要求全部擰緊方可進行鋼軌接頭熱處理（由于鋼軌軌溫變化內部產生的應力會造成接頭上供或拉細）。接頭橫向調整采用彎軌機，高鐵、客運專線要求高，施工選用彎軌機作業應在軌腰位置，彎軌是將反向位置1米范圍內的全部軌距擋塊拆除，同時彎軌保壓時間控制在10秒以上，防止鋼軌回彈。

3.5 接頭精整工序

移動閃光焊接頭精整使用仿型打磨機對焊接接頭的軌頂面及軌頭側面工作邊進行外形精整，恢復軌頭輪廓形狀。外形精整是控制接頭平直度的最重要手段之一。外形精整的基本作業采用多次測量、多次打磨方式。為保證接頭精整質量，作業前，焊接接頭及兩端 1m 范圍內溫度應在50℃以下，精磨的長度不應超過焊縫中心線兩側各450mm 范圍。使用仿形打磨機對焊接接頭的軌頂面及軌頭側面工作邊進行外形精整，外形精整應保持軌頭輪廓形狀，不應使焊頭或鋼軌產生任何機械損傷或熱損傷，不應使用外形精整的方法糾正超標的平直度偏差和超標的接頭錯邊。現階段，我國鐵路建設單位和工務養護單位進行現場接頭外形精整時主要采用直尺塞尺式前后測量和各式仿形打磨機打磨。前后測量時必須要了解接頭的平直度狀況才能判斷打磨范圍和打磨量，而傳統的接觸式測量方式受限于固有精度，無法給予后期打磨足夠準確的數據，這就會影響打磨質量。同時傳統測量方式無法直觀給出所測量接頭的精確平直度情況，這樣就在打磨時無法給予操作人員足夠的打磨范圍、打磨起始點、打磨量的指示，因此在高速鐵路要求對接頭平直度日益進行精確控制的情況下就無法達到要求，迫切需要更精確的接頭平直度測量方式。

目前， 各焊軌基地已開始采用比較先進的SEC電子平直度儀對鋼軌頂面和工作邊平直度進行測量。該設備是集成了計算機、傳感器、信號處理、精密機械加工、新材料等新技術于一身的機電一體化設備。其特點是：采用有效長度為1m的精密導軌為測量基線，能反映真實值，消除了鋼板直尺加塞尺方法的測量原理缺陷；數據采集、處理實現自動化、數字化；能連續測量鋼軌兩個方向的平直度數據；測量儀結構緊湊、重量較輕、便于攜帶、操作簡便、檢測效率高。測量時將鋼軌平直度測量儀置于鋼軌頂面或者側面，箭頭指向焊縫中心，測量鋼軌頂面及側面工作邊平直度。測量過程中，每隔5mm進行采樣，一米范圍內總共測量200個點，通過將這兩百個點的數據連線，繪出該接頭的平直度曲線。實際接頭精整作業前，在鋼軌溫度處于設計鎖定軌溫范圍時測量鋼軌焊接接頭平直度，記錄測量時的軌溫。結合該接頭測量獲得的平直度曲線，可獲得以下信息：

①接頭軌頂面的平直度變化趨勢（判斷打磨長度）；

②接頭工作邊的平直度變化趨勢（判斷打磨長度）；

③接頭軌頂面和工作邊的錯邊情況（判斷打磨長度）；

④接頭軌頂面最大、最小值（確定打磨深度）；

⑤超過規定值的長度及部位（確定重點打磨區域）。

3.6 鋼軌接頭探傷檢查

3.6.1 系統校準

依據TB/T 2658.21-2007測試方法，用標準試塊（CS-1-5、CSK-IA）測試超聲波探傷儀的性能（垂直線性，水平線性，靈敏度余量）及探頭的性能（K值，前沿），并規范填寫《超聲波探傷儀及探頭性能測試記錄》。依據TB/T 658.21-2007校準方法，用對比試塊（GHT-1、GHT-5）校準探傷靈敏度（制作距離-波幅曲線、AVG或DGS曲線等），雙探頭法使用GHT-1試塊，單探頭法使用GHT-5試塊，并規范填寫《鋼軌焊接接頭超聲波探傷靈敏度校準記錄》。

3.6.2 探傷方法

探傷檢測面的狀態處理達到要求后，使用超聲波探頭進行掃查。

①雙探頭掃查：K0.8～K1探頭從踏面對軌腰及其延伸部位進行串列式掃查；K0.8～K2探頭從軌頭側面對軌頭部位進行K型掃查；K0.8～K1探頭從軌底兩側面對軌底部位進行K型掃查。

②單探頭掃查：K≥2橫波探頭從踏面或軌頭側面對探頭進行掃查和從軌底斜面上對軌底部位進行掃查；

K0.8～1橫波探頭從踏面上對軌腰直至軌底進行掃查；對于鋁熱焊焊縫，另加0°探頭從軌頭踏面對軌頭、軌腰直至軌底進行掃查。

③閃光焊、鋁熱焊的焊接形式不同，缺陷類型不同，應采用相適應的方法進行探傷。

④對可能是棱角等外形造成的反射回波而不能確認時，應將棱角打磨后再探，但注意不應打磨超限。

3.6.3 缺陷判定

①雙探頭探傷

軌底角部位（20mm） ≥φ3-6dB 平底孔當量

其它部位 ≥φ3 平底孔當量

②橫波單探頭探傷

軌頭和軌腰 ≥φ3 長橫孔當量

軌底 ≥φ4 豎孔當量

軌底角（20mm） ≥φ4-6dB 豎孔當量

③焊縫中存在平面狀缺陷。

④缺陷當量比上述規定低3dB或以內，但延伸長度大于6mm。

3.7 工藝優化措施

為進一步保證高速鐵路鋼軌焊接接頭的外觀及質量，結合本項目施工實際，提出以下優化措施及建議：

①為保證焊頭外觀及質量，必須重視生產過程中連續質量控制，通過對軌、夾持焊接、正火矯直和接頭精整等工序密切配合，形成滿足高鐵要求的外觀、質量控制手段。

②對軌過程必須使兩待焊鋼軌相互平順，消除因線路條件引起的鋼軌扭曲。

③夾持焊接過程必須重視控制接頭錯邊和預拱度，保證焊后接頭平直度穩定，不出現超標的錯邊。

④正火矯直工序必須在達到正火要求的同時控制平直度不發生大的變化，應采用矯直的方式使得接頭接近筆直。

⑤接頭精整工序應通過SEC電子平直度儀或同類設備對接頭精整前的平直度進行測量，并針對平直度曲線判定打磨范圍和打磨量，并制定相應的打磨工藝。通過上述方法，可實現對接頭打磨量和打磨范圍較好的控制，防止打磨超限或者造成報廢接頭的情況。

4 結束語

在京滬高速鐵路310公里無縫線路鋼軌焊接施工任務中，由于不斷優化鋼軌焊接的施工工藝，同時執行京滬公司下發的各項無縫線路施工相關文件，項目部在京滬線焊軌施工中得到了鐵科院金化所、京滬公司、監理等多家單位的認可和贊同，焊接接頭驗收一次性通過，并在試驗過程實現了486.1公里/小時的世界最高運營時速，相關觀點、經驗可供類似工程借鑒。

參考文獻：

[1]鐵路軌道設計規范（TB10082-2005）.

[2]客運專線鐵路軌道施工技術指南（TZ211-2005）.

[3]無縫線路研究與應用.

[4]京滬高速鐵路指揮部下發無縫線路相關文件.

[5]行業標準TB/T1632.1-2005，TB/T1632.2-200、TB/T26

58.21-2007.

[6]《客運專線無碴軌道鐵路工程施工質量驗收暫行標準》.鐵建

設[2007]85號.