無縫線路鋼軌現場焊接技術工藝的運用分析

冉啟鵬

（中鐵二十二局集團第二工程有限公司，北京 100041）

1 引言

我國高速鐵路項目中無縫線路的鋪設逐漸增多，此種建設方式對鋼軌的焊接技術有著較高要求。目前，無縫線路鋼軌現場焊接技術已經逐漸成熟，氣壓焊接、接觸焊接等方式的應用優勢非常明顯，但為確保無縫線路鋼軌現場焊接質量，還應明確不同焊接技術的工藝要求，制訂出更科學、合理的技術方案。

2 工程概況

吉圖琿客專V標段（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段鋪設跨區間無縫線路長度535.4 km。

3 無縫線路對鋼軌現場焊接的要求

高速鐵路上的無縫線路設計中，鋼軌長度需要控制在300～500 m。由于鋼軌焊接后熱影響區、焊縫構成的焊頭性能會產生變化，如強度、塑性減弱或降低，所以，對于無縫線路鋼軌需要通過現場焊接的方式，且鋼軌母材的規格、尺寸偏差應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，抗拉強度約為880 MPa，現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量，相關人員還應掌握無縫線路鋼軌現場焊接技術要點，明確各類焊接工藝的施工要求，加強焊接質量控制。

表1 無縫線路鋼軌母材尺寸及允許偏差

4 無縫線路鋼軌現場焊接時存在的問題

無縫線路鋼軌現場焊接時，由于鋼軌長度會受軌道養護技術、鋪設工藝、運輸及制造技術制約，所以在進行現場焊接時需要面對較多的問題。具體可體現在以下內容中。

1）鋼軌現場焊接期間，前期打磨、拉軌、鋸軌、焊軌、探傷等環節中，施工人員的流動性較強，且部分施工時間節點無法同時進行，前后作業的協調難度大，部分專項作業施工人員工作強度大。

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

3）無縫線路鋼軌的單元軌節多為100 m，需要提前在加工廠焊接為500 m后用專業的運輸工具運輸到現場。但是，將焊接后的鋼軌轉移到鐵路無縫線路的砟肩區域后，可能會出現1～10 m的誤差風險，且現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量，要求施工人員及時調整，靈活控制各項參數[1]。

5 無縫線路鋼軌現場焊接前準備工作

5.1 鋼軌焊接前除銹

施工標準。鋼軌現場焊接前除銹時，需要人工手持砂輪機除銹。除銹區域應集中在待焊區域的鋼軌端面，以及焊接與鋼軌接觸區域。鋼軌母材打磨量應控制在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，除銹打磨質量要求如下：（1）先除銹區域應打磨到露出金屬本色，鋼軌軌腰區域的生產標識還應打磨平整。（2）打磨軌腰時，還應順著鋼軌方向打磨，且打磨機的砂輪不能停留在同一區域打磨。（3）在除銹打磨后打磨面不得出現劃痕、凹凸面，打磨時需要嚴格控制對母材的打磨量。（4）待焊鋼軌除銹打磨24 h后若出現再次生銹情況還應重新打磨。（5）打磨后檢查鋼軌接頭，無誤后進行焊接。

5.2 焊軌機對位

正式進行現場焊接時，還應提前檢查焊接的運行參數，如油溫、油位、電壓等；詳細查看焊軌機的焊接記錄、運轉記錄、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。施工人員可按照3～5 km/h的速度移動焊軌機進行初定位，即將載有移動焊機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，將焊軌所需的作業車頂升。對接作業車接頭時，需要以工作面、鋼軌頂面為準，且錯位偏差應控制在0.2 mm以內，軌底邊緣錯位偏差應小于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置為0.1～0.2 mm。

6 無縫線路鋼軌現場焊接技術工藝

6.1 氣壓焊接技術

氣壓焊接技術在1955年被引進我國，具有成本低、設備簡單、焊接效果明顯等優勢。氣壓焊接技術方案中，施工人員需要在現場焊接前進行氣壓焊軌工藝試驗，適用的焊軌機為雙導柱臥式壓接機、新型移動式氣壓焊機，且焊接設備中含有射吸式加熱器[2]。在無縫線路鋼軌現場焊接中采用氣壓焊接技術時，工藝流程為：施工準備→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場焊接時，應確保鋼軌焊頭的直線度、平順性符合預期要求，對此，施工人員應基于氣壓焊接技術，做好現場焊接時熱處理、精細化打磨工作，并且為防止無縫線路運行時存在低接頭問題，焊接后應保持接頭縱向平直。

6.2 鋼軌鋁熱焊技術

6.2.1 技術原理

鋼軌鋁熱焊技術是借助氧化鐵、鋁在化學反應后產生的熱量熔化金屬，從而使金屬堆焊、熔接。鋁熱化學反應屬于氧化還原反應，反應后的產物包括氧化鋁熔渣、液態鋁熱鋼，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坩堝內，點燃后會產生鋁熱反應。反應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，現場布置距離焊點約5 m的區域布置氧氣瓶、乙炔瓶、石油液化氣，焊接所需的其他設備應放置在焊接區域一側的路肩上，坩堝所放置的區域距離所有氣瓶不得小于5 m。

2）鋸軌后再進行焊接時，所插入的鋼軌長度應大于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，切割過程中還應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面、頂面，仔細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密封，并在焊接前密封鋼軌、砂型接縫的吻合處，兩側流鋼槽還應和砂型緊密結合，避免焊接時因鋼水而出現安全問題。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）預熱后使砂型芯座呈垂直狀態，避免燃燒時的焰流對準砂型底部，要將焰流沖向兩端的鋼軌面上。焊接期間，施工人員還應隨時關注封箱區域，如有出現跑火現象應及時處理，預熱3 min后正式點火。點火后的高溫火柴產生火花后，在砂型中插入焊劑，點燃焊劑后關閉預熱裝置，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產生鋼水并流入需焊接的鋼軌縫隙內，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上，2 min后加力，讓焊接所需的刀具進入砂箱內。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。精磨后檢查鋼軌外觀進行探傷檢查，確認鋼軌焊縫區域無缺損后進行下一軌段的焊接工作。

6.3 接觸焊接技術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，該技術是利用電流通過電阻時產生的熱量焊接鋼軌。焊接時需要提前預熱；中期持續加熱；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場焊接工作。接觸閃光焊接所用的設備自動化程度高，焊接參數控制更為靈活，且外部因素對焊接質量的影響較小、焊接效率高。期間所用的焊接工藝包括連續閃光焊、預熱閃光焊、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；對軌質量控制目標以作用面不存在橫向錯位、豎向錯位為準，錯位偏差需控制在0.2 mm以內。（2）調整焊機位置，將鋼軌接縫和焊機中心點對中；將渣液涂刷在焊機內側，便于清理焊渣；落下焊機，將鋼軌夾緊，夾緊后檢查鋼軌縫，確認無誤后進行現場焊接。（3）按照工藝要求，調整焊接工藝參數，焊接后清理、打磨焊瘤塊，并松開鋼軌，提升焊機。隨后根據無縫線路上的配軌表，對鋼軌接頭區域進行編號；一個接頭焊接結束后，在焊縫的熱狀態下進行調直：即通過調整使焊縫兩側約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場焊接的質量要求。

7 結語

綜上所述，為提升高速鐵路項目中無縫線路鋼軌焊接質量，相關人員還應結合無縫線路鋼軌現場焊接的基本要求，做好現場焊接前的準備工作。同時靈活選用焊接工藝，發揮不同焊接方法的技術優勢，更可靠地焊接鋼軌，為無縫線路鋼軌后期的維護、保養提供便利。此外，焊接鋪設無縫線路鋼軌是我國高速鐵路建設發展的重要內容，相關人員還應持續探究無縫線路上鋼軌現場焊接技術，完善鋼軌焊接技術體系。