重载铁路75 kg/m钢轨移动闪光焊焊接施工技术

贾晋中，程建平

(1.朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350;2.朔黄铁路发展有限责任公司原平分公司，山西原平 034100)

1 既有焊接接头伤损分析

按75 kg/m钢轨焊接接头伤损发生在厂焊接头、气压焊接头、铝热焊接头位置进行统计，从原平分公司管内近年来焊接接头重伤统计结果来看，气压焊的伤损比例最高，可达1.71%;其次为铝热焊，伤损比例为1.07%;厂焊的伤损比例最小，为0.07%。气压焊的伤损比例为厂焊的24.4倍，铝热焊的伤损比例为厂焊的15.3倍[1]。由此可见，工地焊接接头的伤损比例远高于厂焊接头。

钢轨焊接接头平直度明显增大，现场实测个别铝热焊焊接接头最大凹陷达0.9 mm，已超出《铁路线路修理规程》的要求(焊缝凹陷不能超过0.5 mm)。从焊接接头伤损比例以及平直度两方面来看，目前采用的铝热焊和气压焊已无法满足重载铁路运输的要求。

移动闪光焊焊接性能稳定、焊接质量高[2]，与气压焊、铝热焊相比，具有明显的优势。但目前我国重载铁路尚无成熟的移动闪光焊焊接设备和焊接技术，为此朔黄铁路公司联合铁科院、南车戚墅堰研究所进行了重载铁路75 kg/m钢轨移动闪光焊焊接技术的研发，并在朔黄铁路正线进行了焊接试验，效果良好。

2 移动闪光焊焊接设备选型与改进

2.1 设备选型

选用由南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司生产的LR1200型钢轨闪光焊机。主要技术参数和基本性能如下[3]:①额定电压。电网380×(1±10%)V，50 Hz;发电机组400 V，50 Hz;额定初级电流(50%负载)540 A;额定功率210 kW;额定顶锻力1 200 kN;额定夹持力2 900 kN;可焊接钢轨的最大横截面积10 000 mm2(75 kg/m钢轨断面面积为9 520 mm2)。②焊机头内增设独立的推瘤油缸，在拉伸情况下可焊接特长钢轨。③机头配有自动推凸装置，焊后在热态下立即完成推瘤工作。④夹紧时沿轨头和断面自动对中。

由于目前国内外75 kg/m钢轨采用移动闪光焊尚属空白，基于LR1200型钢轨闪光焊机平台研制了与75 kg/m钢轨相配套的钳口、推瘤刀和刀座，见图1。

图1 钳口、推瘤刀及刀座

2.2 焊接工艺参数试验

目前朔黄重载铁路主要采用75 kg/m U78CrV钢轨，通过对U78CrV钢轨化学成分及力学性能的分析，以脉动闪光焊工艺为主体，前期加热采用预热闪光焊工艺，二者相结合作为本次参数调试的基准。

结合国内目前既有移动闪光焊焊接技术，在厂内对150余对75 kg/m钢轨进行了试焊，对各种焊接参数下的焊接接头进行了落锤试验，根据落锤试验结果以及断口形貌，对焊接参数进行优化，进而提出合理的75 kg/m U78CrV钢轨移动闪光焊焊接参数。

考虑到75 kg/m钢轨截面较60 kg/m钢轨大，前期采用较大的加热量，选取较大的加热时间。阶段电压可根据脉动闪光焊工艺，采用程控调压，俗称马鞍式。阶段时间与阶段电压的配合旨在获得较好的加热温度及合适的温度场，为后期的顶锻做好充分准备。

在焊接技术参数调试时，对不同顶锻量下的焊接质量进行了试验。调试时75 kg/m的U78CrV钢轨控制顶锻量初设为11 mm，考虑接头焊接前期的加热程度，实际顶锻量为13 mm左右，焊接管理程序设置实际顶锻量不应超过16 mm，否则焊接判断为不合格。图2为不同顶锻量下的断口形貌。

图2 不同顶锻量下的断口形貌

2.3 型式试验结果

采用LR1200型钢轨闪光焊机，根据提出的焊接工艺参数，进行了钢轨接头的焊接，并委托铁道部产品质量监督检验中心进行了检验。共进行了落锤、静弯、疲劳、硬度、拉伸性能、冲击吸收能量和显微组织7项试验，除拉伸性能目前无重载铁路的相关标准外，其他性能均符合原铁道部的相关标准。焊接接头硬度试验结果见表1。

表1 焊接接头硬度试验结果

3 现场焊接施工

为验证75 kg/m钢轨焊接技术，结合2013年朔黄铁路原平分公司换轨计划，选择一条曲线进行焊接试验，钢轨为25 m长U78CrV无孔新轨，整条曲线以及两端一定长度的直线采用移动闪光焊焊接成无缝线路。共焊接了50个接头，其中线下焊接接头48个，线上焊接接头2个。焊接完成后，对所有焊接接头进行了探伤检查，全部满足规定要求。

试验段为一半径600 m曲线，曲线参数见表2。

表2 焊接接头试验段曲线

焊接施工方案采用25 m轨线下焊接与线上锁定焊接方案。

线下焊接:将25 m钢轨在线下焊接成长轨条。将25 m钢轨预先放置在砟肩，然后逐个焊接。在一个天窗(4 h)内可焊接8～10个接头，钢轨的热处理、精磨在下一个天窗内完成，共用7个天窗。在整个长轨条焊接完成后，开始进行线上锁定焊接。

线上锁定焊接:在天窗点换铺长轨条，并将长轨条焊联入无缝线路，在长轨条的始终端与已铺相邻单元轨条直接焊连，线上锁定焊接需2个天窗。

整个焊接施工需9个天窗。

3.1 线下焊接

利用天窗时间将25 m钢轨在线下焊接成长轨条，共焊接约48个接头。线下焊接、正火与精磨采用流水作业，在一个天窗点内进行焊接，同时对上一天窗内的焊接接头进行正火处理和精磨作业。工地线下焊接施工组织及作业要求如下。

1)线下焊接施工工艺流程(图3)。

图3 线下钢轨移动闪光焊工艺流程

2)施工列车编组

非自行式移动式接触焊轨机、热处理机组采用轨道车组连挂方式进入现场，施工列车编组顺序(自原平方向)为:轨道车+材料车+非自行式焊轨车+非自行式热处理车+轨道车。

到达施工现场后轨道车组分解为焊轨、热处理两个作业车组。焊轨车组顺施工方向编组顺序为:轨道车+材料车+非自行式焊轨车;热处理车组顺施工方向编组顺序为:非自行式热处理车+轨道车。

3)线下钢轨焊接、热处理、打磨，不再详述。

3.2 工地锁定焊接

线下将25 m钢轨焊接成长轨条后，利用天窗时间进行无缝线路长轨条的铺设，并将新铺单元轨条的始终端与已铺相邻单元轨条始端或终端直接焊连。利用下一个天窗进行焊接接头的正火处理与精磨。

工地焊接锁定时，轨温应在锁定轨温范围内，并与两相邻单元轨条的锁定轨温差不超过5℃。原平分公司管内无缝线路锁定轨温为(28±5)℃，在进行焊接锁定时，在轨温适宜时方可进行锁定焊接，工地锁定焊接2个接头，始端采用移动闪光焊焊接，受施工天窗的限制，终端采用铝热焊焊接。工地锁定焊轨作业步骤与要求同线下焊接。工地焊接锁定施工流程见图4。线上焊接如图5所示。

图4 工地焊接锁定施工流程

图5 移动闪光焊线上焊接现场

4 焊接工艺要求

1)钢轨焊前检查与处理

焊接前必须对钢轨进行检查和必要的处理:①检查钢轨主要几何尺寸，包括钢轨高度、轨头宽度、轨底宽度、断面是否对称、轨冠饱满度、断面斜度(垂直及水平方向)、端部扭曲、端部和轨身平直度;②检查钢轨表面质量，条件许可时对轨底进行镜面检查;③对于无法矫直的钢轨端部弯曲，应将其端部锯切。

2)焊前除锈

①待焊钢轨端部及钢轨与闪光焊机电极接触部位应除锈。②钢轨除锈面待焊时间超过24 h以上或断面后有水、油、污垢污染时，应重新除锈处理。③如果钢轨轨腰与电极接触，应将接触部位凸出的轧制标识打磨至与母材平齐。

3)焊接与推凸

①焊接前轨温不宜低于10℃。②应自动完成推凸过程，推凸过程不应损伤接头和母材，推凸后的表面应无肉眼可见的裂纹或焊渣挤入。接头各部位允许的最大推凸余量(推凸后的焊筋高度):轨头2 mm，轨头下颚2.5 mm，轨腰2 mm，轨底1.5 mm。③推凸后、未经打磨处理情况下，应使用1 m检测直尺检查接头错边，在焊缝中心线两侧各15～25 mm的位置测量并计算接头错边量。对于接头错边量超过最大允许值的焊接接头，应切掉接头重焊，锯切位置与焊缝距离应不小于50 mm，重新焊接前，钢轨端部应处于常温。④线上锁定焊接时应使用保压推凸，当焊接接头温度达到300℃以下时，方可去除保压压力。⑤应对每个焊接接头进行标识，标识应位于焊接长钢轨的同一侧轨腰(线路外侧)、距焊缝2～3 m位置。标识应清晰、端正，至少5年内可以识别。

4)焊筋整形(粗磨)

①可以采用磨削的方式进行焊筋整形，焊筋整形不应损伤钢轨母材。②焊筋整形后，应保证焊接接头的表面粗糙度满足探伤扫查的需要。③钢轨应按纵向打磨，不应横向打磨，钢轨表面不应出现打磨灼伤。④焊接接头非工作边的垂直、水平方向错边应平顺过渡。⑤钢轨闪光焊轨底下表面焊筋高度不应＞0.5 mm，轨底焊筋边缘棱角应平顺过渡。

5)外形精整及平直度要求

①应使用仿形打磨机对焊接接头的轨顶面及轨头工作边进行外形精整，外形精整后轨头应与母材保持一致的轮廓形状。②外形精整的长度不应超过焊缝中心线两侧各400 mm范围。外形精整不应使焊接接头或钢轨产生任何热损伤。不应使用外形精整的方法纠正超标的平直度偏差或超标的接头错边。③应采用矫直的方法纠正焊接接头平直度偏差，宜在焊接接头处于常温时进行矫直作业。④钢轨焊接接头平直度应符合表3的要求。应在钢轨焊接接头温度低于50℃时测量平直度。测量长度1 m，焊缝居中。

表3 钢轨焊接接头平直度 mm/m

5 结论与建议

1)针对朔黄铁路主要采用的75 kg/m的U78CrV钢轨，在60 kg/m钢轨移动闪光焊焊接工艺参数基础上，结合目前国外重载铁路的发展现状，研究提出重载铁路移动闪光焊焊接工艺参数，并结合试验段的实际情况，提出了工地锁定焊接施工技术方案和技术要求。现场焊接试验表明，焊接工艺参数以及焊接施工方案能满足钢轨焊接施工要求。

2)结合国内LR1200型钢轨闪光焊机，对焊接设备进行了升级改造，研制了与75 kg/m钢轨相匹配的钳口，提高了推瘤刀及刀座强度，能适用于75 kg/m钢轨的焊接。

3)结合75 kg/m钢轨的材质和断面特点，对焊接参数进行了优化调整，提出了焊接参数中合理的阶段位移、时间、电压、电流、速度、顶锻量，减小了断面灰斑产生几率，提高了焊接质量。

4)根据试验段的实际情况和工地焊接技术方案，依次进行无缝线路换铺、始端接头焊接、长钢轨拉伸锁定及焊接接头热处理等，并给出各阶段的控制指标。该方案简便可行，能满足无缝线路锁定焊接的技术要求。

建议将焊机吊臂长度延长，这样可在同时封锁上下行区间时进行邻线焊接。其优点一是克服了焊机只能本线焊接的缺点，二是解决了因垫支块存在的安全隐患问题，三是不干扰本线正常的换轨进度。

[1]中国铁道科学研究院.朔黄铁路轨道结构调研报告[R].北京:中国铁道科学研究院，2012.

[2]广钟岩，高慧安.铁路无缝线路[M].3版.北京:中国铁道出版社，2001.

[3]中国铁道科学研究院.朔黄铁路75 kg/m钢轨移动闪光焊焊接技术研究报告[R].北京:中国铁道科学研究院，2013.