閃光焊接處理無縫鋼軌缺陷

薛偕康

（中鐵第十一局工程局第三工程有限公司，湖北十堰，442000）

作為鐵路軌道中的一個薄弱結構所在，鋼軌接頭對于線路設備、機車以及車輛的使用壽命等造成一定程度的不良影響，還會因此對鐵路旅客的乘坐舒適度造成不必要的困擾，也會增加能源方面的消耗等。最為嚴重的情況是它將導致鐵路機車運行過程中的安全隱患，對于旅客的生命財產安全造成較大的危害。因此，為了徹底解決鋼軌接頭的穩固性與平順性問題，世界各國努力發展無縫線路，我國鐵路部門也從上個世紀九十年代由有縫線路向無縫線路轉變。應該來說，鐵路軌道結構中標志著先進技術的無縫線路在世界范圍內受到了熱烈追捧，并被優先運用于高速與重載軌道結構當中。我國最初引入的鋼軌焊接方法是氣壓焊接，后來是鋁熱焊接。隨著焊接技術的不斷發展與進步，這兩者的弊端逐漸暴露出來，隨后運用閃光焊接方法。目前為止，閃光焊接是最實用、焊接質量最好的一種方法。

一、無縫線路鋼軌焊接方法

無縫線路是通過對長度標準的鋼軌進行焊接而連成的長鋼軌線路，它又被稱之為焊接長鋼軌線路，并因為長軌條沒有軌縫而得名。無縫線路沒有傳統鋼軌結構中的多個接頭，從而使得機車的運行過程變得更為平穩，大大降低了機車車輛以及軌道維修成本，還延長了其使用壽命。因此，鐵路現代化的建設目標就是要更好地運用無縫線路。然而，無縫線路要發揮自身的優勢，必須從強度與穩定性方面得到切實的保障，這就需要通過一定的鋼軌焊接技術來實現無縫線路的鋪設。鋼軌結構的焊接是無縫線路建設過程的重要環節，也是無縫線路鋪設過程中的一大技術難題，它直接決定了焊接接頭的質量，對鐵路安全有著不容忽視的重要影響。鋼軌的無縫焊接主要有接觸焊、氣壓焊、鋁熱焊、電弧焊等幾種方法。一般來說，在焊接工廠往往采用的是接觸焊，將新鋼軌焊連成更長的鋼軌，并在鋪設現場使用鋁熱焊、氣壓焊或電弧焊將長鋼軌焊成一個閉塞分區，并對跨區間的無縫線路進行三次焊接。這幾種鋼軌焊接方法各有側重點與焊接原理，具體分析如下。

（一）接觸焊

這種焊接方法的基本原理就是利用電流所產生的電阻帶來的熱量來熔接焊件，并經過一定的頂鍛來實現最后的焊接。這種焊接方法的優勢在于其焊接速度較快，焊接的質量較為穩定牢固。然而，這種焊接方法的使用設備較為復雜，投資較大，電源功率也偏大，往往只在工廠內才會采用這種焊接方法。

（二）氣壓焊

這種方法的基本原理就是利用氣體燃料燃燒而產生的熱能來對鋼軌軌端進行加熱，并把它熔化到塑性狀態，并施加一定的頂鍛壓力來把施焊的金屬構件進行焊接端的焊連。這種焊接方法較為簡便，其所需的資金也不夠大，電源方面的功率要求也不是很高，焊接的整體時間較短，焊接質量不錯。[1]一般來說，這種焊接方法更多地應用在現場焊接方面。但是，它也有自身的缺陷。比如說，焊接過程中對于鋼軌接頭的斷面處理要求偏高，還需要鋼軌有一定的縱向移動等。這就使得其對于那些超長的鋼軌焊接存在一定的難度，無法進行跨區間的無縫線路焊接。

（三）鋁熱焊與電弧焊

前者的基本原理主要是將重金屬氧化物和鋁的混合物作為焊劑，然后給鋼軌進行預熱之后進行焊接。這種方法設備簡單，操作簡便，但是其焊接效果不是很好，必須強化現場的實驗與檢查工作。后者則主要運用于現場維修工作中，其焊接效果也不錯。但在我國仍然處于摸索階段，還不夠成熟。

二、閃光焊接處理無縫鋼軌中的缺陷

閃光焊接由于采用全程數控，一次施工合格率高達97%，施工穩定，施工質量高，在我國已逐漸取代鋁熱焊和氣壓焊成為最主要的鋼軌焊接方法。[2]閃光焊的基本原理就是利用電流產生的電阻熱量來焊接鋼軌，并進行頂鍛技術來最終實現有效焊接。在閃光焊的過程中，兩個需要焊接的鋼軌由于電流通過而產生較大的電熱能，兩個鋼軌的接觸之處被加熱熔化，形成多個液體金屬過梁，被熔化的金屬通過鋼軌接觸縫隙形成閃光。進而，鋼軌被再度加熱，并通過連續閃光來使得鋼軌斷面的溫度保持均衡穩定，讓鋼軌中的碳元素釋放出來形成氣體保護層，再通過頂鍛的壓力來讓鋼軌的焊接面形成相互擠壓，在閃光的同時得以有效融合在一起，并把金屬液體全部排出去。自此，兩個鋼軌實現最終的一體化。通過用與鋼軌橫截面外形輪廓相同的刀具沿鋼軌表面縱向推進，切除焊接凸出量后正火打磨，待探傷合格后鎖定。[3]

閃光焊雖然一次合格率高，但受客觀的探傷施工及接頭焊接打磨缺陷影響，有些缺陷嚴重影響到行車舒適度和行車穩定性。由于線路已鎖定完畢，直接進行焊接將受到原有鎖定溫度和焊機自身頂鍛力限制，必須使焊接完成后的線路的鎖定溫度與原鎖定溫度相等且焊機自身不產生額外頂鍛力。因此我們采用插入短軌法來解決這個問題。首先必須使焊接后的鋼軌鎖定溫度等于原有鎖定溫度。例如：原鎖定溫度20度，現在施工溫度15℃，鋸除缺陷接頭后兩接頭12m，焊接單元長500m。其次解決額外頂端力。設燒失（頂鍛）量 30 mm，那么插入短軌總焊接長度則為59.5 mm，鋸下的短軌長度為12 000mm。根據鋼軌彎曲特性，我們把鋼軌從左股撥彎到接近右股的位置，彎曲長度20m的可以得到-26.5 mm彎曲伸長量，那么就剩余33 mm，這33 mm必須以溫度應力的方式得到伸長。為了保證焊接過程不受外力影響，必須將這額外的6.18T（或者33 mm伸長量）放散到與待處理缺陷單元相連的已鎖定單元1（500m）上，因此實際放散長度為待處理缺陷單元+已放散單元1=1000m。焊接時先焊接B點，再鋸下相應長度短軌，因此燒失量僅計 1個 30 mm，已鎖定單元 1總伸長量=59+30-26.5=62.5 mm。[4]所以，如果能夠將已鎖定單元1向A點方向拉伸62.5 mm，理論上就可以解決焊接后的放散溫度差和焊接中的燒失量。

這個具體的方案實施步驟如下：① 準備一根12.5m的短軌。② 首先鋸除問題接頭B，將已鎖定單元1用拉軌器連接在待處理缺陷單元上，重新解除已鎖定單元1扣件，并將其架設在滑輪上，使其自由伸長。將已鎖定單元1向待處理缺陷單元方向拉伸62.5 mm，鎖定已鎖定單元1。③ 鋸除接頭B點到A點間的鋼軌，鋸除長度12.003m。④ 焊接接頭B，待正火打磨探傷全部合格。⑤ 鋸除待焊鋼軌，使待焊鋼軌長度=AB+20 mm，將長出的鋼軌搭在A點鋼軌上。⑥ 解除待處理缺陷單元的扣件，并將其架設在滑輪上，使其自由伸長。⑦在距離A點10m處將CD間（20m長）的鋼軌撥彎至相鄰股，使其彎曲伸長，直至待焊短軌落下并使A點鋼軌和待焊短軌預留有5 mm軌縫。⑧ 焊接接頭A，正火打磨探傷全部合格。⑨ 重新放散已鎖定單元1和待處理缺陷單元。⑩ 重新鎖定已鎖定單元1和待處理缺陷單元。

在閃光焊接無縫鋼軌缺陷處理的過程中，應該注意以下幾個方面的問題：① 因焊接施工過程中鋼軌需架立在滑動設備上，現有的架立滑動設備有滾輪和滾棍兩大類。其中滾輪下部自有鋼支撐，滑輪轉動為原位轉動，上下摩擦力系數均為鋼鐵和鋼鐵的摩擦系數，滾棍的原理為使用鋼棍放置在枕木上，上部為鋼鐵與鋼鐵的摩擦系數，下部為鋼鐵和混凝土的摩擦系數。為了盡可能地減少焊接過程中鋼軌和架立滑動設備間的摩擦力，建議架立鋼軌時選用滾輪，不選用滾棍。② 為了抵消焊接時的頂鍛力（焊接燒失量）采用了鋼軌撥彎法，因為鋼軌彎曲拉直也產生額外的力，為保證焊接時的焊接質量，建議施工時采用人工輔助撥直。③ 因為焊接采用了鋼軌撥彎法，雖然撥彎位置距離焊接接頭超過20m，但依然會對焊接接頭平直度產生少量影響，因此焊接完成后應注意檢查焊接接頭平直度，特別是正火施工。④ 因為本方法的主要對象為已完成鎖定或通車的線路，新施工鋼軌接頭因未經過列車荷載，鋼軌接頭會產生后期下擾，建議鋼軌精磨時多保留0.2mm的預拱度。

[1]李向國，岳渠德，況勇.秦沈客運專線區間有咋軌道工程施工技術[J].鐵道標準設計，2001，21(5)：1-2.

[2]廣鐘巖.高惠安鐵路無縫線路[M].北京：中國鐵道建筑出版社，2001：132-133.

[3]唐新新.直流脈動鋼軌閃光焊接系統[D].天津：天津大學材料學院，2006.124-125

[4]無縫線路鋪設安全一般規定[EB/OL].建筑工程質量安全網，2013-03-16.