1、高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed Railway第 2 卷 第 2 期2 0 2 3 年 4 月Vol.2 No.2April 2 0 2 3高速铁路现场钢轨插入闪光焊接技术研究李金华1，李力1，陈伟国2，高振坤1，吴丹2，康志坚3，周烨1（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 金属及化学研究所，北京 100081；2.广州铁路轨道装备有限公司，广州 510600；3.中国铁路广州局集团有限公司 广州工务大修段，广州 510600）摘要：随着闪光焊轨机或焊轨车的大范围普及，高速铁路新建和既有线区间无缝线路基本都采用闪光焊接，近几年现场闪光焊开始大范围
2、应用于线上局部换轨的插入焊接。研究适用于高速铁路现场钢轨插入焊接技术，对于解决一些因服役或偶发性外因导致钢轨或焊接接头的损伤修复十分重要。在保证焊接接头质量的前提下，满足插入焊合龙口接头的焊接和锁定轨温恢复两方面需求是技术研究的关键难点。通过分析高速铁路现场插入闪光焊需求及关键技术，制定了适应现场作业需求的焊接装备、作业模式和现场施工组织，为高速铁路现场插入闪光焊接提供了新的技术方案。关键词：钢轨；移动闪光焊；钢轨闪光焊接和感应热处理一体机；拉伸焊接；插入焊接中图分类号：TG438；U213.4 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.02.008随
3、着高速铁路运营年限的不断增加，钢轨或焊接接头在长期服役过程中不可避免地产生服役伤损或偶发性外因致伤损，此时需要对病害钢轨进行更换作业。当病害钢轨较短时，不宜采用大规模换轨施工，如对钢轨局部擦伤或焊接接头重伤等伤损钢轨进行更换时，采用短轨插入焊技术是适宜的作业方式1-3。高铁钢轨插入焊技术主要有2种方式，即铝热焊和闪光焊。当前铝热焊最为常用，按照高铁修规要求，插入不短于20 m的钢轨，在两端均采用铝热焊作业，其优点是仅插入段钢轨轨温不易受控，其他方面对线路扰动小。其缺点主要是增加了线路上铝热焊接头数量，钢轨重伤和断裂的风险更高一些。该方式施工组织相对来说较为简单，现场作业风险较小。闪光焊近几年开
4、始大范围应用于线上插入焊接，随着闪光焊轨机或焊轨车的大范围普及，高速铁路新建和既有线区间无缝线路基本都采用闪光焊接4-6。插入轨首尾两端均采用闪光焊接，第1个接头采用常规的线上闪光焊接就可完成，施工难度主要在第2个接头（合龙口处），由于闪光焊需拆卸较多钢轨扣件，对线路扰动相对大一些，原有施工一般在实际轨温处于锁定轨温条件下进行，并且应兼顾对左右股轨温差及同一单元轨温差的控制。当实际轨温低于锁定轨温时须采用拉伸焊接的方式进行，需要满足插入焊合龙口接头的焊接和锁定轨温恢复两方面需求3。通过调研分析高速铁路现场插入闪光焊接需求及关键技术方案，制定了满足高铁既有线施工需要的焊接装备、作业模式和施工组织
5、技术，并进行了现场试验，形成了高速铁路现场插入焊接成套方案，为我国高铁后期轨道运营维护提供了新的技术手段。1 现场插入闪光焊接关键技术 高速铁路现场插入闪光焊接施工难度主要在第2个接头（合龙口处），需要在保证焊接接头质量的前提下，解决合龙口焊接的同时恢复线路锁定轨温的难题。1.1拉伸锁定焊关键问题及解决方案（1）钢轨纵向阻力。长轨或拉伸长轨在现场焊接过程中须克服额外的钢轨纵向阻力（轨底摩擦力和拉伸力），对闪光焊接过程中的闪光、加热、连续等阶段的影响较大。非自由状态的长轨内在纵向阻力会影响焊轨机实际有效顶锻力值，从而影响闪光焊接过程中的送进和后退速度，最终影响焊接过程，导致加热过程不稳定，对接头
6、质量影响也较大，造成与自由状态下钢轨焊接的较大差异。本研究将闪光焊接过程分为2个大的阶段：闪光加热阶段和顶锻阶段。控制方式改进为：全过程采用恒位移控制方式。闪光加热阶段长钢轨处于低纵向阻力的自由状态（采用钢轨拨弯+支垫滚筒方式）；顶锻文章编号：2097-0846（2023）02004005收稿日期：20221121；修回日期：20230221基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（N2019G053）第一作者：李金华（1987），男，副研究员，硕士。E-mail：第 2 期李金华等：高速铁路现场钢轨插入闪光焊接技术研究阶段实现顶锻量精准控制，焊接实际数据和短轨相当，而要实现相同的顶
7、锻效果需要提高焊轨机额定顶锻力以满足拉伸状态下的顶锻能力。（2）钢轨内应力。当接头焊接完成进行焊后热处理作业时，长钢轨由于处于拉伸状态（实际轨温与锁定轨温的差距）而存在一定的内应力，钢轨接头热处理过程中易出现变形或被拉细的情况，须采用保压焊后热处理。虽然近年来现场焊后热处理装备也逐步实现了感应加热、全程保压以及自动化作业的方式7。但是钢轨拉伸锁定焊接一般都是在换轨合龙口或者应急抢修中运用，焊接只是换轨维修中的一项，维修天窗时间的限制是考验新技术、装备和施工组织的关键。焊轨车和热处理作业车配合作业1对接头一般需要7080 min，2 个车的编组及调车作业也带来了现场施工组织的问题。1.2拉伸焊接
8、技术及装备移动式钢轨闪光焊接和感应热处理一体机可采用一次钢轨夹持实现钢轨焊接和热处理自动化作业，实现了钢轨闪光焊接后直接原位保压感应热处理作业8-9，方便了现场钢轨焊接需求，尤其是工务大修换轨线上锁定焊的作业。进行拉伸锁定焊接1对接头只需要2530 min，将闪光焊接和感应热处理两种作业一机化，减少相关装备、作业时间、人员等投入，可显著提高现场闪光焊轨生产效率。2 合龙口焊接主要技术方案 2.1闪光焊接钢轨消耗量闪光焊接接头钢轨消耗量（S）由闪光烧化量（Ls）和顶锻量（Ld）两部分组成，现场闪光焊接头消耗量一般在2540 mm。通过型式检验确定钢轨闪光焊机焊接参数后，钢轨消耗量也随之确定，但是
9、由于焊接过程存在不稳定性，钢轨消耗量存在少量的波动。比如某移动闪光焊机现场焊接钢轨消耗量在2833 mm之间波动。钢轨消耗量波动的原因是目前焊接参数模式主要采用位移和时间双控，闪光烧化的各个阶段以时间作为节点控制，导致各阶段的位移由于焊接工况（轨温、气温、机械稳定性、阻抗等）的影响产生较明显的波动。要实现拉伸锁定焊拉伸量的精确控制，需要保证在拉伸焊接过程中钢轨消耗量的稳定，焊轨机焊接参数模式改进为恒位移控制，使每个接头即便在焊接工况有一定差异的情况下仍可达到稳定的钢轨消耗量10。2.2拉伸量与锁定轨温差拉伸锁定焊接的拉伸过程选在对焊接质量影响较小的顶锻阶段，拉伸量最大值为顶锻量（一般为1516
10、 mm），钢轨拉伸量（锁定轨温差 T）取决于待拉伸长轨的长度。以长钢轨自由拉伸为基准计算拉伸量L与锁定轨温差T，计算公式如下：L=T a L（1）式中：L为钢轨拉伸量，mm；T为锁定轨温差，T=T1-T0，T1为锁定轨温，T0为实际轨温，；为钢轨线膨胀系数，=11.810-6/（常温）；L为钢轨在自由状态下的长度，mm。如果钢轨最大拉伸量为16 mm（顶锻量为16 mm），按100 m长轨拉伸，最大可拉伸锁定轨温差为14；按84.75 m长轨拉伸，最大可拉伸锁定轨温差为16。长钢轨可拉伸长度 L的范围选取，为了保证拨弯作业可靠且方便操作，一般来说不少于80 m（一般在4060 m区间拨弯，太近
11、会影响待焊端钢轨的顺直对齐，太远摩擦力过大会影响拨弯回直的拉力）。但是选取长轨长度过大(如500 m)，则可拉伸的温度只有34，恢复线路锁定轨温的能力还是偏小，适应不了大多线路实际作业需要。2.3拉伸力与锁定轨温差以长钢轨垫辊轮为基准计算拉伸力F与锁定轨温差T，计算公式如下：F=E L/L A+f（2）式中：F为总的拉伸力，N；E为钢轨弹性模量，E=210 GPa；L/L为钢轨伸长率；A为钢轨横断面积，A=77.45 cm2（60 kg/m钢轨）；f为摩擦力，f=G，=0.15为钢轨与辊轮的摩擦系数，G为长钢轨重力，N。如果以84.75 m长轨作为拉伸区间，拉伸锁定轨温差16 需要的拉伸力为3
12、14.72 kN。2.4增加额定顶锻力为了满足长钢轨拉伸锁定需求，在满足原有顶锻力基础上，还需满足钢轨拉伸力和摩擦力需要，因此需要提高顶锻力。但是由于锁定轨温差（T）随着环境变化，所需要的拉伸力也随之变化，而额定顶锻力不变，因此实际作用在接头的顶锻力会随着锁定轨温差（T）不断变化，实际顶锻量和顶锻效果也不断地变化。因此需要根据每个接头不同的拉伸力条件实现相同的顶锻效果，同时保证相同的顶锻效果也可以实现钢轨拉伸量的精准控制，保证线路锁定轨温的准确可控。41高速铁路新材料第 2 卷3 现场插入闪光焊施工组织及控制方法改进 3.1插入焊作业流程插入钢轨首尾两端均采用闪光焊接，第1个接头采用常规的线上
13、闪光焊接作业就可完成。施工难度主要在第2个接头（合龙口处）。当实际轨温与锁定轨温相当时，采用常规合龙口拨弯焊接；当实际轨温低于锁定轨温时可采用拉伸焊接的方式进行，满足合龙口接头的焊接和锁定轨温恢复两方面需求。将实际轨温与锁定轨温相当时候的常规合龙口拨弯焊接作为拉伸量为零的拉伸锁定焊接。根据线上焊和拉伸锁定焊的特点及需求，制定相对应的施工组织方案，高铁现场钢轨插入闪光焊接施工作业主要流程如图1所示。3.2焊轨机位移控制方法改进焊轨机为了满足不同锁定轨温差的拉伸需求，保证每个受拉力不同条件下的接头能够质量稳定，需要实现相同的顶锻量。采用恒位移的方式可满足长轨、拉伸状态的长轨（顶锻力加大）与短轨相同
14、的钢轨闪光烧化量和顶锻量，实现钢轨消耗量的精确控制。具体改进后控制方式是：闪光加热阶段，由原来的位移和时间双控改为采用位移控制的方式；顶锻阶段，顶锻前期（顶锻位移前 12 mm）采用快速（大流量）顶锻方式（伺服阀+换向阀控制），顶锻后期（顶锻位移12 mm 之后）采用慢速（小流量）顶锻方式（伺服阀控制）。4 现场试验 合龙口拉伸焊接施工组织方案制定选取拉伸长轨的长度为84.75 m，施工组织方案及施工过程中均按照84.75 m作为拉伸长轨长度布置和计算，施工示意见图2。4.1搭接量和位移观测量4.1.1拉伸量与搭接量的计算根据式（1）计算钢轨拉伸量L。根据公式（3）计算钢轨合龙口的搭接量D。D
15、=SL（3）式中：D 为钢轨搭接量，mm；S 为焊接时钢轨消耗量，根据焊接型式检验确定，mm。通过型式检验确定焊轨机焊接参数后，钢轨消耗量也随之确定。比如目前某移动闪光焊机现场焊接钢轨消耗量为 30 mm（采用位移精确控制闪光焊烧化量），其中顶锻量为 16 mm。按 84.75 m长轨拉伸，最大可拉伸锁定轨温差 16，平均每拉伸锁定轨温差1，拉伸量增加1.0 mm，换算结果见表1。4.1.2设置位移观测点拉伸锁定焊接前位移观测及焊后位移观测点设置离合龙口接头12 m和42.5 m处。2个位移观测点：12 m处应向焊接位置方向移动1个钢轨拉伸量距离图1高铁现场钢轨插入闪光焊接施工作业主要流程42
16、第 2 期李金华等：高速铁路现场钢轨插入闪光焊接技术研究（L）；42.5 m处应向焊接位置方向移动1/2个钢轨拉伸量距离（L/2）。测得实际位移观测量，计算作业误差。4.2现场试验情况2021年在某高铁伤损钢轨插入焊换轨施工中进行了合龙口拉伸线上闪光焊接技术现场运用试验。在每个作业点施工中，采用钢轨闪光焊接和感应热处理一体机先完成插入焊首端常规线上闪光焊接头，再完成尾端合龙口拉伸锁定焊接头。连续4个施工天窗的合龙口拉伸锁定焊接试验接头数据情况见表2。从现场试验效果和数据来看：（1）改进后的钢轨闪光焊接和感应热处理一体机顶锻力可实现不同锁定轨温差的拉伸需求，且完全能满足16 钢轨锁定轨温差拉伸需要，还有一定余量。（2）钢轨现场实际消耗量和顶锻量的误差会造成最终线路拉伸锁定轨温的误差，但是误差范围可控，可实现5%以内。（3）合龙口拉伸线上闪光焊接质量控制的一个关键因素是自由端长轨的拨弯和焊接过程中回弯效果，需要保证无阻挡，顺直可靠。5 结论（1）高速铁路钢轨现场插入闪光焊施工宜在实际轨温不高于锁定轨温下进行，首尾两端均采用闪光焊接。当实际轨温与锁定轨温相当时，采用常规的合龙口拨弯焊接；当实