序言：寫(xiě)作是分享個(gè)人見(jiàn)解和探索未知領(lǐng)域的橋梁，我們?yōu)槟x了1篇的高鐵現(xiàn)場(chǎng)鋼軌插入閃光焊接技術(shù)探究樣本，期待這些樣本能夠?yàn)槟峁┴S富的參考和啟發(fā)，請(qǐng)盡情閱讀。

隨著高速鐵路運(yùn)營(yíng)年限的不斷增加，鋼軌或焊接接頭在長(zhǎng)期服役過(guò)程中不可避免地產(chǎn)生服役傷損或偶發(fā)性外因致傷損，此時(shí)需要對(duì)病害鋼軌進(jìn)行更換作業(yè)。當(dāng)病害鋼軌較短時(shí)，不宜采用大規(guī)模換軌施工，如對(duì)鋼軌局部擦傷或焊接接頭重傷等傷損鋼軌進(jìn)行更換時(shí)，采用短軌插入焊技術(shù)是適宜的作業(yè)方式[1-3]。高鐵鋼軌插入焊技術(shù)主要有2種方式，即鋁熱焊和閃光焊。當(dāng)前鋁熱焊最為常用，按照高鐵修規(guī)要求，插入不短于20m的鋼軌，在兩端均采用鋁熱焊作業(yè)，其優(yōu)點(diǎn)是僅插入段鋼軌軌溫不易受控，其他方面對(duì)線路擾動(dòng)小。其缺點(diǎn)主要是增加了線路上鋁熱焊接頭數(shù)量，鋼軌重傷和斷裂的風(fēng)險(xiǎn)更高一些。該方式施工組織相對(duì)來(lái)說(shuō)較為簡(jiǎn)單，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較小。閃光焊近幾年開(kāi)始大范圍應(yīng)用于線上插入焊接，隨著閃光焊軌機(jī)或焊軌車的大范圍普及，高速鐵路新建和既有線區(qū)間無(wú)縫線路基本都采用閃光焊接[4-6]。插入軌首尾兩端均采用閃光焊接，第1個(gè)接頭采用常規(guī)的線上閃光焊接就可完成，施工難度主要在第2個(gè)接頭（合龍口處），由于閃光焊需拆卸較多鋼軌扣件，對(duì)線路擾動(dòng)相對(duì)大一些，原有施工一般在實(shí)際軌溫處于鎖定軌溫條件下進(jìn)行，并且應(yīng)兼顧對(duì)左右股軌溫差及同一單元軌溫差的控制。當(dāng)實(shí)際軌溫低于鎖定軌溫時(shí)須采用拉伸焊接的方式進(jìn)行，需要滿足插入焊合龍口接頭的焊接和鎖定軌溫恢復(fù)兩方面需求[3]。通過(guò)調(diào)研分析高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)插入閃光焊接需求及關(guān)鍵技術(shù)方案，制定了滿足高鐵既有線施工需要的焊接裝備、作業(yè)模式和施工組織技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，形成了高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)插入焊接成套方案，為我國(guó)高鐵后期軌道運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供了新的技術(shù)手段。

1現(xiàn)場(chǎng)插入閃光焊接關(guān)鍵技術(shù)

高速鐵路現(xiàn)場(chǎng)插入閃光焊接施工難度主要在第2個(gè)接頭（合龍口處），需要在保證焊接接頭質(zhì)量的前提下，解決合龍口焊接的同時(shí)恢復(fù)線路鎖定軌溫的難題。

1.1拉伸鎖定焊關(guān)鍵問(wèn)題及解決方案

（1）鋼軌縱向阻力。長(zhǎng)軌或拉伸長(zhǎng)軌在現(xiàn)場(chǎng)焊接過(guò)程中須克服額外的鋼軌縱向阻力（軌底摩擦力和拉伸力），對(duì)閃光焊接過(guò)程中的閃光、加熱、連續(xù)等階段的影響較大。非自由狀態(tài)的長(zhǎng)軌內(nèi)在縱向阻力會(huì)影響焊軌機(jī)實(shí)際有效頂鍛力值，從而影響閃光焊接過(guò)程中的送進(jìn)和后退速度，最終影響焊接過(guò)程，導(dǎo)致加熱過(guò)程不穩(wěn)定，對(duì)接頭質(zhì)量影響也較大，造成與自由狀態(tài)下鋼軌焊接的較大差異。本研究將閃光焊接過(guò)程分為2個(gè)大的階段：閃光加熱階段和頂鍛階段。控制方式改進(jìn)為：全過(guò)程采用恒位移控制方式。閃光加熱階段長(zhǎng)鋼軌處于低縱向阻力的自由狀態(tài)（采用鋼軌撥彎+支墊滾筒方式）；頂鍛階段實(shí)現(xiàn)頂鍛量精準(zhǔn)控制，焊接實(shí)際數(shù)據(jù)和短軌相當(dāng)，而要實(shí)現(xiàn)相同的頂鍛效果需要提高焊軌機(jī)額定頂鍛力以滿足拉伸狀態(tài)下的頂鍛能力。（2）鋼軌內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)接頭焊接完成進(jìn)行焊后熱處理作業(yè)時(shí)，長(zhǎng)鋼軌由于處于拉伸狀態(tài)（實(shí)際軌溫與鎖定軌溫的差距）而存在一定的內(nèi)應(yīng)力，鋼軌接頭熱處理過(guò)程中易出現(xiàn)變形或被拉細(xì)的情況，須采用保壓焊后熱處理。雖然近年來(lái)現(xiàn)場(chǎng)焊后熱處理裝備也逐步實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)加熱、全程保壓以及自動(dòng)化作業(yè)的方式[7]。但是鋼軌拉伸鎖定焊接一般都是在換軌合龍口或者應(yīng)急搶修中運(yùn)用，焊接只是換軌維修中的一項(xiàng)，維修天窗時(shí)間的限制是考驗(yàn)新技術(shù)、裝備和施工組織的關(guān)鍵。焊軌車和熱處理作業(yè)車配合作業(yè)1對(duì)接頭一般需要70~80min，2個(gè)車的編組及調(diào)車作業(yè)也帶來(lái)了現(xiàn)場(chǎng)施工組織的問(wèn)題。

1.2拉伸焊接技術(shù)及裝備

移動(dòng)式鋼軌閃光焊接和感應(yīng)熱處理一體機(jī)可采用一次鋼軌夾持實(shí)現(xiàn)鋼軌焊接和熱處理自動(dòng)化作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了鋼軌閃光焊接后直接原位保壓感應(yīng)熱處理作業(yè)[8-9]，方便了現(xiàn)場(chǎng)鋼軌焊接需求，尤其是工務(wù)大修換軌線上鎖定焊的作業(yè)。進(jìn)行拉伸鎖定焊接1對(duì)接頭只需要25～30min，將閃光焊接和感應(yīng)熱處理兩種作業(yè)一機(jī)化，減少相關(guān)裝備、作業(yè)時(shí)間、人員等投入，可顯著提高現(xiàn)場(chǎng)閃光焊軌生產(chǎn)效率。

2合龍口焊接主要技術(shù)方案

2.1閃光焊接鋼軌消耗量

閃光焊接接頭鋼軌消耗量（ΔS）由閃光燒化量（Ls）和頂鍛量（Ld）兩部分組成，現(xiàn)場(chǎng)閃光焊接頭消耗量一般在25～40mm。通過(guò)型式檢驗(yàn)確定鋼軌閃光焊機(jī)焊接參數(shù)后，鋼軌消耗量也隨之確定，但是由于焊接過(guò)程存在不穩(wěn)定性，鋼軌消耗量存在少量的波動(dòng)。比如某移動(dòng)閃光焊機(jī)現(xiàn)場(chǎng)焊接鋼軌消耗量在28～33mm之間波動(dòng)。鋼軌消耗量波動(dòng)的原因是目前焊接參數(shù)模式主要采用位移和時(shí)間雙控，閃光燒化的各個(gè)階段以時(shí)間作為節(jié)點(diǎn)控制，導(dǎo)致各階段的位移由于焊接工況（軌溫、氣溫、機(jī)械穩(wěn)定性、阻抗等）的影響產(chǎn)生較明顯的波動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)拉伸鎖定焊拉伸量的精確控制，需要保證在拉伸焊接過(guò)程中鋼軌消耗量的穩(wěn)定，焊軌機(jī)焊接參數(shù)模式改進(jìn)為恒位移控制，使每個(gè)接頭即便在焊接工況有一定差異的情況下仍可達(dá)到穩(wěn)定的鋼軌消耗量[10]。

2.2拉伸量與鎖定軌溫差

拉伸鎖定焊接的拉伸過(guò)程選在對(duì)焊接質(zhì)量影響較小的頂鍛階段，拉伸量最大值為頂鍛量（一般為15～16mm），鋼軌拉伸量（鎖定軌溫差ΔT）取決于待拉伸長(zhǎng)軌的長(zhǎng)度。以長(zhǎng)鋼軌自由拉伸為基準(zhǔn)計(jì)算拉伸量ΔL與鎖定軌溫差ΔT，計(jì)算公式如下：?L=?T×a×L（1）式中：ΔL為鋼軌拉伸量，mm；ΔT為鎖定軌溫差，?T=T1-T0，T1為鎖定軌溫，T0為實(shí)際軌溫，℃；α為鋼軌線膨脹系數(shù)，α=11.8×10-6/℃（常溫）；L為鋼軌在自由狀態(tài)下的長(zhǎng)度，mm。如果鋼軌最大拉伸量為16mm（頂鍛量為16mm），按100m長(zhǎng)軌拉伸，最大可拉伸鎖定軌溫差為14℃；按84.75m長(zhǎng)軌拉伸，最大可拉伸鎖定軌溫差為16℃。長(zhǎng)鋼軌可拉伸長(zhǎng)度ΔL的范圍選取，為了保證撥彎作業(yè)可靠且方便操作，一般來(lái)說(shuō)不少于80m（一般在40～60m區(qū)間撥彎，太近會(huì)影響待焊端鋼軌的順直對(duì)齊，太遠(yuǎn)摩擦力過(guò)大會(huì)影響撥彎回直的拉力）。但是選取長(zhǎng)軌長(zhǎng)度過(guò)大(如500m)，則可拉伸的溫度只有3～4℃，恢復(fù)線路鎖定軌溫的能力還是偏小，適應(yīng)不了大多線路實(shí)際作業(yè)需要。

2.3拉伸力與鎖定軌溫差

以長(zhǎng)鋼軌墊輥輪為基準(zhǔn)計(jì)算拉伸力F與鎖定軌溫差ΔT，計(jì)算公式如下：F=E×ΔL/L×A+f（2）式中：F為總的拉伸力，N；E為鋼軌彈性模量，E=210GPa；ΔL/L為鋼軌伸長(zhǎng)率；A為鋼軌橫斷面積，A=77.45cm2（60kg/m鋼軌）；f為摩擦力，f=μ×G，μ=0.15為鋼軌與輥輪的摩擦系數(shù)，G為長(zhǎng)鋼軌重力，N。如果以84.75m長(zhǎng)軌作為拉伸區(qū)間，拉伸鎖定軌溫差16℃需要的拉伸力為314.72kN。2.4增加額定頂鍛力為了滿足長(zhǎng)鋼軌拉伸鎖定需求，在滿足原有頂鍛力基礎(chǔ)上，還需滿足鋼軌拉伸力和摩擦力需要，因此需要提高頂鍛力。但是由于鎖定軌溫差（ΔT）隨著環(huán)境變化，所需要的拉伸力也隨之變化，而額定頂鍛力不變，因此實(shí)際作用在接頭的頂鍛力會(huì)隨著鎖定軌溫差（ΔT）不斷變化，實(shí)際頂鍛量和頂鍛效果也不斷地變化。因此需要根據(jù)每個(gè)接頭不同的拉伸力條件實(shí)現(xiàn)相同的頂鍛效果，同時(shí)保證相同的頂鍛效果也可以實(shí)現(xiàn)鋼軌拉伸量的精準(zhǔn)控制，保證線路鎖定軌溫的準(zhǔn)確可控。

3現(xiàn)場(chǎng)插入閃光焊施工組織及控制方法改進(jìn)

3.1插入焊作業(yè)流程

插入鋼軌首尾兩端均采用閃光焊接，第1個(gè)接頭采用常規(guī)的線上閃光焊接作業(yè)就可完成。施工難度主要在第2個(gè)接頭（合龍口處）。當(dāng)實(shí)際軌溫與鎖定軌溫相當(dāng)時(shí)，采用常規(guī)合龍口撥彎焊接；當(dāng)實(shí)際軌溫低于鎖定軌溫時(shí)可采用拉伸焊接的方式進(jìn)行，滿足合龍口接頭的焊接和鎖定軌溫恢復(fù)兩方面需求。將實(shí)際軌溫與鎖定軌溫相當(dāng)時(shí)候的常規(guī)合龍口撥彎焊接作為拉伸量為零的拉伸鎖定焊接。根據(jù)線上焊和拉伸鎖定焊的特點(diǎn)及需求，制定相對(duì)應(yīng)的施工組織方案，高鐵現(xiàn)場(chǎng)鋼軌插入閃光焊接施工作業(yè)主要流程如圖1所示。

3.2焊軌機(jī)位移控制方法改進(jìn)

焊軌機(jī)為了滿足不同鎖定軌溫差的拉伸需求，保證每個(gè)受拉力不同條件下的接頭能夠質(zhì)量穩(wěn)定，需要實(shí)現(xiàn)相同的頂鍛量。采用恒位移的方式可滿足長(zhǎng)軌、拉伸狀態(tài)的長(zhǎng)軌（頂鍛力加大）與短軌相同的鋼軌閃光燒化量和頂鍛量，實(shí)現(xiàn)鋼軌消耗量的精確控制。具體改進(jìn)后控制方式是：閃光加熱階段，由原來(lái)的位移和時(shí)間雙控改為采用位移控制的方式；頂鍛階段，頂鍛前期（頂鍛位移前12mm）采用快速（大流量）頂鍛方式（伺服閥+換向閥控制），頂鍛后期（頂鍛位移12mm之后）采用慢速（小流量）頂鍛方式（伺服閥控制）。

4現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

合龍口拉伸焊接施工組織方案制定選取拉伸長(zhǎng)軌的長(zhǎng)度為84.75m，施工組織方案及施工過(guò)程中均按照84.75m作為拉伸長(zhǎng)軌長(zhǎng)度布置和計(jì)算，施工示意見(jiàn)圖2。

4.1搭接量和位移觀測(cè)量

4.1.1拉伸量與搭接量的計(jì)算

根據(jù)式（1）計(jì)算鋼軌拉伸量ΔL。根據(jù)公式（3）計(jì)算鋼軌合龍口的搭接量ΔD。ΔD=ΔS?ΔL（3）式中：ΔD為鋼軌搭接量，mm；ΔS為焊接時(shí)鋼軌消耗量，根據(jù)焊接型式檢驗(yàn)確定，mm。通過(guò)型式檢驗(yàn)確定焊軌機(jī)焊接參數(shù)后，鋼軌消耗量也隨之確定。比如目前某移動(dòng)閃光焊機(jī)現(xiàn)場(chǎng)焊接鋼軌消耗量為30mm（采用位移精確控制閃光焊燒化量），其中頂鍛量為16mm。按84.75m長(zhǎng)軌拉伸，最大可拉伸鎖定軌溫差16℃，平均每拉伸鎖定軌溫差1℃，拉伸量增加1.0mm，換算結(jié)果見(jiàn)表1。

4.1.2設(shè)置位移觀測(cè)點(diǎn)

拉伸鎖定焊接前位移觀測(cè)及焊后位移觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置離合龍口接頭1～2m和42.5m處。2個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)：1～2m處應(yīng)向焊接位置方向移動(dòng)1個(gè)鋼軌拉伸量距離（ΔL）；42.5m處應(yīng)向焊接位置方向移動(dòng)1/2個(gè)鋼軌拉伸量距離（ΔL/2）。測(cè)得實(shí)際位移觀測(cè)量，計(jì)算作業(yè)誤差。

4.2現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

2021年在某高鐵傷損鋼軌插入焊換軌施工中進(jìn)行了合龍口拉伸線上閃光焊接技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用試驗(yàn)。在每個(gè)作業(yè)點(diǎn)施工中，采用鋼軌閃光焊接和感應(yīng)熱處理一體機(jī)先完成插入焊首端常規(guī)線上閃光焊接頭，再完成尾端合龍口拉伸鎖定焊接頭。連續(xù)4個(gè)施工天窗的合龍口拉伸鎖定焊接試驗(yàn)接頭數(shù)據(jù)情況見(jiàn)表2。從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)效果和數(shù)據(jù)來(lái)看：（1）改進(jìn)后的鋼軌閃光焊接和感應(yīng)熱處理一體機(jī)頂鍛力可實(shí)現(xiàn)不同鎖定軌溫差的拉伸需求，且完全能滿足16℃鋼軌鎖定軌溫差拉伸需要，還有一定余量。（2）鋼軌現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際消耗量和頂鍛量的誤差會(huì)造成最終線路拉伸鎖定軌溫的誤差，但是誤差范圍可控，可實(shí)現(xiàn)5%以內(nèi)。（3）合龍口拉伸線上閃光焊接質(zhì)量控制的一個(gè)關(guān)鍵因素是自由端長(zhǎng)軌的撥彎和焊接過(guò)程中回彎效果，需要保證無(wú)阻擋，順直可靠。

5結(jié)論

（1）高速鐵路鋼軌現(xiàn)場(chǎng)插入閃光焊施工宜在實(shí)際軌溫不高于鎖定軌溫下進(jìn)行，首尾兩端均采用閃光焊接。當(dāng)實(shí)際軌溫與鎖定軌溫相當(dāng)時(shí)，采用常規(guī)的合龍口撥彎焊接；當(dāng)實(shí)際軌溫低于鎖定軌溫時(shí)可采用拉伸焊接的方式進(jìn)行，可滿足合龍口接頭的焊接和鎖定軌溫恢復(fù)兩方面需求。（2）合龍口接頭拉伸鎖定焊接（實(shí)際軌溫小于鎖定軌溫）關(guān)鍵技術(shù)及措施：加熱階段長(zhǎng)鋼軌處于自由狀態(tài)；頂鍛階段采用恒位移方式實(shí)現(xiàn)拉伸狀態(tài)的長(zhǎng)軌與短軌相同的頂鍛量，鋼軌焊接實(shí)際數(shù)據(jù)和質(zhì)量與自由狀態(tài)相當(dāng)，鋼軌拉伸量精確可控。鋼軌閃光焊接和熱處理過(guò)程都須實(shí)現(xiàn)保壓作業(yè)，防止高溫接頭受鋼軌應(yīng)力出現(xiàn)拉細(xì)、拉傷的情況。（3）現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)根據(jù)實(shí)際軌溫情況計(jì)算鋼軌搭接量、位移觀測(cè)量等，按照插入焊成套施工組織進(jìn)行作業(yè)。（4）當(dāng)前的鋼軌閃光焊接和感應(yīng)熱處理一體機(jī)通過(guò)改進(jìn)頂鍛力及控制方式后可實(shí)現(xiàn)不同鎖定軌溫差的拉伸需求，滿足不高于16℃鋼軌鎖定軌溫差拉伸需要?，F(xiàn)場(chǎng)鋼軌實(shí)際消耗量和頂鍛量會(huì)造成最終線路拉伸鎖定軌溫的波動(dòng)，但是誤差范圍可控。插入焊合龍口拉伸線上閃光焊接質(zhì)量控制的關(guān)鍵因素是自由端長(zhǎng)軌的撥彎和焊接過(guò)程中的回彎效果。

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作者:李金華 李力 陳偉國(guó) 高振坤 吳丹 康志堅(jiān) 周燁 單位:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所 廣州鐵路軌道裝備有限公司 中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司