闪光焊接处理无缝钢轨缺陷

薛偕康

（中铁第十一局工程局第三工程有限公司，湖北十堰，442000）

作为铁路轨道中的一个薄弱结构所在，钢轨接头对于线路设备、机车以及车辆的使用寿命等造成一定程度的不良影响，还会因此对铁路旅客的乘坐舒适度造成不必要的困扰，也会增加能源方面的消耗等。最为严重的情况是它将导致铁路机车运行过程中的安全隐患，对于旅客的生命财产安全造成较大的危害。因此，为了彻底解决钢轨接头的稳固性与平顺性问题，世界各国努力发展无缝线路，我国铁路部门也从上个世纪九十年代由有缝线路向无缝线路转变。应该来说，铁路轨道结构中标志着先进技术的无缝线路在世界范围内受到了热烈追捧，并被优先运用于高速与重载轨道结构当中。我国最初引入的钢轨焊接方法是气压焊接，后来是铝热焊接。随着焊接技术的不断发展与进步，这两者的弊端逐渐暴露出来，随后运用闪光焊接方法。目前为止，闪光焊接是最实用、焊接质量最好的一种方法。

一、无缝线路钢轨焊接方法

无缝线路是通过对长度标准的钢轨进行焊接而连成的长钢轨线路，它又被称之为焊接长钢轨线路，并因为长轨条没有轨缝而得名。无缝线路没有传统钢轨结构中的多个接头，从而使得机车的运行过程变得更为平稳，大大降低了机车车辆以及轨道维修成本，还延长了其使用寿命。因此，铁路现代化的建设目标就是要更好地运用无缝线路。然而，无缝线路要发挥自身的优势，必须从强度与稳定性方面得到切实的保障，这就需要通过一定的钢轨焊接技术来实现无缝线路的铺设。钢轨结构的焊接是无缝线路建设过程的重要环节，也是无缝线路铺设过程中的一大技术难题，它直接决定了焊接接头的质量，对铁路安全有着不容忽视的重要影响。钢轨的无缝焊接主要有接触焊、气压焊、铝热焊、电弧焊等几种方法。一般来说，在焊接工厂往往采用的是接触焊，将新钢轨焊连成更长的钢轨，并在铺设现场使用铝热焊、气压焊或电弧焊将长钢轨焊成一个闭塞分区，并对跨区间的无缝线路进行三次焊接。这几种钢轨焊接方法各有侧重点与焊接原理，具体分析如下。

（一）接触焊

这种焊接方法的基本原理就是利用电流所产生的电阻带来的热量来熔接焊件，并经过一定的顶锻来实现最后的焊接。这种焊接方法的优势在于其焊接速度较快，焊接的质量较为稳定牢固。然而，这种焊接方法的使用设备较为复杂，投资较大，电源功率也偏大，往往只在工厂内才会采用这种焊接方法。

（二）气压焊

这种方法的基本原理就是利用气体燃料燃烧而产生的热能来对钢轨轨端进行加热，并把它熔化到塑性状态，并施加一定的顶锻压力来把施焊的金属构件进行焊接端的焊连。这种焊接方法较为简便，其所需的资金也不够大，电源方面的功率要求也不是很高，焊接的整体时间较短，焊接质量不错。[1]一般来说，这种焊接方法更多地应用在现场焊接方面。但是，它也有自身的缺陷。比如说，焊接过程中对于钢轨接头的断面处理要求偏高，还需要钢轨有一定的纵向移动等。这就使得其对于那些超长的钢轨焊接存在一定的难度，无法进行跨区间的无缝线路焊接。

（三）铝热焊与电弧焊

前者的基本原理主要是将重金属氧化物和铝的混合物作为焊剂，然后给钢轨进行预热之后进行焊接。这种方法设备简单，操作简便，但是其焊接效果不是很好，必须强化现场的实验与检查工作。后者则主要运用于现场维修工作中，其焊接效果也不错。但在我国仍然处于摸索阶段，还不够成熟。

二、闪光焊接处理无缝钢轨中的缺陷

闪光焊接由于采用全程数控，一次施工合格率高达97%，施工稳定，施工质量高，在我国已逐渐取代铝热焊和气压焊成为最主要的钢轨焊接方法。[2]闪光焊的基本原理就是利用电流产生的电阻热量来焊接钢轨，并进行顶锻技术来最终实现有效焊接。在闪光焊的过程中，两个需要焊接的钢轨由于电流通过而产生较大的电热能，两个钢轨的接触之处被加热熔化，形成多个液体金属过梁，被熔化的金属通过钢轨接触缝隙形成闪光。进而，钢轨被再度加热，并通过连续闪光来使得钢轨断面的温度保持均衡稳定，让钢轨中的碳元素释放出来形成气体保护层，再通过顶锻的压力来让钢轨的焊接面形成相互挤压，在闪光的同时得以有效融合在一起，并把金属液体全部排出去。自此，两个钢轨实现最终的一体化。通过用与钢轨横截面外形轮廓相同的刀具沿钢轨表面纵向推进，切除焊接凸出量后正火打磨，待探伤合格后锁定。[3]

闪光焊虽然一次合格率高，但受客观的探伤施工及接头焊接打磨缺陷影响，有些缺陷严重影响到行车舒适度和行车稳定性。由于线路已锁定完毕，直接进行焊接将受到原有锁定温度和焊机自身顶锻力限制，必须使焊接完成后的线路的锁定温度与原锁定温度相等且焊机自身不产生额外顶锻力。因此我们采用插入短轨法来解决这个问题。首先必须使焊接后的钢轨锁定温度等于原有锁定温度。例如：原锁定温度20度，现在施工温度15℃，锯除缺陷接头后两接头12m，焊接单元长500m。其次解决额外顶端力。设烧失（顶锻）量 30 mm，那么插入短轨总焊接长度则为59.5 mm，锯下的短轨长度为12 000mm。根据钢轨弯曲特性，我们把钢轨从左股拨弯到接近右股的位置，弯曲长度20m的可以得到-26.5 mm弯曲伸长量，那么就剩余33 mm，这33 mm必须以温度应力的方式得到伸长。为了保证焊接过程不受外力影响，必须将这额外的6.18T（或者33 mm伸长量）放散到与待处理缺陷单元相连的已锁定单元1（500m）上，因此实际放散长度为待处理缺陷单元+已放散单元1=1000m。焊接时先焊接B点，再锯下相应长度短轨，因此烧失量仅计 1个 30 mm，已锁定单元 1总伸长量=59+30-26.5=62.5 mm。[4]所以，如果能够将已锁定单元1向A点方向拉伸62.5 mm，理论上就可以解决焊接后的放散温度差和焊接中的烧失量。

这个具体的方案实施步骤如下：① 准备一根12.5m的短轨。② 首先锯除问题接头B，将已锁定单元1用拉轨器连接在待处理缺陷单元上，重新解除已锁定单元1扣件，并将其架设在滑轮上，使其自由伸长。将已锁定单元1向待处理缺陷单元方向拉伸62.5 mm，锁定已锁定单元1。③ 锯除接头B点到A点间的钢轨，锯除长度12.003m。④ 焊接接头B，待正火打磨探伤全部合格。⑤ 锯除待焊钢轨，使待焊钢轨长度=AB+20 mm，将长出的钢轨搭在A点钢轨上。⑥ 解除待处理缺陷单元的扣件，并将其架设在滑轮上，使其自由伸长。⑦在距离A点10m处将CD间（20m长）的钢轨拨弯至相邻股，使其弯曲伸长，直至待焊短轨落下并使A点钢轨和待焊短轨预留有5 mm轨缝。⑧ 焊接接头A，正火打磨探伤全部合格。⑨ 重新放散已锁定单元1和待处理缺陷单元。⑩ 重新锁定已锁定单元1和待处理缺陷单元。

在闪光焊接无缝钢轨缺陷处理的过程中，应该注意以下几个方面的问题：① 因焊接施工过程中钢轨需架立在滑动设备上，现有的架立滑动设备有滚轮和滚棍两大类。其中滚轮下部自有钢支撑，滑轮转动为原位转动，上下摩擦力系数均为钢铁和钢铁的摩擦系数，滚棍的原理为使用钢棍放置在枕木上，上部为钢铁与钢铁的摩擦系数，下部为钢铁和混凝土的摩擦系数。为了尽可能地减少焊接过程中钢轨和架立滑动设备间的摩擦力，建议架立钢轨时选用滚轮，不选用滚棍。② 为了抵消焊接时的顶锻力（焊接烧失量）采用了钢轨拨弯法，因为钢轨弯曲拉直也产生额外的力，为保证焊接时的焊接质量，建议施工时采用人工辅助拨直。③ 因为焊接采用了钢轨拨弯法，虽然拨弯位置距离焊接接头超过20m，但依然会对焊接接头平直度产生少量影响，因此焊接完成后应注意检查焊接接头平直度，特别是正火施工。④ 因为本方法的主要对象为已完成锁定或通车的线路，新施工钢轨接头因未经过列车荷载，钢轨接头会产生后期下扰，建议钢轨精磨时多保留0.2mm的预拱度。

[1]李向国，岳渠德，况勇.秦沈客运专线区间有咋轨道工程施工技术[J].铁道标准设计，2001，21(5)：1-2.

[2]广钟岩.高惠安铁路无缝线路[M].北京：中国铁道建筑出版社，2001：132-133.

[3]唐新新.直流脉动钢轨闪光焊接系统[D].天津：天津大学材料学院，2006.124-125

[4]无缝线路铺设安全一般规定[EB/OL].建筑工程质量安全网，2013-03-16.