晉豫魯鐵路鋼軌焊接及應(yīng)力放散技術(shù)研究

劉順景

（中鐵十六局集團(tuán)鐵運(yùn)工程有限公司 河北高碑店 072251）

晉豫魯鐵路鋼軌焊接及應(yīng)力放散技術(shù)研究

劉順景

（中鐵十六局集團(tuán)鐵運(yùn)工程有限公司 河北高碑店 072251）

以晉豫魯鐵路土建18標(biāo)鋪架工程為研究背景，對(duì)鋼軌的氣壓焊接技術(shù)進(jìn)行全面而詳細(xì)的闡述，同時(shí)對(duì)鋼軌的應(yīng)力放散和鎖定技術(shù)進(jìn)行介紹，該標(biāo)段鋪架工程采用以上施工技術(shù)取得了很好的效果，施工的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)的要求，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

無(wú)縫線路 氣壓焊接 應(yīng)力放散

1 工程概況

新建晉豫魯鐵路土建18標(biāo)，新建線路起點(diǎn)（DK948+600）東距寧陽(yáng)東車(chē)站（DK950+400）1.8 km，東經(jīng)寧陽(yáng)東車(chē)站，本標(biāo)段終點(diǎn)（DK981+900）止于東距天寶站（DK982+900）1.0km處。正線鋪軌439.94公里，站線鋪軌32.209公里。

線路經(jīng)山東省，穿行于魯西沖洪積平原，表層大部分為耕植土，總體上地勢(shì)較平坦開(kāi)闊。線路途經(jīng)地區(qū)屬暖溫帶亞濕潤(rùn)區(qū)；四季分明，冬長(zhǎng)夏短；春季干燥多風(fēng)，夏季炎熱，雨量集中，秋季涼爽濕潤(rùn)，冬季寒冷干燥，雨雪偏少。鋪架工程施工中的軌縫控制、機(jī)械養(yǎng)路整道、應(yīng)力放散、焊接、鎖定等工作是保證無(wú)縫線路施工質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，是施工過(guò)程中的控制重點(diǎn)。

圖1 錫烏鐵路現(xiàn)場(chǎng)氣壓焊施工

2 氣壓焊焊接技術(shù)

2.1 焊接原理

氣壓焊可分為塑性氣壓焊和熔化氣壓焊，我們所采用的是塑性氣壓焊。它是把鋼軌的兩清潔端面緊密結(jié)合，并對(duì)貼合面用氣體火焰加熱，待貼合面及附近被加熱至塑性狀態(tài)，這部分金屬原子具有足夠的“活化能”，并穿過(guò)界面互相急劇擴(kuò)散時(shí)，即對(duì)貼合面加以頂鍛，以達(dá)到原子間的金屬鍵聯(lián)接，完成重新再結(jié)晶，而獲得焊接接頭的方法，現(xiàn)場(chǎng)氣壓焊施工如圖1所示。

2.2 焊接施工流程及施工工藝

2.2.1 氣壓焊施工流程如圖2所示。

圖2 氣壓焊施工流程圖

2.2.2 氣壓焊主要施工工藝

（1）施工準(zhǔn)備

檢查設(shè)備，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)組，檢查其運(yùn)行狀態(tài)及供電情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，一定要保證焊接過(guò)程的正常供電。檢查高壓電動(dòng)泵站油箱內(nèi)的液壓油，檢查氧、乙炔瓶的存氣量，不足焊一個(gè)接頭時(shí)，要及時(shí)更換。檢查并使所有氣路、水路、油路和電路等一律從線路鋼軌底部通過(guò)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

（2）軌端處理

首先要鋼軌調(diào)直，焊前必須對(duì)鋼軌的垂直面和側(cè)面工作面進(jìn)行調(diào)直,經(jīng)調(diào)直的鋼軌用1m直尺檢查其矢度不得超過(guò)±0.5mm，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)直檢查如圖3所示。

第二，端面打磨，用端面打磨機(jī)打磨鋼軌端面時(shí)應(yīng)注意端面打磨機(jī)的兩個(gè)定位面必須與鋼軌接觸密貼。使用端面打磨機(jī)應(yīng)做到輕拿輕放，以免破壞打磨機(jī)的精度。

第三，端面精銼，焊前精銼時(shí)，必須用四氯化碳或丙銅清洗銼刀。 銼削時(shí)不能帶手套操作，刃口面不準(zhǔn)翻面。要保證銼削時(shí)銼刀面與鋼軌端面平行，銼削時(shí)先銼中間后銼兩角，絕對(duì)不能銼虧兩軌底角，銼后端面用角尺檢查符合要求。

（3）點(diǎn)火焊接

首先，安裝加熱器,將加熱器兩側(cè)分別從壓接機(jī)導(dǎo)桿鋼軌之間側(cè)向掐入后，旋轉(zhuǎn)90°置于導(dǎo)桿之上，并將其按要求正確連接。調(diào)整壓接機(jī)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的掛鉤長(zhǎng)度，轉(zhuǎn)動(dòng)加熱器支承小車(chē)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸，使加熱器的火孔面與焊接端平行最大偏差處≤1.0 mm，同時(shí)搖動(dòng)加熱器2～3次，再檢查其火孔平面位置不變。調(diào)整加熱器支承塊小車(chē)構(gòu)件，使用權(quán)加熱器火孔端面與鋼軌外廓周邊的距離為25±1mm。

第二，預(yù)頂，高壓泵站加油門(mén)使預(yù)頂力達(dá)到18～20 MPa。

圖3 錫烏鐵路現(xiàn)場(chǎng)調(diào)直測(cè)量

第三，點(diǎn)火焊接，將加熱器距焊縫距離為50 mm外用火槍點(diǎn)火，禁止用手直接點(diǎn)火。點(diǎn)火時(shí)間應(yīng)在按要求供給氧氣、乙炔后，停3～4s點(diǎn)火，不能少于3s或時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以免發(fā)生事故。擺動(dòng)加熱器加熱，從0～3 min 30s至開(kāi)始頂鍛前，擺動(dòng)量為15～20 mm擺動(dòng)頻率為每分鐘60次左右。

第四，降壓并保壓，點(diǎn)火加熱至鋼軌產(chǎn)生塑性變形時(shí)，焊縫處及其附近產(chǎn)生微微凸起（高度為1～3 mm），將頂鍛壓力降低到8～10 Mpa并保壓。

第五，頂鍛，在保壓和繼續(xù)加熱的過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)軌底角上表面出現(xiàn)幾個(gè)面積約1.5～3 mm2的單個(gè)熔池，軌頭頂面出現(xiàn)有隨火焰而動(dòng)的“鏡面熔池”便開(kāi)始頂鍛。開(kāi)始頂鍛時(shí)擺動(dòng)量為30 mm左右，擺動(dòng)頻率為每分鐘80次左右。

（4）推凸

當(dāng)頂鍛完，加熱器熄火后，立即摘下加熱器上的掛鉤，將加熱器迅速推向壓機(jī)右側(cè)橫梁（搖火端）的極限位置。與此同時(shí)，泵站換向、松開(kāi)左側(cè)橫梁（活動(dòng)端）的軌頂螺栓后，泵站給油倒車(chē)，當(dāng)左橫梁松動(dòng)時(shí)，立即打松該端斜鐵繼續(xù)倒車(chē)，目測(cè)焊瘤與推刀墊間距能放下刀體時(shí)，停止推車(chē)，同時(shí)迅速放入前刀體，并推入腰刀裝上底刀,泵站換向給油開(kāi)始推凸，當(dāng)確認(rèn)焊瘤推離焊逢，泵站換向給油倒車(chē)使兩橫梁距離拉至最大允許值后，關(guān)閉泵站，卸下推凸裝置，推凸結(jié)束。

（5）焊縫正火

焊后需正火鋼軌接頭的溫度，起始溫度為500℃～400℃，終了溫度850℃～900℃。從0 min至2 min時(shí)其擺動(dòng)以焊縫為中心，總寬度40 mm每分鐘為50～60次，從2 min至3 min以焊縫為中心，在總寬度約為60～80 mm的范圍擺動(dòng)，每分鐘35～40次。待被正火處降溫至全黑后再撤掉墊軌的枕木墩以免焊接處變形。

（6）焊后打磨及探傷

利用仿形打磨機(jī)打磨焊接接頭的軌頂面各側(cè)面且不使鋼軌表面“發(fā)藍(lán)”，打磨時(shí)若溫度過(guò)高，要適當(dāng)暫停打磨，待溫度適宜時(shí)再進(jìn)行打磨。焊縫打磨時(shí)應(yīng)用一米直尺檢測(cè)，若焊縫變形彎曲，應(yīng)先用彎軌機(jī)矯直焊縫。

探傷要待焊縫自然冷卻到50℃以下才能進(jìn)行。焊縫內(nèi)部任何部位發(fā)現(xiàn)有未焊透、裂紋、氣孔夾渣等缺陷時(shí)，該焊頭必須報(bào)廢重焊。

3 應(yīng)力放散及鎖定技術(shù)

3.1 應(yīng)力放散的原因

由于鋪設(shè)長(zhǎng)鋼軌時(shí)的軌溫與單元軌設(shè)計(jì)鎖定軌溫并不一致，另外在補(bǔ)碴整道、動(dòng)力穩(wěn)定、焊軌等作業(yè)時(shí)，造成鋼軌溫度的變化，內(nèi)部產(chǎn)生溫度拉或壓應(yīng)力。因此，為了防止無(wú)縫線路的長(zhǎng)軌條因氣溫變化和車(chē)輛運(yùn)行等引起的折斷或脹軌跑道，必須對(duì)長(zhǎng)軌條進(jìn)行應(yīng)力放散處理，并進(jìn)行強(qiáng)有力的鎖定，以確保線路的高穩(wěn)定性。

3.2 應(yīng)力放散原理

采用低溫下拉伸放散為主，并輔助自然溫度放散，其原理是：在放散段自然溫度的條件下，軌下墊滾筒，松開(kāi)全部扣件使其失效，使鋼軌能自由伸長(zhǎng)或縮短，并使用一定的外力，讓放散軌節(jié)處于零應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)鎖定軌溫和實(shí)際軌溫（低于或等于設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍）計(jì)算出零應(yīng)力狀態(tài)下放散鋼軌的拉伸量，用拉軌器拉出該伸長(zhǎng)量后即鎖定鋼軌。

3.3 應(yīng)力放散施工工藝

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，了解近期軌溫的變化情況，決定應(yīng)力放散與線路鎖定的作業(yè)時(shí)間。

（2）位移觀測(cè)樁必須在單元軌節(jié)應(yīng)力放散前預(yù)先設(shè)置完畢。單元軌節(jié)起終點(diǎn)的位移觀測(cè)樁盡量與單元軌節(jié)焊接接頭對(duì)應(yīng)。道岔區(qū)的位移觀測(cè)樁必須按要求位置設(shè)置準(zhǔn)確，成對(duì)的位移觀測(cè)樁連線應(yīng)垂直于線路。

（3）由于長(zhǎng)軌鋪設(shè)時(shí)軌溫與正在進(jìn)行的作業(yè)軌溫不一致，彈條卸除、鋼軌頂起后，鋼軌的束縛解除，鋼軌將產(chǎn)生位移，但由于鋼軌內(nèi)部應(yīng)力及滾輪摩擦阻力等影響，此時(shí)鋼軌內(nèi)部應(yīng)力不為零，記錄鋼軌臨時(shí)位移，作為以后施工放散的依據(jù)。

（4）記錄鋼軌應(yīng)力放散為零時(shí)的軌溫，若此時(shí)軌溫正好符合設(shè)計(jì)鎖定軌溫，則鎖定鋼軌。若此時(shí)軌溫低于設(shè)計(jì)鎖定軌溫，記錄軌溫，按下列公式計(jì)算拉伸量進(jìn)行拉軌，拉軌時(shí)，應(yīng)用撞軌器進(jìn)行撞軌，使應(yīng)力放散均勻。并現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量鋼軌的實(shí)際拉伸量，與計(jì)算拉伸量比較，若與計(jì)算拉伸量相符合，則鎖定鋼軌，若與計(jì)算拉伸量不符合，則要查找原因并采取相關(guān)措施，如應(yīng)力放散不均勻滾輪卡死鋼軌等因素。

σl=α×L×(T鎖-t)

σl：各臨時(shí)位移觀測(cè)點(diǎn)的鋼軌計(jì)算拉伸量；

α：鋼軌的線膨脹系數(shù)：取0.0000118m/℃；

T鎖：施工控制鎖定軌溫；

t：拉伸鋼軌時(shí)鋼軌的平均軌溫；

L：各位移觀測(cè)點(diǎn)至上次放散單元軌伸縮區(qū)起點(diǎn)的距離；

（5）軌溫合適或鋼軌拉伸到位時(shí)，依次去除支墊在鋼軌下的滾輪，將鋼軌落到軌枕上，上好扣件，緊固鋼軌，在拉軌器前后各50 m范圍內(nèi)的鋼軌鎖定完成后，方可松掉拉軌器的液壓油門(mén)，拆除拉軌器。

（6）對(duì)本次放散單元軌與上一次放散單元軌的接頭采用撥S彎的方式進(jìn)行移動(dòng)氣壓鎖定焊接。

（7）線路鎖定后，應(yīng)在埋設(shè)有鋼軌永久位移觀測(cè)樁位置的垂直線上鋼軌軌頭外側(cè)面標(biāo)記鋼軌位移零點(diǎn)。并定期對(duì)鋼軌的位移進(jìn)行觀測(cè)，放散之后第一個(gè)月內(nèi)每一星期觀測(cè)一次，以后每一個(gè)月觀測(cè)一次。位移觀測(cè)樁處換算200 m范圍內(nèi)的相對(duì)位移量不得大于10 mm，任何一個(gè)位移觀測(cè)樁處位移量不得超過(guò)20 mm，發(fā)現(xiàn)位移量超標(biāo)者，應(yīng)迅速查找原因，并對(duì)該單元軌重新進(jìn)行應(yīng)力放散及鎖定。

4 質(zhì)量控制

（1）鎖定軌溫

單元軌節(jié)實(shí)際鎖定軌溫要在設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍內(nèi)，左右股單元軌節(jié)鎖定軌溫之差不大于3℃，前后單元軌節(jié)鎖定軌溫之差不大于5℃，同段無(wú)縫線路各單元軌節(jié)實(shí)際最高與最低鎖定軌溫相差不超過(guò)10℃。

（2）無(wú)縫線路位移檢測(cè)

在無(wú)縫線路試運(yùn)營(yíng)前，應(yīng)對(duì)無(wú)縫線路中單元軌的位移進(jìn)行定期觀測(cè)分析，這也是衡量應(yīng)力放散是否均勻、無(wú)縫線路鋪設(shè)成功與否的重要指標(biāo)。必須滿足任何一個(gè)位移觀測(cè)樁位移量不得超過(guò)20 mm、位移觀測(cè)樁處換算200m范圍內(nèi)的相對(duì)位移量均不大于10 mm的技術(shù)要求。

（3）其他質(zhì)量控制措施

鋼軌應(yīng)力放散與線路鎖定前，一定按照規(guī)范和設(shè)計(jì)文件要求，對(duì)道床橫向阻力、枕下道床剛度、軌道幾何尺寸等項(xiàng)目進(jìn)行檢測(cè)，確認(rèn)線路達(dá)到初期穩(wěn)定狀態(tài)后方可進(jìn)行鎖定施工。

鋼軌扣件卸除頂起在滾筒上，滾筒放置的位置要基本一致，頂起的鋼軌在平面、縱面內(nèi)均要基本平順，不可高高低低、左右彎曲等。鋼軌內(nèi)部應(yīng)力為零，鎖定落軌上扣件鎖定要迅速，時(shí)間控制在15min以內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

新建晉豫魯鐵路土建18標(biāo)正線鋪軌439.94公里，站線鋪軌32.209公里，采用上述的氣壓焊接施工技術(shù)和應(yīng)力放散與鎖定技術(shù)進(jìn)行施工，取得了比較好的效果。克服了由于自然環(huán)境惡劣，晝夜溫差大、天氣變化無(wú)常等等施工困難，施工技術(shù)成熟可行，在施工中進(jìn)一步取得寶貴經(jīng)驗(yàn)，可為類(lèi)似的鋪架工程焊接施工和應(yīng)力放散與鎖定施工提供借鑒。

[1]劉雄義.鋼軌氣壓焊焊后正火處理工藝的探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2006(05)

[2]于國(guó)英.鋼軌焊后熱處理工藝及設(shè)備的研制[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2000(12)

[3]田承禎,程永威.無(wú)縫線路應(yīng)力放散和調(diào)整方法[J].鐵道建筑,1999(09)

[4]崔學(xué)峰,陳玲玲.無(wú)縫線路應(yīng)力放散作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2003(02)

On Rail Welding and Distressing Technology of the Shanxi-Henan-Shangdong Railway

LIU Shun-jing
（China Railway 16th Bureau Group Railway Transportation Engineering Co.,Ltd Gaobeidian Hebei 072251 China）

With No. 18 standard framing engineering in the Shanxi-Henan-Shangdong Railway as the research background, the technology of rail gas pressure welding is comprehensively illustrated in details, meanwhile the stress dispersion and locking rail technology are introduced. the section of construction achieved good results with the above-mentioned technology, and all the indicators meet the design specifications and requirements. It achieved a certain amount of economic benefit.

seamless tracks pressure welding stress dispersion

A

1673-1816(2016)04-0057-05

2016-04-17

劉順景（1978-），男，學(xué)士，河北順平人，工程師，研究方向施工技術(shù)與施工管理。