原位闪光焊技术在高铁伤损钢轨修复中的应用探讨.pdf

第 2 卷 第 3 期2 0 2 3 年 6 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.3June 2 0 2 3原位闪光焊技术在高铁伤损钢轨修复中的应用探讨陈伟国1，梁俊明2，何宏晖3，吴军3，吴丹2（1.广州铁路轨道装备有限公司，广州 510600；2.广州高速轨道技术有限公司，广州 510800；3.中国铁路广州局集团有限公司 调度所，广州 510062）摘要：为控制高铁正线钢轨焊接接头的数量，尤其是减少高铁正线铝热焊接头数量，保持高铁无缝线路的完整性，确保钢轨使用安全，提出了采用百米轨原位闪光焊方式更换伤损钢轨的新方法，对原位闪光焊工艺的可行性进行了初步的探讨和研究。经过在某高铁线路的实际应用，提出了一种可满足高铁钢轨卸、焊、换、收及工完料净要求的高铁百米定尺钢轨原位闪光焊一体化施工模式。关键词：高速铁路；百米定尺钢轨；原位闪光焊；锁定轨温中图分类号：U215 文献标志码：A doi：10.3969/j.issn.2097-0846.2023.03.006截至2022年底，我国铁路运营里程达到15.5万km，高铁运营里程4.2万km，其中中国铁路广州局集团有限公司（简称：广州局集团公司）高铁运营里程达到4 757 km。为满足大规模、快速、高质量建设世界一流高铁的需要，我国高铁线路采用百米定尺钢轨，铺设跨区间无缝线路。与25 m定尺钢轨相比，减少四分之三接头，在提高钢轨焊接生产效率的同时，满足高铁钢轨安全使用性能和运行品质。随着高铁线路运营时间的增加，钢轨伤损日益突出。钢轨伤损最终的修理办法是换轨，目前多采用插入25 m或更长钢轨后用铝热焊、移动闪光焊连接。以某高铁工务段为例，2019年，更换段管高铁线路划痕超标的钢轨达265处。其中，更换25 m 钢轨74根、50 m钢轨4根、100 m钢轨10根、150 m钢轨7根、200 m钢轨3根。插入的钢轨一端采用闪光焊连接，另一端采用铝热焊连接，总计增加98个现场闪光焊接头，98个铝热焊接头，严重破坏了百米定尺轨跨区间无缝线路的完整性，也增加了日常维修保养的工作量。这种情况在有高铁线路的铁路局大量存在且呈蔓延趋势。目前更换伤损钢轨一般采用插入2025 m钢轨，用铝热焊方式连接。这种方式导致高铁正线现场接头数量激增，百米定尺轨基本单元遭到破坏。广州局集团公司管内高铁线路增加的铝热焊接头目前已经超过2 000个，给高铁无缝线路管理带来难度。由于目前尚无高铁换轨大修标准，因此，结合广州局集团公司2019年高铁成段换轨实践，在确保高铁无缝线路完整性及百米定尺轨完好性的前提下，提出采用不插入短钢轨或插入百米钢轨的原位焊伤损钢轨修复方法，以减少高铁正线上因伤损换轨而增加的接头数量，逐步消除高铁正线区间铝热焊接头。1 钢轨原位闪光焊修复技术分析与探讨 原位焊修复是在钢轨垂直折断、水平裂纹很小(长度小于1个普通焊接接头)的情况下，经切除原伤损部位，拉伸钢轨达到设计锁定轨温后焊接，焊缝宽度小于29 mm的焊接工艺。钢轨原位闪光焊修复是采用工艺更稳定的闪光焊接方法将伤损钢轨进行修复的一种处理方法（简称：原位闪光焊）1。钢轨原位闪光焊可以分为插入钢轨和不插入钢轨2种修复方式，插入钢轨方式是将发生伤损或折断的百米（或其他定尺长度如25、50 m等)钢轨整体切除，采用新的百米钢轨（或其他定尺长度钢轨）在原焊接接头位置重新焊接并打磨平顺，这种方式不会额外增加焊接接头数量。不插入钢轨方式则是将个别伤损或折断钢轨（通常为数十毫米宽度）进行切除，采用宽焊缝铝热焊或拉伸钢轨后的闪光焊进行修复，即用焊接接头替换伤损位置钢轨，会增加1个焊接接头，但与插入短轨的修复方法相比，仍然文章编号：2097-0846（2023）03003505收稿日期：20230119；修回日期：20230207基金项目：中国国家铁路集团有限公司科研项目（N2019G053）第一作者：陈伟国（1968），男，高级工程师。E-mail：高速铁路新材料第 2 卷可以减少1个焊接接头。原位闪光焊修复最基本的要求是保持无缝线路锁定轨温在设计范围内。在低于实际锁定轨温时，将重伤或折断伤损钢轨锯切，用液压钢轨拉伸器张拉已经收缩的钢轨，或采用自带拉伸功能的移动式闪光焊机进行重焊，如中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所（简称：铁科院金化所）生产的焊接正火一体机或大型气压焊轨车。针对接头伤损采用不插入钢轨进行原位修复焊连；针对高铁成段的伤损钢轨在距原百米轨两端的焊缝中心线外侧2050 mm处插入百米及百米倍数的长钢轨，通过微调两侧钢轨应力，将锁定轨温控制在设计范围内。1.1高铁伤损钢轨焊接修理方式比较20182020年断轨分类统计（铁科院金化所提供数据）见表1。从表1看出，闪光焊接头折断率远低于铝热焊接头。目前广州局集团公司处理高铁伤损钢轨有3种方式：一是采用无损加固方式；二是插入25 m钢轨，用铝热焊焊连方式；三是采用高铁一体化百米轨原位闪光焊模式。2019年以来广州局集团公司开始采用一列T11长轨车组成的工程车，在1个天窗点内完成长钢轨的卸、焊、换、收，累计完成129 km高铁伤损钢轨的更换，做到了高铁施工“工完料净、人走场清”的要求，达到了伤损换轨不增加铝热焊接头的目标。3种伤损钢轨修理方式比较见表2。1.2原位闪光焊工艺研究美国在钢轨原位修复技术方面开展了多年研究与测试，已发展出轨头铝热焊补、气体自保护电弧堆焊焊补、宽焊缝铝热焊技术1。钢轨原位修复技术采用闪光焊，与铝热焊相比，原位闪光焊技术具有焊接成本低和接头质量高的双重优势，可以预见原位闪光焊将是高铁原位焊修复技术的发展方向。目前广州局集团公司针对原位闪光焊工艺进行了初步试验，试验采用闪光焊机进行焊接。焊接工艺按照 TB/T 1632.22014 要求执行2。在广州局集团公司红海焊轨基地利用固定闪光焊机进行原位闪光焊试验，结果见表3。采用 GAAS80/580 闪光焊机焊接试验接头完成表12018-2020年断轨分类统计单位：处年份201820192020钢轨母材554924道岔钢轨件293017厂焊17109移动闪光焊430移动气压焊861铝热焊587622注：2020年数据截至2020年8月28日。表23种伤损钢轨修理方式比较修理方式无损加固插入25 m钢轨一体化百米轨原位闪光焊焊接方式铝热焊闪光焊增加接头数量1个2个不增加额外接头探伤检查周期每季度探伤检查1遍，每3年拆检1遍每半年检测1遍每年检测1遍焊接成本分析10 000元/个8 400元/个3 600元/个优缺点存在夹板松动安全隐患，增加设备养护单位工作量增加铝热焊接头数量，增加设备养护单位工作量，换轨效率低采用原位闪光焊方法，不增加焊接接头，保证无缝线路完整性，占用施工天窗少，工完料净，换轨效率高；缺点是使用百米定尺钢轨，成本高注：一体化百米轨的原位闪光焊是线路发生伤损后，在原百米轨的接头部位进行锯切，插入定制的百米轨，采用闪光焊焊接。表3原位闪光焊试验结果序号12345轨种攀钢U71MnG攀钢U71MnG攀钢U71MnG攀钢U75V淬火轨攀钢U75V淬火轨曲线情况正常正常正常正常正常落锤情况5.2 m两锤不断，合格5.2 m两锤不断，合格5.2 m两锤不断，合格5.2 m两锤不断，合格5.2 m两锤不断，合格图2闪光焊原位焊（焊后）图1闪光焊原位焊（焊前）36第 3 期陈伟国等：原位闪光焊技术在高铁伤损钢轨修复中的应用探讨后，从焊缝中心线锯切，见图1，然后再次焊接，见图2。试验后对比第1次焊接和第2次原位焊接的曲线无大的差异，曲线均属于正常曲线，见图3、图4。连续5个原位焊试验接头落锤合格。第2次焊接接头落锤断口正常，无缺陷。5个原位焊试验接头均为5.2 m两锤不断，超过5.2 m一锤不断的标准要求，接头质量优良。部分落锤断口见图5。原位闪光焊焊接接头经二次焊接和二次正火，热影响区（即软化区）相对更宽，接头的轨顶硬度偏低，容易产生低塌而导致高铁钢轨的不平顺性问题3，可以通过改进正火喷风装置，提高接头轨面硬度。焊接标准TB/T 1632.22014规定，在焊轨基地钢轨二次焊接时，锯切位置距离焊缝中心不应小于50 mm。从曲线和落锤结果来看，焊缝中心线锯切后再次焊接，对接头质量无影响。焊轨基地采用闪光焊原位焊接工艺可以带来两方面好处：一是可以大量节约钢轨。因接头错边、焊接曲线异常、探伤超标和焊接未推瘤或者推瘤夹渣等原因导致的钢轨接头二次焊接，红海焊轨基地年度一次性合格率在95%以上。全路年度大修钢轨约6 000 km，维修轨 2 500 km，基建轨 11 000 km，约 3.12105个接头，其中不合格率按5%计算，约有1.56104个接头需要二次焊接。闪光焊原位焊工艺单侧锯切20 mm，1个接头节省钢轨 60 mm，年度共计节省钢轨 0.936 km。二是可以满足500 m长钢轨最低长度要求。钢轨接头图3首次焊接曲线图4原位焊接曲线图5接头落锤断口37高速铁路新材料第 2 卷二次焊接造成钢轨多次消耗，可能会导致500 m长钢轨长度达不到最小长度499.6 m的要求。采用原位闪光焊焊接工艺可以避免这种情况发生。2 钢轨原位闪光焊修复技术的现场应用 2.1高铁伤损钢轨原位闪光焊更换应遵循的原则高铁伤损钢轨原位闪光焊更换应遵循的原则主要有：（1）保持跨区间无缝线路的完整性及百米轨的完好性。（2）不增加线路接头数量，避免高铁区间正线产生铝热焊接头。（3）采用钢轨卸、焊、换、收一体化换轨作业模式。（4）针对长大坡道较多的高铁线路，制定不擦伤钢轨施工及行车办法。（5）从钢厂订制定尺长度为100.10 m的钢轨，满足现场插入焊需要。2.2更换百米定尺轨技术要点在原位闪光焊工艺研究的基础上，采用T11长轨车一体化换轨装备（含铁科院金化所设计的2台集装箱式闪光焊接/正火一体机）更换。装备设有卸轨和收轨通道。根据线路钢轨伤损情况按百米钢轨或百米钢轨整倍数装载钢轨。长轨车按照百米钢轨及其倍数长度编组。首先收旧钢轨，车上导轨与线路上的待收旧轨进行连接，拖拽旧钢轨（100 m为单元）进入长轨车轨排，使得线路承轨槽变成空白；其次卸新轨时推送长轨车上轨排中的新百米钢轨进入线路空白的承轨槽内。可以采取更换磨耗轨方式更换单股或双股钢轨。采用长轨车不动、利用长钢轨移动方式进行更换，相比长轨车低速卸轨、收轨方式，解决长大坡道车辆启停及低速走行难控制的问题,同时能有效防止工程车辆在长大坡道频繁启动、制动擦伤钢轨的现象。现场钢轨焊接时，起点线上焊采取垫设滚筒的方式进行。尾部锁定焊接前入槽的钢轨装入拨弯工装，然后解锁线路进行拉伸放散，待尾部龙口缝隙满足焊缝要求时停止。拉伸放散后在拨弯前20 m进行线路锁定，拆除拨弯工装，进行钢轨焊接。接头保压至轨温冷却到300，去除保压压力。焊接第2个接头时，需要拉伸放散，满足钢轨长度要求。长钢轨出厂长度要求不低于499.60 m，正常焊接长度约为499.80 m。线路施工前,既有线路上有伤损的旧钢轨相邻2个厂焊接头焊缝中心距一般不大于99.965 m。现场锯切焊瘤按20 mm计算，焊接1个接头钢轨消耗量按35 mm计算，忽略端磨钢轨消耗。下道旧钢轨理论长度=施工前焊缝中心距+锯切焊瘤宽度2+钢轨焊接消耗量=100.04 m。需要插入的新钢轨 理 想 长 度(100.04 m)=下 道 旧 钢 轨 实 际 长 度(100.005 m)+钢轨焊接消耗量(0.035 m)。通过拉伸放散 弥 补 0.04 m 的 缺 口，或 从 钢 厂 订 制 定 尺 长 度100.10 m钢轨，以满足插入轨长度要求。在确保线路锁定轨温在设计范围条件下，需要放散应力钢轨长度按式（1）换算。L=l(t1-t2)（1）式中：L为需要放散应力钢轨长度，mm；l为放散量，mm；为钢轨钢的线膨胀系数，0.011 8 mm/(m)；t1为预计放散后的锁定轨温，；t2为测量的钢轨轨温，。2.3施工组织模式2.3.1车辆编组工程车按照卸轨车和收轨车整列连挂，从前方站或者后方站运行到达作业地点，解钩分解成两列。一列负责收轨和尾部焊接，另一列负责卸轨和起点焊接。卸轨车编组为机车1辆+T11长轨车（装载百米钢轨）1辆+集装箱式闪光焊轨车（带卸轨槽）1辆。收轨车编组为集装箱式闪光焊轨车（带收轨槽）1辆+T11长轨车1辆+机车1辆。2.3.2工序流程工程车开行工程车分解成两列并运行至作业点两端作业准备（锯轨、解锁单股扣件、铺设滚筒）收旧钢轨卸新钢轨起点线上焊接解锁拉伸放散区段线路拉伸放散设置锁定区尾部龙口焊接接头打磨、风冷外形精整焊缝探伤接头外观验收工程车连挂恢复线路、异物巡查工程车返回。接头打磨、风冷、外形精整、焊缝探伤和外观验收可以与其他工序平行作业。焊接完毕，对接头进行喷风冷却，冷却至300 以下方准许过车。施工工序流程如图6所示。原位闪光焊一体化换轨技术是对既有换轨施工技术的颠覆和创新。新技术以T11为载体，通过改造设备，具有以卸代换、车载焊接2大核心技术，能实现施工现场的工完料净要求。原位闪光焊一体化换轨施工已在广州局集团公司段管线、工程线、既有线、既有准高速、既有高铁进行了共计47 km换轨试验，车载焊接超过1 000个钢轨接头，始终保持质量稳定。该项目2016年在中国铁路总公司立项，由广州局集团公司总负责，2018年率先集成原位闪光焊一体化换轨列车的雏形。2019年底中国国家铁路集团有限公司立项 高铁换轨一体化施工关键技术和成套设备研制，由广州局集团公司牵头负责实施。原位闪光焊技术的特点在于可以取代线路上的铝热焊接头，钢轨修复后不增加既有线路接头数量。采用高铁原位闪光焊一体化施工关键技术在于高铁插入百米或百米倍数的钢轨，既可确保百米轨完整性，又能保证钢轨更换前38第 3 期陈伟国等：原位闪光焊技术在高铁伤损钢轨修复中的应用探讨后接头数量不变，钢轨焊接全部采用闪光焊。高铁换轨一体化将成为一种修复高铁伤损钢轨的安全、高效的施工方法4-5。3 结论 探讨了高铁更换伤损钢轨的原位闪光焊修复技术，将钢轨及接头重伤处切除，采用原位闪光焊工艺，不插入钢轨或者插入百米定尺轨，以替代目前插入25 m钢轨的方式减少接头及铝热焊接头使用，保证无缝线路完整性，确保线路安全。原位闪光焊为高铁建设或运营后伤损钢轨维修提供了一种可操作性强、可行性高的技术路线和方案。参考文献：1 梁旭，周清跃，张银花，等.美国钢轨原位修复技术 J.中国铁路，2019（3）：100-108.2 国家铁路局.钢轨焊接 第2部分：闪光焊接：TB/T 1632.22014 S.北京：中国铁道出版社出版，2015.3 张琪，李力，宋宏图，等.无缝线路钢轨焊接技术发展现状及趋势 J.热加工工艺，2017，46（3）：10-12.4 江波.高速铁路跨区间超长无缝线路铺轨施工技术研究C/中国交通建设集团有限公司第一届科技大会论文集.2009：593-597.5 陈伟国，袁巍，张劭.换轨一体化施工模式的研究与应用C/2018年铁路线路大修学术研讨会优秀论文.出版者不详，2018：31-42.Discussion of In-situ Flash Butt Welding Technology Application in Repairing Damaged High-speed RailCHEN Weiguo1，LIANG Junming2，HE Honghui3，WU Jun3，WU Dan2（1.Guangzhou Railway Track Equipment Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510600，China；2.Guangzhou High-speed Rail Technology Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510800，China；3.Dispatching Office，China Railway Guangzhou Bureau Group Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510062，China）Abstract：In order to control the number of rail welded joints on the main line of high-speed railway,especially reduce the number of thermit welded joints,to maintain the integrity of continuous welded rail in high-speed railway,and ensure the safety of service,a new method of replacing damaged rail by 100-meter rail in-situ flash butt welding was proposed,and the feasibility of in-situ flash butt welding process was preliminarily discussed and studied.After practical application in a high-speed railway,an integrated construction mode for in-situ welding of 100-meter fixed-length rail in high-speed railway was proposed,which can meet the requirements of rail unloading,welding,replacement,recycling and cleaning after work.Keywords：high-speed railway;100-meter fixed-length rail;in-situ flash butt welding;fastening-down temperature of rail(责任编辑 王莹莹)图6施工工序流程图39