氣壓焊軌車(chē)在大列換枕后焊復(fù)施工工藝及組織研究

孟維剛 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)處

上海局從2002年引進(jìn)P95大修列車(chē)，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，具備了在營(yíng)業(yè)線換枕年進(jìn)度將近100km的生產(chǎn)能力。但大列換枕后破壞原有無(wú)縫線路軌道結(jié)構(gòu)，換枕切入口、切出口均需臨時(shí)切斷鋼軌，破壞無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)，且需在道床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定后，及時(shí)進(jìn)行應(yīng)力放散和焊復(fù)。原線上焊復(fù)采用鋁熱焊接。鋁熱焊焊縫屬于鑄造組織，雖然具有較高的硬度，但韌性低，鑄造組織中縮孔、疏松等缺陷檢出率低，近幾年我局發(fā)生的焊縫折斷均為鋁熱焊，缺陷也多為縮孔和疏松。同時(shí)，鋁熱焊施工作業(yè)過(guò)程中，人為因素、作業(yè)環(huán)境對(duì)焊縫質(zhì)量影響也較大。近幾年，隨著既有線提速，高鐵線路大規(guī)模開(kāi)通，對(duì)鋼軌焊接質(zhì)量的要求越來(lái)越高，2010年我局引入第一臺(tái)YHG-1200自行式閃光焊焊軌車(chē)，2015年總公司配屬我局3臺(tái)氣壓焊焊軌車(chē)，如今已在鋪設(shè)新軌無(wú)縫線路施工中大規(guī)模應(yīng)用，但是在大列換枕后的焊復(fù)施工中的應(yīng)用才剛剛起步。本文通過(guò)主要探討氣壓焊、鋁熱焊、閃光焊焊接方式在大列換枕后恢復(fù)無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)施工中應(yīng)用存在的優(yōu)缺點(diǎn)，著重介紹氣壓焊焊軌車(chē)在大列換枕恢復(fù)無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)施工的工藝及組織，有利于焊軌車(chē)運(yùn)用的推廣。

1 不同焊接方式的比較分析

目前,鐵路線上焊接主要有三種焊接方式：鋁熱焊、氣壓焊、閃光焊。

（1）鋁熱焊是目前應(yīng)力放散過(guò)程中使用的一種主要的焊接方法，操作簡(jiǎn)便，設(shè)備輕便，簡(jiǎn)單，作業(yè)時(shí)間相對(duì)較短，且可在道岔前后等復(fù)雜施工地段進(jìn)行焊接。鋁熱焊焊接不存在鋼軌消耗，不改變既有鋼軌的長(zhǎng)度。鋁熱焊焊接接頭的質(zhì)量主要取決于鋁熱焊劑的質(zhì)量以及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件及操作者工藝掌握熟練程度。鋁熱焊接頭為鑄造組織，焊縫強(qiáng)度一般能達(dá)到鋼軌母材強(qiáng)度的70%，外觀質(zhì)量相對(duì)于其他焊接方式焊接的焊縫較差，一次成功率在90%左右。

（2）氣壓焊是采用火焰加熱方式激活兩待焊端面原子相互滲透重新結(jié)晶，其工藝具有適應(yīng)性廣的優(yōu)點(diǎn)，氣壓焊接頭是鍛造組織，頂鍛量就是鋼軌消耗量。氣壓焊焊軌車(chē)屬于大型自動(dòng)焊接設(shè)備，具備焊接、快速冷卻、正火、軌頂面噴風(fēng)提高硬度一體化功能，焊接參數(shù)經(jīng)型式試驗(yàn)確定后，焊接過(guò)程不需要人工干預(yù)，軌頂面沒(méi)有軟化區(qū)，強(qiáng)度可以達(dá)到鋼軌母材的90%以上，焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

（3）閃光焊由于和設(shè)備性能穩(wěn)定性、作業(yè)環(huán)境中風(fēng)、雨等關(guān)聯(lián)性較大。閃光焊在電氣化鐵路線上聯(lián)焊時(shí)，必須保持左右股鋼軌之間不能導(dǎo)通，對(duì)工況要求較高，對(duì)施工效率也產(chǎn)生影響。閃光焊機(jī)焊接一個(gè)焊縫從待焊軌檢查處理開(kāi)始至具備通車(chē)條件一般在35 min，換枕后焊復(fù)時(shí)需在有限的封鎖時(shí)間內(nèi)連續(xù)焊接4個(gè)焊頭，線上焊接一般不采用。

通過(guò)對(duì)比，氣壓焊軌車(chē)具有快速、質(zhì)量穩(wěn)定、工況適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，尤其是在大列換枕龍口一個(gè)施工天窗連續(xù)焊接4個(gè)焊縫的情況下，優(yōu)勢(shì)更加明顯。因此，開(kāi)展氣壓焊軌車(chē)配合大列換枕施工線上插焊施工研究對(duì)于改善軌道結(jié)構(gòu)，減少鋁熱焊在線數(shù)量，降低焊縫折斷風(fēng)險(xiǎn)，充分發(fā)揮大型施工設(shè)備效能很有價(jià)值。

2 施工組織研究

2.1 施工工況分析

（1）大列換枕時(shí)，切開(kāi)鋼軌，換枕過(guò)程中，鋼軌發(fā)生串動(dòng)，在大列換枕當(dāng)日，利用再用短軌插入大列切入前龍口設(shè)置臨時(shí)緩沖區(qū)，開(kāi)通線路，并相應(yīng)設(shè)置限速，待第二日線路復(fù)搗結(jié)束，第三日應(yīng)力放散并插焊恢復(fù)原有無(wú)縫線路軌道結(jié)構(gòu)。具體施工示意圖見(jiàn)圖1。

從圖2可以看出，第一對(duì)焊縫的焊接有兩種方案，一是線下焊接，二是線上焊接。由于氣壓焊焊軌車(chē)焊機(jī)的構(gòu)造原因，焊軌車(chē)焊接時(shí)鋼軌下部需懸空10 cm左右，以便焊機(jī)夾持鋼軌。如果采取線下焊接，第一對(duì)焊縫焊接結(jié)束后，焊軌車(chē)需后退再將鋼軌墊高并順撬（一般長(zhǎng)度15 m左右），需增加耗時(shí)13 min-15 min；采取第二方案，可在焊軌車(chē)到達(dá)之前完成第一對(duì)焊縫后方15m至插焊軌全長(zhǎng)墊撬，焊接完第一對(duì)后等5 min或者增加噴風(fēng)100s即可進(jìn)行第二對(duì)焊縫焊接。由以上分析可知，氣壓焊軌車(chē)焊復(fù)采用線上焊接方式，有助于減少作業(yè)時(shí)間，提高施工效率。

圖1 施工平面布置圖

圖2 插焊地段布置圖

（2）焊軌車(chē)墊軌順撬裝置改進(jìn)。廠家配備的線上聯(lián)焊墊軌順撬裝置最高墊起高度為180 mm，依靠軌距拉桿控制兩根鋼軌之間距離，但實(shí)際上，兩根鋼軌已經(jīng)處于完全懸空狀態(tài)，軌枕螺桿與軌底間有10 cm左右的凈空，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，我們對(duì)焊軌車(chē)焊接作業(yè)時(shí)需要的最大凈空和最小墊起高度進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次不同型號(hào)軌枕測(cè)試，氣壓焊焊機(jī)最小焊接凈空應(yīng)不低于150 mm（軌枕面至鋼軌底），焊軌車(chē)輪緣處墊起高度應(yīng)不低于120 mm，并據(jù)此重新設(shè)計(jì)墊高塊，不但降低了墊起高度，同時(shí)減少了墊撬長(zhǎng)度，提高了作業(yè)效率。

（3）拉伸焊接。通過(guò)在高里基地氣壓焊焊軌車(chē)線上聯(lián)焊兼具拉伸試驗(yàn)，焊縫距鎖定端分別為100 m、200 m、300 m、400 m、500 m拉伸焊接試驗(yàn)總結(jié)出：只要焊接端至鎖定端間鋼軌軌底每8 m～10 m墊放應(yīng)力放散滾筒，應(yīng)力放散百米測(cè)點(diǎn)位移到位，同時(shí)，焊縫質(zhì)量經(jīng)落錘檢驗(yàn)均合格，說(shuō)明，在不少于100 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)，氣壓焊焊軌車(chē)具備焊接拉伸一體化功能，但要注意的是，氣壓焊焊軌車(chē)焊接前一般需要預(yù)留3 mm～5 mm的軌縫，以方便四氯化碳清洗和氧氣吹干，氣壓焊焊機(jī)的最大拉攏長(zhǎng)度為100 mm，同時(shí)，氣壓焊焊機(jī)焊接消耗鋼軌一般在30 mm～33 mm之間，因此，在施工現(xiàn)場(chǎng)計(jì)劃拉伸焊接時(shí)，應(yīng)根據(jù)鎖定軌溫高低來(lái)計(jì)算放散長(zhǎng)度。計(jì)算公式如下：

式中：l為放散長(zhǎng)度（m），l1為氣壓焊焊機(jī)最大拉攏長(zhǎng)度（m），l2為預(yù)留軌縫寬度（m），l3為焊接損耗（m），α為鋼軌的線膨脹系數(shù)，取11.8×10-6/℃，Δt為鎖定軌溫和實(shí)際作業(yè)軌溫差（℃）。

2.2 氣壓焊焊軌車(chē)施工作業(yè)效率分析

焊軌車(chē)參加施工過(guò)程分為加開(kāi)站至施工點(diǎn)往返開(kāi)行、設(shè)備調(diào)試、焊接作業(yè)、焊后保養(yǎng)等環(huán)節(jié)。

按照15 km長(zhǎng)區(qū)間中部焊接、自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備自運(yùn)行速度40 km/h測(cè)算，往返開(kāi)行需要23 min，加上進(jìn)入防護(hù)點(diǎn)前減速、打點(diǎn)等影響，一般不超過(guò)30 min。

氣壓焊焊軌車(chē)對(duì)軌一般在5 min以?xún)?nèi)，焊接5 min、焊后噴風(fēng)3 min20s、正火5 min、噴風(fēng)冷卻3 min20s，焊接一個(gè)頭需時(shí)21 min40s，焊縫噴風(fēng)冷卻后溫度一般在350℃左右，350℃繼續(xù)冷卻至300℃以下，一般需時(shí)5 min左右。

按照一個(gè)天窗插焊一處4個(gè)焊縫計(jì)算，焊軌車(chē)插焊最短需要：運(yùn)行30 min+焊接22×4 min+冷卻5 min=123 min。

2.3 應(yīng)力放散施工節(jié)點(diǎn)分析（按500 m長(zhǎng)度）

封鎖命令下達(dá)后作業(yè)人員進(jìn)行松卸扣件，內(nèi)燃螺絲機(jī)松卸扣件效率一般10根（單側(cè)）/min，軌枕配置1 667根/km,500 m長(zhǎng)線路配置6臺(tái)（每側(cè)3臺(tái)），全部卸完（恢復(fù)）需時(shí)30 min，在此時(shí)間內(nèi)同步進(jìn)行放散地段龍口鋸軌、插入、待焊軌軌端打磨精挫、墊軌等工作，焊軌車(chē)運(yùn)行至作業(yè)位置；焊接準(zhǔn)備工作到位后，焊軌車(chē)焊接對(duì)位夾軌焊接第一對(duì)焊縫,焊接結(jié)束計(jì)算拉伸量，鋸軌、撥彎、打磨精修需時(shí)15 min，焊軌車(chē)對(duì)位夾軌，焊接第二對(duì)焊縫。開(kāi)通前10 min電務(wù)調(diào)試。

通過(guò)整個(gè)施工節(jié)點(diǎn)測(cè)算，總耗時(shí)需要123+60+15+10=208 min，目前，大列換枕施工天窗時(shí)長(zhǎng)一般都在210 min，滿(mǎn)足氣壓焊焊軌車(chē)線上插焊作業(yè)時(shí)長(zhǎng)需求。

3 運(yùn)用及總結(jié)

從2016年9月京九線集中修開(kāi)始，上海大修段在京九線進(jìn)行氣壓焊焊軌車(chē)大列換枕地段線上插焊施工，累計(jì)焊接86頭，一次合格率100%，施工正點(diǎn)率100%，現(xiàn)場(chǎng)減少86個(gè)鋁熱焊焊縫，提升了軌道結(jié)構(gòu)質(zhì)量和鋼軌防斷能力。2018年4月在隴海線大列換枕過(guò)程中，首次實(shí)現(xiàn)氣壓焊軌車(chē)線上拉伸焊接。總之，氣壓焊軌車(chē)自應(yīng)用以來(lái)，不僅穩(wěn)步提高線路大修質(zhì)量，同時(shí)大大減輕了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力資源。使鐵路大修施工朝著規(guī)范化、機(jī)械化、標(biāo)準(zhǔn)化的目標(biāo)不斷邁進(jìn)。