無縫線路移動閃光焊焊接接頭質(zhì)量控制探討

呂保華

摘要：為提高鋼軌現(xiàn)場焊接施工質(zhì)量，確保鐵路軌道后期運(yùn)營的安全性及平順性，避免焊接接頭成為整個無縫線路的安全隱患，移動閃光焊焊接接頭質(zhì)量控制就成為無縫線路施工現(xiàn)場控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本文詳細(xì)介紹了現(xiàn)場鋼軌焊接接頭的外觀幾何尺寸及內(nèi)在組織結(jié)構(gòu)的質(zhì)量控制措施。

關(guān)鍵詞：鋼軌焊接接頭 施工工藝 對軌 預(yù)拱度 正火 打磨 接頭精整

現(xiàn)場鋼軌接頭焊接施工過程繁雜、工序多、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)高、協(xié)調(diào)難度大，焊軌施工是一個由焊機(jī)調(diào)試、現(xiàn)場型式試驗(yàn)、拆除扣件、墊放滾筒、鋼軌除銹、對軌、焊接、粗磨、正火、矯直、接頭精整、探傷、線路恢復(fù)等十多個工序相互結(jié)合的一個綜合施工過程，為保證焊接接頭的施工質(zhì)量，施工前需做好相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。

1 施工準(zhǔn)備

1.1 組織管理

現(xiàn)場組織機(jī)構(gòu)應(yīng)包括施工技術(shù)、質(zhì)量、進(jìn)度、人員、設(shè)備、物料、后勤、試驗(yàn)（可快速反應(yīng)質(zhì)量變化）管理組，并設(shè)置總技術(shù)負(fù)責(zé)人和協(xié)調(diào)人，及時(shí)對現(xiàn)場進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)和監(jiān)督，高效處理現(xiàn)場各項(xiàng)質(zhì)量問題，對提高施工質(zhì)量的措施及方法能夠有效布置實(shí)施，對可能造成施工質(zhì)量隱患或進(jìn)度不利因素能快速處理。

1.2 施工人員

使用施工設(shè)備，依照施工方法，執(zhí)行施工工藝，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量控制都把握在一線施工人員手中。對鋼軌焊接質(zhì)量控制影響大的鋼軌焊接、接頭正火處理、接頭精整、鋼軌探傷的施工人員應(yīng)重點(diǎn)培訓(xùn)；由于現(xiàn)場使用的設(shè)備及小型機(jī)具、檢查工具多，對設(shè)備操作人員盡量選擇有經(jīng)驗(yàn)的、責(zé)任心強(qiáng)的人員培訓(xùn)，施工前對特殊工況進(jìn)行相應(yīng)學(xué)習(xí)，如坡道、彎道、合攏焊接等，提前積累處理經(jīng)驗(yàn)。

1.3 施工設(shè)備

施工前對設(shè)備的數(shù)量、型號和性能應(yīng)結(jié)合施工效率進(jìn)行綜合分析，對制約生產(chǎn)效率的設(shè)備應(yīng)準(zhǔn)備備用件，現(xiàn)場施工主要設(shè)備及工機(jī)具如下：移動焊軌機(jī)、N17平板車、重型軌道車、正火設(shè)備、軌溫計(jì)、仿行打磨機(jī)、鋸軌機(jī)、探傷儀、鋼軌平直度檢測設(shè)備、螺栓緊固機(jī)等。為確保鋼軌焊接接頭質(zhì)量，施工過程中應(yīng)對自檢儀器進(jìn)行校準(zhǔn)或檢定。

現(xiàn)場焊軌施工根據(jù)不同的焊軌方向，焊軌車組提前在站內(nèi)編組完畢后，利用長軌運(yùn)輸車推進(jìn)后的空閑時(shí)間隨之推進(jìn)焊軌車組，進(jìn)入計(jì)劃施工地點(diǎn)進(jìn)行焊軌施工，長軌運(yùn)輸車從前方返回之時(shí)，焊軌車組要提前退出區(qū)間。

2 工藝流程

鋼軌接頭焊前檢查與處理：鋼軌接頭焊前檢查與處理包括鋼軌扣件拆除、墊放滾筒、軌端及電極接觸部位除銹、機(jī)車對位、對軌與夾持、設(shè)備檢查等內(nèi)容?，F(xiàn)場施工時(shí)通過上述準(zhǔn)備工作后經(jīng)檢查達(dá)到焊接條件即可進(jìn)行焊接。

鋼軌焊接：鋼軌焊接包括焊軌作業(yè)車對位，夾軌對中，通電焊接。

焊后處理：接頭焊接后要檢查接頭外觀質(zhì)量、推凸質(zhì)量、接頭粗打磨、接頭熱處理、焊后冷調(diào)直、焊縫精磨、焊縫平直度檢查、接頭無損探傷、恢復(fù)線路。

移動閃光焊接頭外在質(zhì)量控制：線上鋼軌移動閃光焊過程中，為保證最終線路的平順性，需嚴(yán)格控制接頭的外在質(zhì)量，特別是平直度。由于現(xiàn)場移動閃光焊是一個由鋪軌、拆除扣件、墊放滾筒、除銹、對軌、焊接、粗磨、正火、矯直、接頭精整、探傷、整修、恢復(fù)線路等十多個工序相互結(jié)合組成的一個綜合施工過程，因此對移動閃光焊焊頭的外在質(zhì)量控制應(yīng)貫穿始終。其中對焊接接頭平直度有直接影響的工序主要有：對軌、焊接、正火、矯直及接頭精整。

3 焊接接頭質(zhì)量控制要點(diǎn)及具體措施

為進(jìn)一步保證京滬高速鐵路鋼軌焊接接頭的質(zhì)量，結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際施工情況，提出以下現(xiàn)場焊軌控制要點(diǎn)及具體實(shí)施。

3.1 對軌工序

現(xiàn)場施工時(shí)，線路條件如曲線段、直線段、坡道等會對鋼軌的平順性有一定的影響。當(dāng)進(jìn)行焊接時(shí)，由于移動式閃光焊機(jī)夾持采用軌腰夾持的方式，通過鉗口表面與軌腰表面的接觸進(jìn)行夾緊，由于兩表面均為圓弧面，因此僅僅靠夾持無法達(dá)到足夠的對中精度，特別是在非直線段上，這點(diǎn)情況尤為突出。因此在焊接前，應(yīng)將鋼軌初對中，將兩待焊鋼軌頂面和工作邊平行對位，基本平齊，預(yù)留好合理的預(yù)拱度，采用斜鐵等方式消除由于彎道超高及鋼軌扭曲引起的不對中情況后，才能進(jìn)入夾持工序。初對中是保證接頭外觀質(zhì)量中最容易被忽視的環(huán)節(jié)。

3.2 預(yù)拱度控制

焊接接頭預(yù)拱度控制是控制高低接頭的關(guān)鍵工序，施工時(shí)先拆除扣件并墊放好滾筒，在各項(xiàng)檢查完成后，進(jìn)行鋼軌焊接對位，焊接對位直接控制鋼軌的焊接施工質(zhì)量。鋼軌預(yù)供度調(diào)整，焊前鋼軌供度控制在2.9mm/m～3.1mm/m，待焊鋼軌分固定端和活動端。固定端調(diào)整：設(shè)3個固定支點(diǎn)，支點(diǎn)位置距軌端第二個承軌槽、第五個承軌槽、第8個承軌槽的調(diào)整高度依次為3cm、1cm、2cm，固定端鋼軌在焊接機(jī)組下壓后會上翹；活動端調(diào)整：設(shè)2個固定支點(diǎn)，第一個支點(diǎn)距軌端第3～5個承軌槽，第二個支點(diǎn)距軌端18～21個承軌槽的調(diào)整高度分別為4cm、9cm，由于第一支點(diǎn)和第二支點(diǎn)之間的間距較大，鋼軌在重力作用下軌端會上翹（以上數(shù)據(jù)為現(xiàn)場焊接經(jīng)驗(yàn)值），現(xiàn)場通過調(diào)整移動活動端支點(diǎn)將鋼軌供度調(diào)整好，具體見下圖。

鋼軌供度調(diào)整好后進(jìn)行焊機(jī)對位，車輪距軌端第一輪對提前標(biāo)上記號，以每小時(shí)3-5公里的速度推進(jìn)移動焊軌機(jī)初定位，載有移動焊機(jī)的軌道車第一個輪對距焊接位置3m左右，對位完成后應(yīng)迅速裝好止輪器，保證車輛不會發(fā)生溜車現(xiàn)象。對位之后應(yīng)放下液壓支腿，頂升起焊軌作業(yè)車。在焊接接頭對軌過程中，必須以軌頂面和工作面為基準(zhǔn)，軌頂面和工作面錯位偏差不應(yīng)大于0.2mm，軌底邊緣錯位偏差不應(yīng)大于1mm。焊機(jī)電極表面應(yīng)平整、光潔，無油、水、鐵渣等污染物，左右股軌節(jié)接頭相錯量不能超過100mm。曲線上鋼軌焊接，由于高速鐵路、客運(yùn)專線曲線半徑較大，現(xiàn)場撥道調(diào)整量不大，為確保鋼軌在焊接過程中橫向相差量滿足要求，在待焊鋼軌下放好滾筒后，將鋼軌向曲線內(nèi)側(cè)撥動，在接頭20米范圍撥成直線，現(xiàn)場通過拉懸線檢查。

3.3 夾持焊接工序

對移動式閃光焊焊接接頭來講，夾持對中主要通過焊機(jī)進(jìn)行，通過對中時(shí)設(shè)備的機(jī)械精度輔助人工干預(yù)，可以較好的實(shí)現(xiàn)對中。由于任何兩根待焊鋼軌的平直度都不可能完全一樣，線路情況的影響也不相同，焊軌設(shè)備本身的機(jī)械對中結(jié)構(gòu)也有一定的偏差，因此焊后大部分接頭存在著一定的接頭錯邊。夾持焊接工序在保證接頭外觀平直度質(zhì)量方面主要起兩方面的作用，一是以軌頂面及工作邊為基準(zhǔn)，兼顧其他部位進(jìn)行對中，確保接頭錯邊處于合理范圍內(nèi)，控制好焊接接頭的錯邊量，也可以改善焊接接頭的平直度；二是控制焊接預(yù)拱度，以控制焊后平直度，為接頭正火打下良好的平直度基礎(chǔ)。

3.4 正火矯直工序

焊后正火熱處理同樣是一個熱過程，依然不可避免的會使得焊接接頭產(chǎn)生平直度變化。正火過程無法像焊接過程一樣通過夾持機(jī)構(gòu)的夾持結(jié)合撤出夾持時(shí)間的控制來保證高溫接頭的平直度，正火時(shí)只能夠通過控制拆除扣件距離、墊物高度和位置等輔助手段來使得正火工序?qū)ζ街倍鹊挠绊懽钚』?。根?jù)現(xiàn)場實(shí)際軌溫情況，由于正火后接頭預(yù)供度會下降，高溫時(shí)控制鋼軌供度為3.1mm/m，在接頭兩側(cè)第二、四、六軌枕位置安裝鎖軌裝置，鎖軌裝置滿足能定在道床板上，在接頭加熱將鋼軌預(yù)供度調(diào)整好，將鎖軌裝置安裝好，并在接頭兩側(cè)將30m范圍內(nèi)的扣件按鎖定要求全部擰緊方可進(jìn)行鋼軌接頭熱處理（由于鋼軌軌溫變化內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力會造成接頭上供或拉細(xì)）。接頭橫向調(diào)整采用彎軌機(jī)，高鐵、客運(yùn)專線要求高，施工選用彎軌機(jī)作業(yè)應(yīng)在軌腰位置，彎軌是將反向位置1米范圍內(nèi)的全部軌距擋塊拆除，同時(shí)彎軌保壓時(shí)間控制在10秒以上，防止鋼軌回彈。

3.5 接頭精整工序

移動閃光焊接頭精整使用仿型打磨機(jī)對焊接接頭的軌頂面及軌頭側(cè)面工作邊進(jìn)行外形精整，恢復(fù)軌頭輪廓形狀。外形精整是控制接頭平直度的最重要手段之一。外形精整的基本作業(yè)采用多次測量、多次打磨方式。為保證接頭精整質(zhì)量，作業(yè)前，焊接接頭及兩端 1m 范圍內(nèi)溫度應(yīng)在50℃以下，精磨的長度不應(yīng)超過焊縫中心線兩側(cè)各450mm 范圍。使用仿形打磨機(jī)對焊接接頭的軌頂面及軌頭側(cè)面工作邊進(jìn)行外形精整，外形精整應(yīng)保持軌頭輪廓形狀，不應(yīng)使焊頭或鋼軌產(chǎn)生任何機(jī)械損傷或熱損傷，不應(yīng)使用外形精整的方法糾正超標(biāo)的平直度偏差和超標(biāo)的接頭錯邊?，F(xiàn)階段，我國鐵路建設(shè)單位和工務(wù)養(yǎng)護(hù)單位進(jìn)行現(xiàn)場接頭外形精整時(shí)主要采用直尺塞尺式前后測量和各式仿形打磨機(jī)打磨。前后測量時(shí)必須要了解接頭的平直度狀況才能判斷打磨范圍和打磨量，而傳統(tǒng)的接觸式測量方式受限于固有精度，無法給予后期打磨足夠準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，這就會影響打磨質(zhì)量。同時(shí)傳統(tǒng)測量方式無法直觀給出所測量接頭的精確平直度情況，這樣就在打磨時(shí)無法給予操作人員足夠的打磨范圍、打磨起始點(diǎn)、打磨量的指示，因此在高速鐵路要求對接頭平直度日益進(jìn)行精確控制的情況下就無法達(dá)到要求，迫切需要更精確的接頭平直度測量方式。

目前， 各焊軌基地已開始采用比較先進(jìn)的SEC電子平直度儀對鋼軌頂面和工作邊平直度進(jìn)行測量。該設(shè)備是集成了計(jì)算機(jī)、傳感器、信號處理、精密機(jī)械加工、新材料等新技術(shù)于一身的機(jī)電一體化設(shè)備。其特點(diǎn)是：采用有效長度為1m的精密導(dǎo)軌為測量基線，能反映真實(shí)值，消除了鋼板直尺加塞尺方法的測量原理缺陷；數(shù)據(jù)采集、處理實(shí)現(xiàn)自動化、數(shù)字化；能連續(xù)測量鋼軌兩個方向的平直度數(shù)據(jù)；測量儀結(jié)構(gòu)緊湊、重量較輕、便于攜帶、操作簡便、檢測效率高。測量時(shí)將鋼軌平直度測量儀置于鋼軌頂面或者側(cè)面，箭頭指向焊縫中心，測量鋼軌頂面及側(cè)面工作邊平直度。測量過程中，每隔5mm進(jìn)行采樣，一米范圍內(nèi)總共測量200個點(diǎn)，通過將這兩百個點(diǎn)的數(shù)據(jù)連線，繪出該接頭的平直度曲線。實(shí)際接頭精整作業(yè)前，在鋼軌溫度處于設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍時(shí)測量鋼軌焊接接頭平直度，記錄測量時(shí)的軌溫。結(jié)合該接頭測量獲得的平直度曲線，可獲得以下信息：

①接頭軌頂面的平直度變化趨勢（判斷打磨長度）；

②接頭工作邊的平直度變化趨勢（判斷打磨長度）；

③接頭軌頂面和工作邊的錯邊情況（判斷打磨長度）；

④接頭軌頂面最大、最小值（確定打磨深度）；

⑤超過規(guī)定值的長度及部位（確定重點(diǎn)打磨區(qū)域）。

3.6 鋼軌接頭探傷檢查

3.6.1 系統(tǒng)校準(zhǔn)

依據(jù)TB/T 2658.21-2007測試方法，用標(biāo)準(zhǔn)試塊（CS-1-5、CSK-IA）測試超聲波探傷儀的性能（垂直線性，水平線性，靈敏度余量）及探頭的性能（K值，前沿），并規(guī)范填寫《超聲波探傷儀及探頭性能測試記錄》。依據(jù)TB/T 658.21-2007校準(zhǔn)方法，用對比試塊（GHT-1、GHT-5）校準(zhǔn)探傷靈敏度（制作距離-波幅曲線、AVG或DGS曲線等），雙探頭法使用GHT-1試塊，單探頭法使用GHT-5試塊，并規(guī)范填寫《鋼軌焊接接頭超聲波探傷靈敏度校準(zhǔn)記錄》。

3.6.2 探傷方法

探傷檢測面的狀態(tài)處理達(dá)到要求后，使用超聲波探頭進(jìn)行掃查。

①雙探頭掃查：K0.8～K1探頭從踏面對軌腰及其延伸部位進(jìn)行串列式掃查；K0.8～K2探頭從軌頭側(cè)面對軌頭部位進(jìn)行K型掃查；K0.8～K1探頭從軌底兩側(cè)面對軌底部位進(jìn)行K型掃查。

②單探頭掃查：K≥2橫波探頭從踏面或軌頭側(cè)面對探頭進(jìn)行掃查和從軌底斜面上對軌底部位進(jìn)行掃查；

K0.8～1橫波探頭從踏面上對軌腰直至軌底進(jìn)行掃查；對于鋁熱焊焊縫，另加0°探頭從軌頭踏面對軌頭、軌腰直至軌底進(jìn)行掃查。

③閃光焊、鋁熱焊的焊接形式不同，缺陷類型不同，應(yīng)采用相適應(yīng)的方法進(jìn)行探傷。

④對可能是棱角等外形造成的反射回波而不能確認(rèn)時(shí)，應(yīng)將棱角打磨后再探，但注意不應(yīng)打磨超限。

3.6.3 缺陷判定

①雙探頭探傷

軌底角部位（20mm） ≥φ3-6dB 平底孔當(dāng)量

其它部位 ≥φ3 平底孔當(dāng)量

②橫波單探頭探傷

軌頭和軌腰 ≥φ3 長橫孔當(dāng)量

軌底 ≥φ4 豎孔當(dāng)量

軌底角（20mm） ≥φ4-6dB 豎孔當(dāng)量

③焊縫中存在平面狀缺陷。

④缺陷當(dāng)量比上述規(guī)定低3dB或以內(nèi)，但延伸長度大于6mm。

3.7 工藝優(yōu)化措施

為進(jìn)一步保證高速鐵路鋼軌焊接接頭的外觀及質(zhì)量，結(jié)合本項(xiàng)目施工實(shí)際，提出以下優(yōu)化措施及建議：

①為保證焊頭外觀及質(zhì)量，必須重視生產(chǎn)過程中連續(xù)質(zhì)量控制，通過對軌、夾持焊接、正火矯直和接頭精整等工序密切配合，形成滿足高鐵要求的外觀、質(zhì)量控制手段。

②對軌過程必須使兩待焊鋼軌相互平順，消除因線路條件引起的鋼軌扭曲。

③夾持焊接過程必須重視控制接頭錯邊和預(yù)拱度，保證焊后接頭平直度穩(wěn)定，不出現(xiàn)超標(biāo)的錯邊。

④正火矯直工序必須在達(dá)到正火要求的同時(shí)控制平直度不發(fā)生大的變化，應(yīng)采用矯直的方式使得接頭接近筆直。

⑤接頭精整工序應(yīng)通過SEC電子平直度儀或同類設(shè)備對接頭精整前的平直度進(jìn)行測量，并針對平直度曲線判定打磨范圍和打磨量，并制定相應(yīng)的打磨工藝。通過上述方法，可實(shí)現(xiàn)對接頭打磨量和打磨范圍較好的控制，防止打磨超限或者造成報(bào)廢接頭的情況。

4 結(jié)束語

在京滬高速鐵路310公里無縫線路鋼軌焊接施工任務(wù)中，由于不斷優(yōu)化鋼軌焊接的施工工藝，同時(shí)執(zhí)行京滬公司下發(fā)的各項(xiàng)無縫線路施工相關(guān)文件，項(xiàng)目部在京滬線焊軌施工中得到了鐵科院金化所、京滬公司、監(jiān)理等多家單位的認(rèn)可和贊同，焊接接頭驗(yàn)收一次性通過，并在試驗(yàn)過程實(shí)現(xiàn)了486.1公里/小時(shí)的世界最高運(yùn)營時(shí)速，相關(guān)觀點(diǎn)、經(jīng)驗(yàn)可供類似工程借鑒。

參考文獻(xiàn)：

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