序言：寫作是分享個人見解和探索未知領域的橋梁，我們為您精選了1篇的高鐵現場鋼軌插入閃光焊接技術探究樣本，期待這些樣本能夠為您提供豐富的參考和啟發，請盡情閱讀。

隨著高速鐵路運營年限的不斷增加，鋼軌或焊接接頭在長期服役過程中不可避免地產生服役傷損或偶發性外因致傷損，此時需要對病害鋼軌進行更換作業。當病害鋼軌較短時，不宜采用大規模換軌施工，如對鋼軌局部擦傷或焊接接頭重傷等傷損鋼軌進行更換時，采用短軌插入焊技術是適宜的作業方式[1-3]。高鐵鋼軌插入焊技術主要有2種方式，即鋁熱焊和閃光焊。當前鋁熱焊最為常用，按照高鐵修規要求，插入不短于20m的鋼軌，在兩端均采用鋁熱焊作業，其優點是僅插入段鋼軌軌溫不易受控，其他方面對線路擾動小。其缺點主要是增加了線路上鋁熱焊接頭數量，鋼軌重傷和斷裂的風險更高一些。該方式施工組織相對來說較為簡單，現場作業風險較小。閃光焊近幾年開始大范圍應用于線上插入焊接，隨著閃光焊軌機或焊軌車的大范圍普及，高速鐵路新建和既有線區間無縫線路基本都采用閃光焊接[4-6]。插入軌首尾兩端均采用閃光焊接，第1個接頭采用常規的線上閃光焊接就可完成，施工難度主要在第2個接頭（合龍口處），由于閃光焊需拆卸較多鋼軌扣件，對線路擾動相對大一些，原有施工一般在實際軌溫處于鎖定軌溫條件下進行，并且應兼顧對左右股軌溫差及同一單元軌溫差的控制。當實際軌溫低于鎖定軌溫時須采用拉伸焊接的方式進行，需要滿足插入焊合龍口接頭的焊接和鎖定軌溫恢復兩方面需求[3]。通過調研分析高速鐵路現場插入閃光焊接需求及關鍵技術方案，制定了滿足高鐵既有線施工需要的焊接裝備、作業模式和施工組織技術，并進行了現場試驗，形成了高速鐵路現場插入焊接成套方案，為我國高鐵后期軌道運營維護提供了新的技術手段。

1現場插入閃光焊接關鍵技術

高速鐵路現場插入閃光焊接施工難度主要在第2個接頭（合龍口處），需要在保證焊接接頭質量的前提下，解決合龍口焊接的同時恢復線路鎖定軌溫的難題。

1.1拉伸鎖定焊關鍵問題及解決方案

（1）鋼軌縱向阻力。長軌或拉伸長軌在現場焊接過程中須克服額外的鋼軌縱向阻力（軌底摩擦力和拉伸力），對閃光焊接過程中的閃光、加熱、連續等階段的影響較大。非自由狀態的長軌內在縱向阻力會影響焊軌機實際有效頂鍛力值，從而影響閃光焊接過程中的送進和后退速度，最終影響焊接過程，導致加熱過程不穩定，對接頭質量影響也較大，造成與自由狀態下鋼軌焊接的較大差異。本研究將閃光焊接過程分為2個大的階段：閃光加熱階段和頂鍛階段。控制方式改進為：全過程采用恒位移控制方式。閃光加熱階段長鋼軌處于低縱向阻力的自由狀態（采用鋼軌撥彎+支墊滾筒方式）；頂鍛階段實現頂鍛量精準控制，焊接實際數據和短軌相當，而要實現相同的頂鍛效果需要提高焊軌機額定頂鍛力以滿足拉伸狀態下的頂鍛能力。（2）鋼軌內應力。當接頭焊接完成進行焊后熱處理作業時，長鋼軌由于處于拉伸狀態（實際軌溫與鎖定軌溫的差距）而存在一定的內應力，鋼軌接頭熱處理過程中易出現變形或被拉細的情況，須采用保壓焊后熱處理。雖然近年來現場焊后熱處理裝備也逐步實現了感應加熱、全程保壓以及自動化作業的方式[7]。但是鋼軌拉伸鎖定焊接一般都是在換軌合龍口或者應急搶修中運用，焊接只是換軌維修中的一項，維修天窗時間的限制是考驗新技術、裝備和施工組織的關鍵。焊軌車和熱處理作業車配合作業1對接頭一般需要70~80min，2個車的編組及調車作業也帶來了現場施工組織的問題。

1.2拉伸焊接技術及裝備

移動式鋼軌閃光焊接和感應熱處理一體機可采用一次鋼軌夾持實現鋼軌焊接和熱處理自動化作業，實現了鋼軌閃光焊接后直接原位保壓感應熱處理作業[8-9]，方便了現場鋼軌焊接需求，尤其是工務大修換軌線上鎖定焊的作業。進行拉伸鎖定焊接1對接頭只需要25～30min，將閃光焊接和感應熱處理兩種作業一機化，減少相關裝備、作業時間、人員等投入，可顯著提高現場閃光焊軌生產效率。

2合龍口焊接主要技術方案

2.1閃光焊接鋼軌消耗量

閃光焊接接頭鋼軌消耗量（ΔS）由閃光燒化量（Ls）和頂鍛量（Ld）兩部分組成，現場閃光焊接頭消耗量一般在25～40mm。通過型式檢驗確定鋼軌閃光焊機焊接參數后，鋼軌消耗量也隨之確定，但是由于焊接過程存在不穩定性，鋼軌消耗量存在少量的波動。比如某移動閃光焊機現場焊接鋼軌消耗量在28～33mm之間波動。鋼軌消耗量波動的原因是目前焊接參數模式主要采用位移和時間雙控，閃光燒化的各個階段以時間作為節點控制，導致各階段的位移由于焊接工況（軌溫、氣溫、機械穩定性、阻抗等）的影響產生較明顯的波動。要實現拉伸鎖定焊拉伸量的精確控制，需要保證在拉伸焊接過程中鋼軌消耗量的穩定，焊軌機焊接參數模式改進為恒位移控制，使每個接頭即便在焊接工況有一定差異的情況下仍可達到穩定的鋼軌消耗量[10]。

2.2拉伸量與鎖定軌溫差

拉伸鎖定焊接的拉伸過程選在對焊接質量影響較小的頂鍛階段，拉伸量最大值為頂鍛量（一般為15～16mm），鋼軌拉伸量（鎖定軌溫差ΔT）取決于待拉伸長軌的長度。以長鋼軌自由拉伸為基準計算拉伸量ΔL與鎖定軌溫差ΔT，計算公式如下：?L=?T×a×L（1）式中：ΔL為鋼軌拉伸量，mm；ΔT為鎖定軌溫差，?T=T1-T0，T1為鎖定軌溫，T0為實際軌溫，℃；α為鋼軌線膨脹系數，α=11.8×10-6/℃（常溫）；L為鋼軌在自由狀態下的長度，mm。如果鋼軌最大拉伸量為16mm（頂鍛量為16mm），按100m長軌拉伸，最大可拉伸鎖定軌溫差為14℃；按84.75m長軌拉伸，最大可拉伸鎖定軌溫差為16℃。長鋼軌可拉伸長度ΔL的范圍選取，為了保證撥彎作業可靠且方便操作，一般來說不少于80m（一般在40～60m區間撥彎，太近會影響待焊端鋼軌的順直對齊，太遠摩擦力過大會影響撥彎回直的拉力）。但是選取長軌長度過大(如500m)，則可拉伸的溫度只有3～4℃，恢復線路鎖定軌溫的能力還是偏小，適應不了大多線路實際作業需要。

2.3拉伸力與鎖定軌溫差

以長鋼軌墊輥輪為基準計算拉伸力F與鎖定軌溫差ΔT，計算公式如下：F=E×ΔL/L×A+f（2）式中：F為總的拉伸力，N；E為鋼軌彈性模量，E=210GPa；ΔL/L為鋼軌伸長率；A為鋼軌橫斷面積，A=77.45cm2（60kg/m鋼軌）；f為摩擦力，f=μ×G，μ=0.15為鋼軌與輥輪的摩擦系數，G為長鋼軌重力，N。如果以84.75m長軌作為拉伸區間，拉伸鎖定軌溫差16℃需要的拉伸力為314.72kN。2.4增加額定頂鍛力為了滿足長鋼軌拉伸鎖定需求，在滿足原有頂鍛力基礎上，還需滿足鋼軌拉伸力和摩擦力需要，因此需要提高頂鍛力。但是由于鎖定軌溫差（ΔT）隨著環境變化，所需要的拉伸力也隨之變化，而額定頂鍛力不變，因此實際作用在接頭的頂鍛力會隨著鎖定軌溫差（ΔT）不斷變化，實際頂鍛量和頂鍛效果也不斷地變化。因此需要根據每個接頭不同的拉伸力條件實現相同的頂鍛效果，同時保證相同的頂鍛效果也可以實現鋼軌拉伸量的精準控制，保證線路鎖定軌溫的準確可控。

3現場插入閃光焊施工組織及控制方法改進

3.1插入焊作業流程

插入鋼軌首尾兩端均采用閃光焊接，第1個接頭采用常規的線上閃光焊接作業就可完成。施工難度主要在第2個接頭（合龍口處）。當實際軌溫與鎖定軌溫相當時，采用常規合龍口撥彎焊接；當實際軌溫低于鎖定軌溫時可采用拉伸焊接的方式進行，滿足合龍口接頭的焊接和鎖定軌溫恢復兩方面需求。將實際軌溫與鎖定軌溫相當時候的常規合龍口撥彎焊接作為拉伸量為零的拉伸鎖定焊接。根據線上焊和拉伸鎖定焊的特點及需求，制定相對應的施工組織方案，高鐵現場鋼軌插入閃光焊接施工作業主要流程如圖1所示。

3.2焊軌機位移控制方法改進

焊軌機為了滿足不同鎖定軌溫差的拉伸需求，保證每個受拉力不同條件下的接頭能夠質量穩定，需要實現相同的頂鍛量。采用恒位移的方式可滿足長軌、拉伸狀態的長軌（頂鍛力加大）與短軌相同的鋼軌閃光燒化量和頂鍛量，實現鋼軌消耗量的精確控制。具體改進后控制方式是：閃光加熱階段，由原來的位移和時間雙控改為采用位移控制的方式；頂鍛階段，頂鍛前期（頂鍛位移前12mm）采用快速（大流量）頂鍛方式（伺服閥+換向閥控制），頂鍛后期（頂鍛位移12mm之后）采用慢速（小流量）頂鍛方式（伺服閥控制）。

4現場試驗

合龍口拉伸焊接施工組織方案制定選取拉伸長軌的長度為84.75m，施工組織方案及施工過程中均按照84.75m作為拉伸長軌長度布置和計算，施工示意見圖2。

4.1搭接量和位移觀測量

4.1.1拉伸量與搭接量的計算

根據式（1）計算鋼軌拉伸量ΔL。根據公式（3）計算鋼軌合龍口的搭接量ΔD。ΔD=ΔS?ΔL（3）式中：ΔD為鋼軌搭接量，mm；ΔS為焊接時鋼軌消耗量，根據焊接型式檢驗確定，mm。通過型式檢驗確定焊軌機焊接參數后，鋼軌消耗量也隨之確定。比如目前某移動閃光焊機現場焊接鋼軌消耗量為30mm（采用位移精確控制閃光焊燒化量），其中頂鍛量為16mm。按84.75m長軌拉伸，最大可拉伸鎖定軌溫差16℃，平均每拉伸鎖定軌溫差1℃，拉伸量增加1.0mm，換算結果見表1。

4.1.2設置位移觀測點

拉伸鎖定焊接前位移觀測及焊后位移觀測點設置離合龍口接頭1～2m和42.5m處。2個位移觀測點：1～2m處應向焊接位置方向移動1個鋼軌拉伸量距離（ΔL）；42.5m處應向焊接位置方向移動1/2個鋼軌拉伸量距離（ΔL/2）。測得實際位移觀測量，計算作業誤差。

4.2現場試驗情況

2021年在某高鐵傷損鋼軌插入焊換軌施工中進行了合龍口拉伸線上閃光焊接技術現場運用試驗。在每個作業點施工中，采用鋼軌閃光焊接和感應熱處理一體機先完成插入焊首端常規線上閃光焊接頭，再完成尾端合龍口拉伸鎖定焊接頭。連續4個施工天窗的合龍口拉伸鎖定焊接試驗接頭數據情況見表2。從現場試驗效果和數據來看：（1）改進后的鋼軌閃光焊接和感應熱處理一體機頂鍛力可實現不同鎖定軌溫差的拉伸需求，且完全能滿足16℃鋼軌鎖定軌溫差拉伸需要，還有一定余量。（2）鋼軌現場實際消耗量和頂鍛量的誤差會造成最終線路拉伸鎖定軌溫的誤差，但是誤差范圍可控，可實現5%以內。（3）合龍口拉伸線上閃光焊接質量控制的一個關鍵因素是自由端長軌的撥彎和焊接過程中回彎效果，需要保證無阻擋，順直可靠。

5結論

（1）高速鐵路鋼軌現場插入閃光焊施工宜在實際軌溫不高于鎖定軌溫下進行，首尾兩端均采用閃光焊接。當實際軌溫與鎖定軌溫相當時，采用常規的合龍口撥彎焊接；當實際軌溫低于鎖定軌溫時可采用拉伸焊接的方式進行，可滿足合龍口接頭的焊接和鎖定軌溫恢復兩方面需求。（2）合龍口接頭拉伸鎖定焊接（實際軌溫小于鎖定軌溫）關鍵技術及措施：加熱階段長鋼軌處于自由狀態；頂鍛階段采用恒位移方式實現拉伸狀態的長軌與短軌相同的頂鍛量，鋼軌焊接實際數據和質量與自由狀態相當，鋼軌拉伸量精確可控。鋼軌閃光焊接和熱處理過程都須實現保壓作業，防止高溫接頭受鋼軌應力出現拉細、拉傷的情況。（3）現場作業根據實際軌溫情況計算鋼軌搭接量、位移觀測量等，按照插入焊成套施工組織進行作業。（4）當前的鋼軌閃光焊接和感應熱處理一體機通過改進頂鍛力及控制方式后可實現不同鎖定軌溫差的拉伸需求，滿足不高于16℃鋼軌鎖定軌溫差拉伸需要。現場鋼軌實際消耗量和頂鍛量會造成最終線路拉伸鎖定軌溫的波動，但是誤差范圍可控。插入焊合龍口拉伸線上閃光焊接質量控制的關鍵因素是自由端長軌的撥彎和焊接過程中的回彎效果。

參考文獻：

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作者:李金華 李力 陳偉國 高振坤 吳丹 康志堅 周燁 單位:中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所 廣州鐵路軌道裝備有限公司 中國鐵路廣州局集團有限公司