无缝线路焊接施工工艺探讨.docx

无缝线路焊接施工工艺探讨 蔡 珍（广州轨道交通建设监理有限公司 西安地铁轨道1标驻地监理部邮编：710038）摘 要：基于西安地铁一号线一期轨道工程，探讨无缝线路焊接技术要点，同时综合南京及国内其他城市地铁无缝线路焊接技术要点，总结出一定的经验和认识，以供类似工程施工借鉴。关键词：无缝线路；焊接；轨道；技术西安地铁一号线轨道工程中无缝线路铺设施工采用“一次性焊接、铺设”工艺，是对传统“二铺一拆”工艺的改良。新工艺的施工程序，可以归纳为：1.铺设25m标准无孔新轨，浇筑整体道床；2.用移动式接触焊机，现场本线焊接长钢轨；3.完成无缝线路的铺设、锁定。1 施工工艺1.1焊接工艺说明详见“移动式接触焊施工工艺流程图”。型式试验确定焊接参数焊机焊前检查测试接头焊接推 瘤正 火打 磨探 伤验 收轨头打磨配轨及校直锯轨机锯截线路锁定与放散图1 移动式接触焊施工工艺流程图1.2焊轨前钢轨检查对钢轨全部进行探伤检查，剔除损伤轨；钢轨进行调直处理，使钢轨全长范围内，轨头和侧面平面直顺，没硬弯，弯曲和扭曲。钢轨两端1米内直面及平面不直度不大于0.5mm；锯切断面处的不垂直度在垂直与水平两个方向均不大于0.5mm；钢轨表面或内部有裂痕、重皮、夹渣、缩孔、严重偏析等缺陷不得焊接。轨端除锈：钢轨焊前对待焊轨两端进行除锈处理。表面光洁，没有锈斑，打磨量一次不超过0.2mm；待焊轨待焊时间超过24小时或油水沾污，须重新打磨处理，打磨长度600mm左右。焊机检查空载测试：焊机焊接前要按要求进行检查测试，检验其焊接参数是否变化，并作出及时调整。焊轨前必须对焊机进行模拟焊接，遇有不正常情况及时调整与修理，得到监理工程师认可后方能开机焊接。焊机的各项参数须经试验确定，并经监理认可后确定，一经确定不得随意改动。操作者在开机前，要对焊机主机、辅机、水冷却系统、液压系统、制冷系统、供电室等作最后检查，再由工长复查确认，一切正常方可开始焊轨。1.3焊接对位：焊接对位包括焊轨车的停车对位和钢轨对中夹持作业。轨头夹持对中时，达到下列标准：A、焊缝位于左右两极钳口中心，与钳口中主线偏差小于或等于5mm；B、两轨端间有0.52mm的间隙；C、两轨轨端垂直方向的错位，以轨顶面平齐为准；D、两轨轨端侧面方向的错位，以钢轨作用面平齐为准；E、接头呈上拱状态，焊后调整用1m直尺测量其拱度为0.51mm（视环境温度而定）。1.4焊轨：对位合格后，接通电源，两钳口通以400伏电压焊接，激活自动焊接程序，分别进入预闪阶段、稳定高压闪光阶段、低压闪光、加速闪光以及顶锻阶段，顶锻完成以后整个焊接过程结束。1.5推瘤：闪光焊接完成后，钢轨夹紧装置快速松开两钳口，焊机头内的推瘤刀立即进行推瘤，完成一个钢轨接头的焊接。1.6正火：钢轨焊接接头进行焊后处理。热处理采用（氧+乙炔）火焰正火。当钢轨焊接头温度降至500以下时开始火焰正火。加热器沿焊接头纵向摆动量710cm，轨头加热的表面温度一般不超过950，轨底角加热的表面温度不低于830，钢轨表面正火加热温度采用光电测温仪，做好正火记录。1.7打磨：利用钢轨打磨机具打磨钢轨焊接拉头的轨顶面、侧面，打磨时不宜横向打磨焊缝，且不使钢轨表面“发蓝”。打磨时若温度高，要适当暂停打磨，待温度适宜时再进行打磨。焊缝探伤检查：利用超声波探伤仪对钢轨焊缝进行探伤检查，遵循以下规定：探伤要待焊缝自然冷却到50以下才能进行；焊缝内部任何部位发现有未焊透、裂纹、夹渣等缺陷时，该焊头必须截锯重焊。1.8无损探伤接头探伤采用超声波探伤仪进行，由专职探伤人员对各个接头进行检测，合格的接头做好标记及记录，不合格的切割后换钢轨后重新进行焊接。探伤时以轨底两角为重点，对焊缝进行全面探伤检测，并做好记录，发现问题及时处理。在整个焊接过程中必须严格控制每一道工序。每一道工序出现不规范操作都将影响焊接质量。钢轨的初调直影响焊接时钢轨的对正，焊后调直水平影响长轨的平直度，焊后打磨影响焊接接头的外观质量。接头按照100的要求进行无损探伤，探伤记录必须完整、齐全、准确，发现质量缺陷应将情况详细说明，并填写处理结果，不合格接头应重新换轨焊接后再进行验收，直至合格为止。1.9焊缝验收：焊缝探伤合格后应检查其外观尺寸。检查结果符合表“焊接接头允许几何偏差表”。焊接接头允许几何偏差表（mm）轨顶面轨头内侧工作面轨底0+0.30+0.30+1.01.10无缝线路应力放散施工应力放散是消除钢轨内多于应力及消除道床与钢轨额外阻力的主要型式，他的目的是保证线路的平稳性和延长钢轨的试用寿命。在施工时根据现场实际情况可采用下列应力放散方法：（1）滚筒法：该方法是作业轨温在设计锁定轨温范围内时试用，施工时把需要放散的长轨条扣件全部拆除，然后抬起钢轨，使钢轨落在滚筒上，振击长轨条数次，使长轨条能够自由伸缩，一旦轨温达到设计要求，立即撤掉滚筒，安装扣件，进行锁定。（2）拉伸滚筒法：利用钢轨拉伸器辅以振击，通过均匀拉伸长轨条，以提高他的零应力轨温，使锁定轨温进一步到位的方法。拉伸长轨条时应做到匀、准、够。其作业方法是：a.形成零应力。在放散段自然轨温的条件下，轨下垫滚筒，松开全部扣件，使钢轨能够自由伸缩。以50m或100m为单位进行观测，当钢轨发生反弹现象时，即视为零应力。b.计算拉伸量。钢轨放散至零应力状态后，根据设计锁定轨温和实际锁定轨温之差计算出钢轨拉伸量，用拉伸器和撞轨器联合作用拉出该深长量后即锁定钢轨。c.放散作业程序首先确定放散长度，并设立固定点，放松扣件，垫入滚筒，保证钢轨自由伸缩，测量作业轨温，根据放散轨温与作业轨温之差计算并标记钢轨的变化长度，并在钢轨上每隔100m做标记，试用拉伸器拉伸钢轨，使其达到设定的标记，最后进行钢轨锁定施工时应注意单元轨节在滚筒上要顺直，无明显“塌腰”；滚筒在使用前应逐个检查、涂油，保证其能够转动灵活；撞轨器配合放散时确认钢轨伸缩出现反弹（达到零应力），并确认各个临时位移观测标记处的伸缩量呈现线性变化；锁定时，靠近钢轨拉伸器的一组逐个安装扣件，其他组每隔5根轨枕上一对扣件，然后分别间隔2根轨枕、间隔1根轨枕补上扣件。上扣件的人员要步调一致，紧张有序，在短时间内迅速完成安装任务。锁定轨温必须在设计锁定轨温要求范围内，应力放散时保证各个单元轨节间轨温均匀，曲线地段外侧钢轨锁定轨温不得高于内测锁定轨温，单元轨节两股钢轨锁定轨温差符合规范要求。锁定时检查缓冲区内钢轨接头夹板螺栓与扣件及T型螺栓扭矩是否达到设计要求，锁定后对无缝线路进行纵向位移观测。单元轨节应力放散后将单元轨节进行编号、钢轨拉伸量、锁定轨温、操作日期、钢轨位移观测记录等列入施工资料。1.11 无缝线路锁定施工：对于无缝线路锁定施工，目前国内所使用的施工方法归纳起来有两种，即“连入法”和“插入法”。“连入法”是先将第一根单元轨节应力放散，并在设计允许锁定轨温范围内进行锁定，再将第二段及以后的单元轨节与第一段单元轨节经过焊接及应力放散之后依次锁定成为无缝线路的施工方法。“插入法”是在相邻单元轨节中间插入一对经过计算的钢轨，对单元轨节进行应力放散、锁定的作业方法。两种施工方法比较，再结合本工程的施工特点，拟采用“连入法”进行本工程范围内的无缝线路施工。连入法施工作业程序如下：（1）首先将25m钢轨采用K922移动闪光接触焊机焊接成设计所要求的单元轨节；（2）对于第一对单元轨节，当轨温处于设计锁定轨温范围时，采用“滚筒法”放散后，锁定时采用从两端向中间的锁定顺序进行锁定；当锁定轨温低于设计锁定轨温时，采用“拉伸滚筒法”进行放散，锁定顺序与上相同。（3）将第二段及以后的单元轨节与上一段单元轨节经过焊接、放散后依次锁定。（4）长轨条最后一段单元轨节在终端缓冲区标准轨前或钢轨伸缩调节器前合拢。合拢口预留的拉伸长度应经过计算后确定，放散后进行锁定。（5）在钢轨上做好标记，记录位移观测桩的原始数据。（6）将单元轨节应力放散后的拉伸量、钢轨位移观测桩的原始数据、锁定轨温、锁定日期、单元轨节编号等计入竣工资料。（7）线路锁定应遵循以下规定：A、锁定轨温应准确、可靠、符合设计规定；B、线路锁定轨温在设计温差范围内；C、测量轨温时，要对钢轨的不同位置进行多点测量，取其平均值；D、应从两端向中间锁定，同时在钢轨上设置纵向位移观测的“零点”标记；E、相邻两段单元轨节锁定轨温之差不得大于5，左右两股钢轨的锁定温差不得大于3，曲线外股锁定轨温不高于内股锁定轨温；锁定轨温与锁定日期应列入竣工资料。F、无缝线路有下列情况之一者，应放散或调整应力后重新锁定，并使其符合设计要求。实际锁定轨温超出设计锁定轨温范围；钢轨产生不正常的过量伸缩；无缝线路固定区钢轨出现严重的不均匀位移；原因不明，施工时未按设计规定锁定的线路。2 工艺要点移动式现场接触焊接，有以下对焊接和铺设质量有关的特点：2.1 焊接轨的基准线移动式接触焊接是在现场线路上直接进行，即本线焊接：(1)由于轨底坡和曲线超高的存在，钢轨Y轴与铅重线存在一偏转角a(见图2)，不同的超高。角也不相同，待焊轨在焊接前必需调整到同一偏转角，否则焊接轨会产生扭曲。 图2 (2)现场曲线线路上直接焊接，很难使焊接头处在圆顺的位置上，待焊轨在焊接前必须调整到焊接点切线方向的直线上(见图3)，否则焊接头将形成折角。 图3(3)由于是本线焊接，焊接车须停放在已焊长轨上；又由于焊机头作业时轨底以下必须有一定空间a(见图4)，焊后打磨也须有相当空间，因此焊缝处轨头必须垫高。这就使焊接车轮对接触点至焊缝处L距离内的轨道形成斜面，为此待焊轨也必须调整成同一斜面，否则焊接头是不平顺的。 图4上述三点，每次焊接，其调整量均不相同，须根据现场情况人工进行调整。2.2 焊接的工艺控制这套工艺流程与固定式焊接基本相同，但固定式焊接用于现场本线焊接则有如下问题：（1） 固定式焊接x轴和Y轴两个方向的调直是在同一个平台上进行的。现场焊接由于轨下空间很小，Y轴剖面的调直将难于实现，这对轨面平顺很不利。 （2）固定式焊接，工艺流程分布在流水线上，工位固定，工作物流动，工艺作业是平行进行的;现场焊接，工作物固定，工艺作业只能在一个点上按流程顺序进行;完成一个焊头的效率取决于作业程序的编排，并大大低于流水线焊接，为提高作业效率、加快进度，曾经有人将作业程序编排成两大块，即焊接和焊前处理及焊后处理。在劳动组织上也分成两个组，一个负责焊接和焊前处理，另一个负责焊后处理。焊接和焊前处理的通常作业方法是在每对轨焊接后，即予临时固定，让焊接车通过进行下一对轨的焊接，这就是说焊头在未按设计标准规定进行任何焊后处理就经受轴重大于10t的车轮辗压，并在下一对轨的焊接过程中，始终承受着来自焊接车(包括牵引轨道车)的垂直载荷和振动载荷。特别是当车轮通过时，焊缝温度尚处在800以上，对于U75V轨即处于相变线以上，此时相变尚未完成，结构组织成软塑状态，强度和硬度极低，在外荷的作用下焊头极易变形损伤； 焊后处理的所有作业都是在单个焊缝上进行，由于焊后长轨已经在轨道上固定，而每个焊缝在作业过程中，钢轨温度发生的变化(特别是“正火”)就不能像整条长轨在辊道线上自由调整，作业后长轨条内就会存在不均匀的局部温度应力。2.3铺设的工艺控制 轨道交通工程设计，对于铺设只提出锁定轨温和应力放散的技术要求。长轨焊接在连续作业的过程中，每根25m轨的锁定轨温是不可能相同，这在地面和高架段尤甚，需要进行应力调整，低温铺设的钢轨用拉伸器调整，则必须有固定段，这对于用无孔轨铺设的短轨线路是非常困难的，需调整的长轨长度越长其调整的可能性越小。2.4 工装、设备（1）焊接作业车。由四部分组成，即发电机组、焊机、悬挂焊机头的吊机及存放上述设备的轨道车平板，俗称“焊接车”。发电机组安装在一个集装箱内，焊机和吊机安装在另一个集装箱内，两个集装箱安装在一辆平板车上，全长(不含车钩)12700mm，总宽(作业状态)2538mm，总高(轨面以上)3470mmo悬挂焊机头的吊机起重臂最大的工作半径为3335mm，装在平板车后，平板车第一轮对中心距焊机头中心(即为焊缝中心)的最大距离为3735rnmo(见图4)该套设备在本线焊接左、右股钢轨时(图5所示)吊架需摆动一个角度，当吊架处于最大工作半径时，吊架的外侧已接近1600mm限界，而轨道交通工程的限界，目前有两个标准，即地铁1600min，轻轨1400mm，因此这种设备在“轻轨”工程中将受到限制。（2）调直设备：焊后调直，目前尚无可直接利用的设备。曾经有人使用“直轨器”，但很难达到规范规定的技术要求，且其效率极为低下，达不到焊接生产的耍求。因此需要另行设计一套调直机械，它必须满足下列条件： 必须能进行X轴和Y轴两个方向的调直；令轨下部分结构尽量缩小，以降低对轨下空间的要求；尽量小的结构重量、可移动、便于安装。2.5 工艺标准 “技术条件”要求严格执行技术规范，但由于现场焊接的特殊性尚应有一些补充规定： (1)关于冷却速度的控制。“技术条件”所列工艺流程中的“风冷仪“强冷”没有提出冷却速度的概念，“强冷”也未规定使用的冷却介质，这是不完善的。冷却速度关系到焊接质量，现场焊接与室内焊接条件很不相同，在8/5范围内，冷却速度大于40C/s是不允许的，在这个范围内“强冷”如果采用“浇水则将导致焊缝的冷脆性倾向，这一点在地面和高架上焊接尤须引起重视。我们在上海市地铁一号线北延伸段现场焊接基地焊接的标准中就规定了冷却速度控制在20C/S以内，以保证焊接质量。 (2)关于焊缝位置。TB2098-89规范对工地焊接联合接头的位置规定如下：“两股钢轨的焊接头位置尽量相对；轨底及轨底角如打磨平整，与轨枕的相对距离不受限制；若留有焊瘤，则距离轨枕边缘不得小于40mm。而对非联合接头的位置，则没有规定。上述规范还规定“联合接头不论采用何种焊接方法，均需符合TB1632规定的质量检验标准”。而TB1632-91对焊头外观检查项目中轨底部分的要求为： 接触焊、气压焊(固定)+1.0；0气压焊(移动)、铝热焊没有要求 上述焊接头位置的标准规范，其核心是焊缝的打磨平整，留有焊瘤的焊缝，若位于轨枕承轨台面上，钢轨、轨枕都会产生应力集中，对钢轨、轨枕、轨下垫板造成损伤。移动式工地焊接，特别是本线焊接，焊头在焊后处理作业时由于受轨下空间的限制，轨底打磨很难达到TBlf32-91规范中规定的接触焊，气压焊(固定)标准。因此，对焊头打磨和焊缝位置的标准应该有合理的、新的规定。 应该提出的是如果执行焊缝不得上承轨台的规定，由于每次焊接时有12-15mm的顶锻量，若干次焊接后，25m长的轨端自然会落在承轨台面上，因此必须切断，也就是说钢轨有一定的损耗。3 技术要求对各施工工艺补充如下技术要求： 3.1 焊接工艺 （1）采用U75V钢轨的焊接技术参数，新设备在正式开焊前，应通过型式试验，以验证焊接技术参数。开焊后进行周期性试验，以验证焊接参数的稳定。（2）新轨检查验收和调直在轨排组装前进行，轨排组装、运输和就位安装，要避免损伤和再次变形。（3）焊接前利用辊道支架调整待焊轨的X,Y,Z轴方向与已焊轨趋于一致;曲线焊接，待焊轨必须调整到焊接点处的切线方向，保证焊接钢轨不产生上拱、下坍、扭曲和折角。（4）焊接后应先予风冷粗磨，尔后允许焊接车通过。焊接车通过时，焊头的温度不得高于4000C。 （5）焊后冷却速度和正火后的冷却速度要控制在20C/s左右。应远离U75V轨出现马氏体的临早令却速度。（6）正火热处理采用还原性火焰加热，正火起始温度不得高于4000C(轨顶面测量)，终了温度880-9000C。（7）后调直时，焊头的温度不得低于5000C。（8）焊头温度在200及以上时，不得用浇水强制冷却，超声波探伤时，焊头温度不得大于50。（9）正火热处理，后调直及焊后细磨时，应用辊道支架将钢轨架起，正火热处理的焊头前后应用辊道支架调平。（10）焊接除瘤后，轨底底面焊瘤余量，可按移动气压焊的标准执行，为此焊头应距轨枕边缘不小于40mm。（11）扣件：扣件的轨距挡板、挡板座顶严格靠压紧，不密贴（缝隙大于2mm）的数量不超过6%。检查扣件螺母拧紧程度，要求弹条扣件“三点接触”（相应螺母扭矩为100150N.m），不良者不超过6%。股垫无缺损，歪斜量大于5mm者不超过8%，螺母涂油。（12）缓冲区钢轨接头螺栓：缓冲区钢轨接头螺栓使用24-10.9级螺栓和平垫圈，数量6个齐全，螺栓涂油，螺母扭矩达到900KN.m。3.2 铺设工艺 （1）采用“分段焊接、线上连焊、交叉放散”的方法；（2）锁定轨温按设计中和轨温锁定。锁定轨温差，左右两股不得