（道路与铁道工程专业论文）跨区间无缝线路钢轨焊接及铺设技术.pdf

摘要 摘要 高速化、重载化是铁路发展的趋势，高速铁路的一个重要特点是安全可靠、 高速平稳。为满足行车安全、乘车舒适和准点行车的要求，铁路客运专线具有 结构连续、平顺、稳定、耐久和少维修的性能。轨道结构的可靠性、稳定性和 高平顺性是客运专线铁路安全可靠、平稳舒适、经济耐久运行的关键，传统的 线路由于钢轨接缝的大量存在，接头部位成为线路的薄弱环节，严重影响高速 行车的平稳度和舒适度。无缝线路由于消灭了钢轨接头，减少了列车在接头区 的冲击和振动，从而大大提高了轨道的平顺性，提高列车运行速度，增强旅客 列车的舒适度，又减小了钢轨病害和维修工作量，延长钢轨和轨枕以及扣件的 寿命，因而得到广泛应用。随着我国既有铁路大面积提速工程以及新建客运专 线工程的展开，无缝线路施工将大量凸现，本文依托新建铁路合( 合肥) 宁( 南京) 线无缝线路施工工程背景，对无缝线路钢轨焊接及铺设技术作了系统研究。主 要包括以下5 部分内容： 一、对国内外无缝线路焊接技术现状及应用作细致介绍，对适合新条件下 无缝线路钢轨焊接的焊接工艺作比较选择。 二、对无缝线路焊接铺设施工组织作了研究，从人力、设备、大型临时设 施、施工组织设计等方面作了详细分析。 三、结合工程试验对长钢轨基地焊接布置方式及制作工艺进行了研究，通 过试验对l o o m 重轨吊运工序及参数做了分析； 四、结合具体工程实践对5 0 0 m 长钢轨运输、铺设及现场单元焊接工序做了 研究，通过试验对长钢轨工地焊接参数做了研究。 五、最后对跨区间无缝线路锁定轨温及应力放散做了分析，对线路锁定焊 接工艺及参数做了研究，为工程提供指导意义。 关键词：无缝线路钢轨焊接钢轨铺设单元焊接锁定焊 i v 摘要 a b s t r a c t t h et r e n do fh i g hv e l o c i t ya n dh i g hh e a v i n e s so ft h er a i l w a yd e v e l o p m e n tg i v ea s a f e t y 、c o n v e n i e n c ea n dh i g hs p e e dc h a r a c t e r so ft h eh i g h - s p e e dr a i l w a yl i n e t h e c o n s t a n c e ，b a l a n c e ，l o w - m a i n t a i n e r sh a v eb e e nr e q u i r e df o rm e e t i n gt i m i n g 、 c o n v e n i e n c ea n ds a f e t y s t a b i l i t y 、i n t e n s i t y , s t i f f n e s so ft h er a i li sn e c e s s a r yf o r e n s u r i n gt h es a f e t y 、c o n v e n i e n c ea n de c o n o r u i c a lo ft h er a i l w a y t h ef r a c t u r ei nt h e l o c a ll i n ei st h ew e a kp o mo f 血er a i l ，w h i c ha f f e c tt h es t a b i l i t ya n dc o m f o r t a b l eo f t h et r a i n 、胁i l et h ec o n t i n u o u sw e l d e dr a i l ( c w r ) h a sam o r es t a b i l i t yj u s tb e c a u s ei t h a sl e s sf r a c t u r e i th a sb e e nw i d e l yu s e df o ri t sl o w - m a i n t a i n e r sa n dl o n gu s a g eo fi t s p a r t s w i t hl a r g e - s c a l es p e e dr a i l w a yp r o j e c t si n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t , t h e r e i n f o r c e m e n to fe x i s t i n gr o a d b e dt r a n s f o r m a t i o nw o u l db eo nt h et a b l e r e l y i n go n t h eb a c k g r o u n do ft h eh e f e i n a n j i n gl i n e ，c o m b i n i n gp a v i n gc w rp r o j e c t ，t h e w e l d i n gt e c h n o l o g ya n dp a v i n gm e t h o dh a v eb e e ng i v e n t l l i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e s t h ef o l l o w i n gf i v es e c t i o n s ： l 、b a s e do nd e t a i l e db r i e f i n go fc w r w e l d i n gt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n d o m a i no ra b r o a d ，c h o i c e sf o rn e wc w rr a i lw e l d i n gt e c h n o l o g yi nr i g h tc o n d i t i o n s h a sb e e ni l l u s t r a t e d 2 、c w rw e l d i n go fl a y i n gc o n s t r u c t i o no r g a n i z a t i o nh a sb e e nr e s e a r c h e d ，i n t e r m so fd e t a i l e da n a l y s i so fm a n p o w e r , e q u i p m e n t ，t e m p o r a r yf a c i l i t i e s ，c o n s t r u c t i o n d e s i g np r o v i d e s 3 、a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n t a l ，b a s ep a i r sl a y o u tf o rl o n g r a i lw e l d i n ga n d p r o d u c t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e nr e s e a r c h e d ，l i f t i n go p e r a t i o n sa n dp a r a m e t e r so f10 0 m e t e r sh e a v yr a i lh a sa n a l y s i st h r o u g ht e s t i n g ； 4 、w i mt h es p e c i f i cp r a c t i c eo f5 0 0 一m e t e r - l o n gr a i lt r a n s p o r t ，c o n s t r u c t i o na n d w e l d i n gp r o c e s s e ss c e n eu n i ta sar e s u l to ft h er e s e a r c h ，l o n gr a i lw e l d i n gp a r a m e t e r s h a sb e e ns t u d i e dt h r o u g hs i t et e s t i n g 5 、f i n a l l y ，t h et r a n s 1 0 c kc w r t r a c kt e m p e r a t u r ea n ds t r e s sr e l i e fh a sb e e b a n a l y s i s ，l i n el o c ko nw e l d i n gt e c h n o l o g ya n dp a r a m e t e r sb es t u d i e dw h i c hp r o v i d e g u i d a n c ef o rt h ep r o j e c t k e y w o r d s ：c o n t i n u o u sw e l d e dr a i l ( c w r ) r a i lw e l d i n g r a i l p a v i n g w e l d i n gu n i t l o c kw e l d i n g v 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果，撰写成工程硕士学位论文“跨区间无缝线路钢轨焊接及铺设 技术”。除论文中已经注明引用内容外，对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未 加注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 | 一作者签名：易哆棚 僻，明，多日 i i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如 下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保 存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手 段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅 览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和 电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名：锄 矽钠朋形日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名 年月日 i 月l , 日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 高速化、重载化是铁路的发展方向，日本、法国、德国是当今世界高速铁 路技术发展水平最高的三个国家。高速铁路的实际应用起源于日本，日本国铁 1 9 5 9 年开始建造东京至大阪的高速铁路，并在1 9 6 4 年开通全长5 1 5 k m 、时速 2 1 0 k m h 的东海新干线，随后开通大阪至博多全长1 0 6 9 k m 的山阳新干线。其后 日本又规划修建了东京一大阪一富山的北陆新干线、盛冈一青森的东北新干线延长 线、博多一鹿儿岛的九洲新干线、博多一长崎新干线、青森一札幌北海道新干线。 法国高速铁路实际运营稍晚于日本。主要线路有巴黎东南线( t g vp s e ) ， 时速2 6 0 k m h 。大西洋线( t g va t l a n t i g u e ) ，由巴黎通往大西洋岸，时速3 0 0 k m h 。 德国于1 9 8 2 年开始实施高速铁路计划，1 9 9 1 年开通了汉诺威一维尔茨堡、 曼海姆一斯图加特时速2 5 0 1 ( j n h 的高速城际线，2 0 0 2 年开通了科隆一法兰克福 间时速3 0 0 k m h 的高速铁路新线。目前，德国已建成高速铁路1 0 0 0 k m 。 2 0 0 5 - 2 0 1 0 年，我国将建设9 条客运专线，正线长度达到3 1 3 9k m ，修建桥 梁1 1 1 9k m ，隧道6 6 7k m ，铺设无砟轨道1 9 1 9k m ，铺轨多达6 5 0 0l 【m ，总投资 达到3 0 0 0 亿元以上。9 条铁路客运专线包括武广( 武汉一广州) 、郑西( 郑州 一西安) 、石太( 石家庄一太原) 、京津( 北京天津) 、合宁( 合肥一南京) 、 合武( 合肥一武汉) 、温福( 温州一福州) 、福厦( 福州一厦门) 和甬温( 宁 波温州) ，这9 条客运专线的立项标志着中国铁路建设一个新时代的来1 1 6 j 。 为满足行车安全、乘车舒适和准点行车的要求，铁路客运专线具有结构连 续、平顺、稳定、耐久和少维修的性能。高速铁路客运专线的一个重要特点是 安全可靠、高速平稳。轨道结构的可靠性、稳定性和高平顺性是客运专线铁路 安全可靠、平稳舒适、经济耐久运行的关键，传统的线路由于钢轨接缝的大量 存在，接头部位成为线路的薄弱环节，严重影响高速行车的平稳度和舒适度【。 无缝线路是轨道中最先进的结构，它是2 0 世纪轨道结构最突出的改进和创 新。由于消灭了钢轨接头，减少了列车在接头区的冲击和振动，从而大大提高 第1 章绪论 了轨道的平顺性，提高列车运行速度，增强旅客列车的舒适度，又减小了钢轨 病害和维修工作量，延长钢轨和枕木等部件的寿命，降低养护维修费用，因而 得到广泛应用【墨6 】。 跨区间无缝线路完全消除了钢轨接头，是一种新型轨道结构型式，彻底实 现了线路的无缝化。由于跨区间无缝线路适应高速与重载铁路的发展需要，早 在7 0 年代，各发达国家的无缝线路就大力向跨区间方向发展。德国铁路在1 9 9 2 年就有9 2 3 的轨道铺设了跨区间无缝线路。日本青涵隧道所铺无缝线路长轨条 长达5 3 7 8 k m 。 因此，客运专线轨道结构的主要设计特点是一次铺设跨区间无缝线路，大 力推广采用维修量小的无砟轨道。这就对长大无缝钢轨的材料、焊接及铺设施 工工艺及施工机械提出了更高的要求。 钢轨焊接是无缝线路建设工程中的关键环节。随着高速重载铁路的快速发 展，对钢轨材料的强度、耐磨性等提出了更高要求。由于钢轨强度级别提高， 截面越来越大，材料的可焊性越来越差。控制焊接过程与工艺参数，实现最佳 焊接温度场和顶锻变形，使焊头金属获得优异性能，对于保证线路工程质量， 减少或消除列车运行安全隐患具有重要意义【7 j 。 1 2 国内外研究现状 钢轨的搬运、铺设和焊接是铺设无缝线路的三大技术难题。 跨区间无缝线路作为一种新型轨道结构，在发达国家已经达到成熟阶段。 在我国，无缝线路的发展经历了三个阶段，线路的结构型式也相应地出现了三 种类型，即普通无缝线路：考虑自动闭塞区段绝缘接头的设置，桥梁、隧道、道 岔的衔接及施工养护维修的方便，两端尚有短轨组成的缓冲区，它是一种不完 善的无缝线路结构型式；区间无缝线路：为满足列车提速的需求，尽量减少钢轨 接头，把原来1 - 2 k m 长轨条焊连延长，使长轨条的长度达到或特别接近两个车站 之间的区间长度；跨区间无缝线路：这种型式的无缝线路的轨条将穿越桥隧、 车站，真正达到了“无缝”，完全消除了由钢轨接头和短轨形成的缓冲区。秦 2 第l 章绪论 沈客运专线作为我国第一条时速2 0 0 k m h 客运专线，其成功铺设跨区间无缝线 路，为后续工程提供了合理的参考意义。因此，研究分析其焊接及铺设施工工 艺及参数，对更合理科学的进行跨区间无缝线路设计，对我国跨区间无缝线路 施工技术有着重要意义。 1 2 1 钢轨焊接工艺及检测 钢轨焊接方法有闪光焊、气压焊、铝热焊、电弧焊，它们的接头质量与焊 接温度场和挤压形变模式密切相关i8 。1 1 1 。不同加热方式、变形模式下焊接质量差 异较大。 在四种钢轨焊接方法中，国内主要采用闪光对焊接、移动气压焊接和铝热 焊，因此大量研究集中在这三种焊接工艺上。我国高速重载无缝线路铺设广泛 采用高强度、高耐磨钢轨( 如u 7 4 ，u 7 1 m n 轨等) ，其焊接截面大，几何形状复杂， 可焊性较差。铁路全面提速后，对钢轨焊接技术及其焊接接头质量要求越来越 高。然而，焊接工况复杂，外界干扰因素多，工程施工人员对钢轨焊接工艺与 焊后接头性能变化规律认识欠缺，因而接头质量可靠性往往难以保证忉。 戴虹，吴细水【1 2 】( 2 0 0 5 ) 对国内外高速铁路( 客运专线) 长轨焊接的先进技术 和装备做了细致阐述，重点介绍了我国铁路铺设无缝线路所采用的焊接新技术、 新工艺和装备情况。 张新彬，王合春，韩秋红【1 3 】( 2 0 0 3 ) 在综述了世界高速铁路的钢轨焊接技术及 我国铁路钢轨焊接技术的发展情况的基础上，重点介绍了我国高速铁路钢轨焊 接技术标准。 高文会，任德亮、李向国等【1 4 。1 6 】( 2 0 0 4 - 2 0 0 5 ) 简要介绍我国铁路钢轨焊接 技术的现状，并将欧洲和日本高速铁路钢轨焊接方案进行对比，分析我国钢轨 焊接技术应用于客运专线的可行性和需要解决的技术问题。分析全路钢轨焊接 质量现状，简介国外钢轨焊接质量管理及先进技术，指出国内钢轨焊接行业存 在的问题，提出了钢轨焊接技术的发展方向及建议。 朱峰【1 _ 7 】( 2 0 0 4 ) 根据p d 3 钢轨的焊接工艺要求，使用k 1 9 0 焊机和国产k 9 0 0 焊机 第1 章绪论 进行了大量的焊接试验，比较了连续闪光焊与脉动闪光焊在焊接p d 3 钢轨时其接 头机械强度方面的差别以及焊接接头的加热特点、冷却过程等特点。重点研究 了k 9 0 0 焊机脉动工艺规范的特点，脉动焊工艺参数对焊接接头性能的影响规律、 脉动闪光焊工艺与焊接缺陷的关系及缺陷产生的原因，并对如何消除焊接缺陷 尤其是控制灰斑数量做了积极的探讨，并提出了制定脉动焊合理工艺规范的一 般准则。通过正交设计安排试验，研究得出了脉动闪光焊焊接6 0 k g mp d 3 钢轨的 最佳工艺参数，对连续施焊的2 5 只焊接接头进行落锤、1 5 只进行静弯等一系列试 验结果全部达标，满足了连续生产的需要。 邓必孟( 2 0 0 2 ) ，王辉( 1 9 9 7 ) ，廖东波 i s 2 0 】( 2 0 0 4 ) 根据超长钢轨气压焊机 的特点和超长钢轨气压焊的工艺要求，针对原有的控制系统存在的问题，对气 压焊自动控制系统的软、硬件进行了研究与设计，研发成功了一套适用于超长 钢轨气压焊的自动控制系统。新型控制系统工作稳定可靠，操作方便，控制精 度高，参数调整灵活，使用它可极大的降低工人劳动强度，排除人为因素的干 扰，确保焊接质量。为实现现场移动式钢轨气压焊法的自动化迈出了坚实的一 步。 冯如林，卢津，邹定强等】( 2 0 0 4 - 2 0 0 5 ) 通过对多起焊接接头伤损典型 案例的分析研究，综合描述几种轨腰裂纹的断裂形态以及裂纹源区的断口宏观 形貌、金相组织等典型特征，确定在焊接前轨端存在轨腰裂纹是导致接触焊焊接 接头形成轨腰纵向、斜向裂纹和横向断裂的主要原因，并分析讨论了轨端、轨腰 裂纹产生的原因。结合现场实际，针对产生各种缺陷的原因进行充分分析，逐一 提出消除其缺陷的措施，以提高钢轨焊接质量。对造成气压焊焊接质量的原因进 行了分析，从设备、管理、人员素质、技术监督和技术创新等方面提出了解决质 量问题的对策措施。 李东侠【：4 】( 2 0 0 5 ) 介绍了法国拉伊台克q p _ _ c j 铝热焊的工艺特点，分析钢轨 接头铝热焊焊接质量不合格的原因，提出调整两钢轨端头高低差、整修焊缝间 隙、焊头金属打磨等焊接质量控制的具体措施，并对关键步骤的注意事项进行了 4 第1 章绪论 说明。 高文会【2 5 】( 2 0 0 3 ) 通过比较连续闪光焊与预热闪光焊接过程中，闪光接触电 阻、电流密度、闪光速度、热影响区分布、项锻过程等的变化规律，研究了优 佳工艺规范的特点、闪光焊工艺与缺陷的关系及缺陷产生的原因，提出了制定 优佳工艺规范的准则。 戴晓纲、黄建平、刘文源等( 蓐2 3 1 ( 2 0 0 4 ) 编制了高速采集和数据处理软件。 把高速采集应用在钢轨闪光焊的焊接参数的采集中，得到了在5 0 k h z 采集频率下 的焊接电流、焊接电压、烧化量等焊接质量参数的瞬时值；再根据在焊接过程 中短路、断路、闪光时焊接电压、电流的特点，来判断焊接过程中的焊接状态， 从而得到焊接过程加速阶段闪光率和低压i i 阶段的闪光率：同时，通过数据处 理，得到焊接总时间、焊接接头能量输入、烧化量。在此基础上，基于线性回 归方法建立了焊接接头落锤质量和焊接过程特征量之间的关系方程，利用该方 程，可以对接头的焊接质量进行预测和评判。针对目前焊轨接头质量不稳定的 工程实际问题，采用程控调压方式，对电流进行恒值控制，使钢轨焊接接头质量 稳定。 董平禹，杨来j i l 页e 2 9 3 0 1 ( 2 0 0 5 ) 分析落锤试验的受力、落锤试验在钢轨焊接中 的意义及其在国内外的应用状况，提出减少试验接头数量的建议。 闫军强【3 1 】( 2 0 0 4 ) 利用有限元分析软件a n s y s ，对钢轨气压焊温度场进行了 模拟计算，借助g l e e b l e - 2 0 0 0 热模拟试验机对钢轨焊接挤压变形过程进行了模 拟实验。在此基础上，开发专用焊接工艺参数采集系统，检测数字化钢轨气压 焊机焊接过程工艺参数，研究了压力控制方式对钢轨焊接质量的影响，提出了 钢轨焊接适用的恒位移控制与变速顶锻控制的质量控制新技术和新方法。 国外发展无缝线路钢轨焊接技术各有特点肛4 3 1 。前苏联正线钢轨焊接只采用 接触焊方法；日本高速铁路钢轨焊接经历了一个对各种焊接方法逐步认识、改 进、提高和完善的过程，采用闪光接触焊和气压焊一次焊接，将标准钢轨在厂 内或基地内焊成长钢轨，二次焊接、三次焊接多采用铝热焊、强迫成形电弧焊 第1 章绪论 和气压焊，即在铺设现场将钢轨焊成超长无缝线路。德国的铝热焊技术发展较 早。多年来德国在铁路上全面采用铝热焊接技术，使铝热焊焊接技术得以不断 改进，目前现场普遍采用的“短时预热快速铝热焊法”，几乎成为德国联邦铁 路现场焊连钢轨接头的惟一方法。其特点是改进了预热的加速器，将铝热焊的 预热时间大大缩短，并改善了接头的材质性能，使焊接接头更加可靠。法国在 高速铁路钢轨焊接技术上发展较快，基地焊接采用先进的接触焊法，现场线上 焊接有移动式接触焊和一次性坩埚铝热焊，可成功地完成一个钢轨接头的焊接， 有严密、完整的焊接工艺。从到焊接现场前的准备工作、焊接现场的准备工作、 轨道的准备工作、钢轨端头的准备、钢轨端头的对正、砂模的准备、预热、焊 药包的准备、浇注、拆除砂模和推瘤、热打磨、冷打磨到收尾工作共分6 个步骤。 k r i s t a n ，j o s e p h ，m a n s o u r i ，h ，k i s h ，a n d r e “3 2 - 3 4 ( 2 0 0 4 ) 等对闪光焊接原 理及工艺作了深入研究，对焊接温度控制对质量的影响做了分析。j u d g e ，t o m t 3 5 - 3 6 ( 2 0 0 4 ) 对国外最新焊接设备及工艺做了阐述分析。s h i t a r a , h i d e k i ，t e r a s h i t a , y o s h i h i r o ，l i 驰n a m - h y o u n g ，s k y t t e b o l ，a n d e r s t 3 7 - 4 0 l 对焊接的质量检验，焊接接 头破坏因素做了分析，对焊接控制的温度场和接头残余应力做了研究。 k o s t e r m a n n ，h e i n f i c h ，l e a ，f u it o n g ，a n o n t 4 1 - 4 3 对钢轨焊接质量控制工艺及质量 保证体系做了研究，对铝热焊和气压焊接的应用做了展望。 跨区间无缝线路必须将钢轨与道岔焊接起来。许多国家采用的固定式辙叉 多为高锰钢辙叉，而钢轨的材料却为碳素钢，在进行道岔的焊接时，涉及到异 种钢焊接问题。通常道岔与钢轨的焊接多用现场气压焊方法和铝热焊方法。目 前，国外对于辙叉与钢轨的焊连，通用的有两种方法：一种是在工厂把锰钢辙 叉两端焊连一块过渡轨块，使钢轨得以与过渡轨块焊连，从而解决锰钢辙叉与 碳素钢轨难以焊接的问题；另一种是采用钢轨组合式辙叉，这种辙叉是在工厂 把钢轨焊连成整体辙叉并进行热处理【5 6 1 。 综合考虑，压焊方法焊接质量好，其原因在于在焊接工序中都对钢轨接头 施加了足够的项锻力，有特殊的挤压变形过程。通过项锻挤压变形，使焊口与 6 第1 章绪论 热影响区获得良好塑性变形，不仅将钢轨端面的氧化物夹杂、高温过热金属排 挤到毛刺中去，保证了端面金属紧密接触而充分交互结晶，而且变形量适度， 不会引起夹杂、撕裂等焊接缺陷。 1 2 2 焊轨基地布置方案 杨路帆【删( 2 0 0 4 ) 根据高速铁路的技术条件，在客运专线现场长钢轨焊接 生产线布置的基础上提出了一种新的生产线布置方案。该方案与前一种方案的 区别在于改变了生产线各工位设备的工作节拍，由一节拍的连续工作改为两节 拍的间断工作。与前种方案相比，虽然增加了工作时间，但与整个铺轨生产效 率相协调，并缩短了焊轨线的总长度等，对于现场施工具有很大的经济意义。 孙立本，耿锦，贾炳义【4 5 1 ( 2 0 0 5 ) 姚东升，侯守望( 2 0 0 6 ) 针对浙赣铁路时 速2 0 0k m 长钢轨基地焊接的特点及焊接要求，比较了各个铁路局和工程局的焊轨 生产流水线布置的优缺点，提出了l 形平面布置方案。 张开柏，姚东升【纠8 】等对基地焊接布置及焊接设备、工艺做了研究。 1 2 3 长钢轨运输及铺设 赵彦旭【删( 2 0 0 6 ) 结合既有线改造施工，提出采用一次铺设无缝线路的方案， 在关键工序中解决了长轨条倒运、无缝线路铺设方法和拨接转线不干扰行车等 问题，减少了封闭线路次数，高效安全完成施工任务。 杜万英，李连顺等【舢删( 2 0 0 5 ) 以秦沈线为例，阐述了单枕法一次铺设无缝 线路施工工艺中基地焊接长钢轨、长钢轨存放、铺设底砟、铺轨、工地焊接、 应力放散及锁定的工艺流程和注意事项。 耿锦，潘声启，张虎【5 5 】( 2 0 0 5 ) 针对时速3 0 0k i n 铁路客运专线无缝线路的特 点及长钢轨焊接要求，对无缝线路长钢轨运输及吊装方案进行了初步研究。 长大无缝钢轨施工方面，2 0 0 5 年1 2 月，在浙赣电气化铁路提速改造工程诸 暨铺轨试验段，由我国研制生产的c p g 5 0 0 型长轨条铺轨机成功铺设5 0 0 米长轨 排，标志着完全拥有自主知识产权、国产一次性铺设5 0 0 米长轨条铺轨机研制 试验成功，为大范围无缝线路铺设提供了良好的技术支持。【删1 7 第l 章绪论 1 2 4 应力放散及线路锁定 m s j 民【6 1 】( 2 0 0 3 ) 从无缝线路的基本原理入手，应用“二次松弛计算法 分析了无缝道岔温度力和变形分布。依据铺设无缝线路的成功经验，提出提高 “零应力轨温 锁定和“应力放散中心”理论，在综合效益最佳的前提下，解 决跨区间无缝线路的单元轨条的铺设及应力放散施工问题。待中和轨温条件下 对区间无缝线路与无缝道岔进行焊联，便完成了跨区间无缝线路的铺设施工。 马丁乙，曹俊鑫【谗6 3 】( 2 0 0 5 ) 论述了进行无缝线路合龙锁定焊作业时，拉伸 应力对钢轨闪光对焊过程、焊接接头热处理过程和接头质量可靠性的影响，提 出了避开拉伸应力影响的“超拉伸、临时工艺锁定、挑曲线”的无缝线路合龙 锁定焊的闪光对焊工艺。 韩歧东，林宝民，王金山等【“侧( 2 0 0 2 ) 跨区间无缝线路切口拉伸撞轨放散， 先锁定后焊接，既能使锁定轨温准确、应力均匀，又能保证焊接质量。 1 3 本文研究内容 针对跨区间无缝线路存在的一些问题，结合新建铁路合宁线无缝线路铺设 工程背景，本文对无缝线路焊接工艺、施工方案及设备、长钢轨吊运及基地焊 接制作工艺、无缝线路铺设及锁定焊作了研究，具体内容包括： 1 、无缝线路钢轨焊接技术 对国内外目前主要的无缝线路钢轨焊接方法做了分析，对各种焊接方法的优 缺点做了分析，通过对比，结合我国铁路实际情况，对适合我国的钢轨焊接方 法做了研究。 2 、施工方案及设备 结合合肥南京线无缝线路铺设工程，对无缝线路施工工艺流程，施工设备及 参数，施工质量控制标准及措施等做了详细阐述。 3 、基地焊接工艺 针对合肥一南京线铺轨工程，对焊轨基地布置方式及工效做了分析，对1 0 0 米重轨吊运做了试验研究，对长轨条基地焊接工艺做了研究。 第1 章绪论 4 、工地单元焊接工艺 对5 0 0 米长钢轨的吊装、运输设备及工艺做了研究，通过现场试验对工地单 元焊接工艺及参数做了研究。 5 、应力放散及锁定焊 对线路应力放散和锁定条件做了分析，对应力放散方法及步骤做了描述，研 究了无缝线路锁定焊接方法及工艺。 9 第2 章无缝线路焊接技术 第2 章无缝线路焊接技术 无缝线路的钢轨焊接方式主要有接触( 闪光) 焊、气压焊、铝热焊、电弧焊。 无缝线路的钢轨焊接技术已成熟，基本满足重载、高速铁路的要求，接触焊、 气压焊、铝热焊、电弧焊、各有特点，它们的质量水平，主要取决于对控制水 平，特别是设备的自动化控制以及人员素质水平。 2 1 钢轨焊接工艺 2 1 1 钢轨焊接方法 钢轨长度受制于制造、运输、铺设和养护方面的技术，目前各国一般采用分 步焊接钢轨的办法，先在焊轨厂或焊轨基地将钢厂生产的2 5 m ( 新建客运线采用 5 0 m 或l o o m ) 标准轨进行闪光焊接，连接成2 0 0 , - - ，5 0 0 m 的长轨条，再用专用运轨车 将长轨条运到铺设施工工地，通过现场焊接将长轨条连接起来成为9 0 01 5 0 0 m 的单元轨节，现场焊的主要方式为铝热焊和气压焊，目前也在尝试闪光焊1 2 】。对 跨区间无缝线路铺设后需进行三次焊接，即采用铝热焊或者移动气压焊等方法 将单元轨焊连。由于闪光焊和气压焊接头为致密锻造组织，接头韧性好，尤其是 闪光焊，伤损率低，具有明显的优势。 闪光焊主要依靠引进国外先进的焊轨设备；铝热焊主要采用法国、德国铝 热焊设备和焊剂，还有少量为国产；气压焊设备主要为国产设备，目前已研制出 数控技术，基本消除了人为因素的影响，可使焊接质量显著提高。在这几种焊 接方法中，焊接原理和使用的侧重点不同 1 z - 1 3 1 ： 1 、接触焊( 闪光对焊) 接触焊主要是利用电流通过电阻时所产生的热量熔接焊件，再经顶锻以完 成焊接，如图2 1 所示。其特点是设备的自动化控制水平高，焊接质量高。 接触闪光对焊是各国铁路无缝线路中使用最广泛、也是最主要的钢轨焊接 方法，其焊接质量优良、力学性能接近钢轨母材。其主要分为连续闪光焊、预 热闪光焊和脉动闪光焊三种方式【3 - 1 1 1 。 2 、气压焊 l o 第2 章无缝线路焊接技术 气压焊主要是人工操作气压焊设备、用氧一乙炔火焰加热端头，利用气体 燃料燃烧产生的热能将轨端加热到塑性状态或熔化状态，使其产生塑性凸起、轨 头出现“镜面溶池一，再加一定的顶锻压力，随之高压项锻形成接头，将施焊的 金属构件焊接端形成连接，如图2 2 所示。气压焊的一次性投资小，无需大功率 电源，焊接时间短，焊接质量好，一般在现场焊接中使用。其缺点是焊接时对接头 断面的处理要求十分严格，并且在焊接时需要钢轨有一定的纵向移动，因此对超 长钢轨的焊接有一定难度，特别是无法进行跨区间无缝线路的线上焊接降1 1 j 。 电极 焊件 。 趔塑 图2 1 接触焊原理图2 2 气压焊原理 移动气压焊接在日本铁路长轨条焊接中大量采用，我国铁路也在使用。 良好的气压焊接接头力学性能接近钢轨母材，但对焊接技术要求较高。焊 接质量的稳定性和外观平顺性与焊工素质、压接机质量及焊接工况紧密相关。 “光斑和“未焊合”是气压焊接头结合面上出现的主要缺陷，大面积“光斑 易造成线路上焊接接头断裂。 3 、铝热焊 铝热焊接是采用铝和重金属氧化物的混合物为焊剂，将铝热焊剂放入坩锅 燃着后剧烈放热，从而将钢轨预热，坩锅内融化的钢水流入砂模中，从而实现钢 轨的焊接。铝热焊设备简单、操作方便，但性能较差，必须加强现场的试验检查。 铁路上常用的钢轨铝热，其实质是冶金铸焊，焊头力学性能及各项检验指 标均比闪光焊低。气孔、夹渣、裂纹及未熔合是铝热焊缝的主要缺陷，也是造 成焊头断裂的直接原因【8 以1 1 。铝热焊在各国应用情况有所不同，日本规定在新干 第2 章无缝线路焊接技术 线上不得使用，而法国、德国的铝热焊都达到了较高的质量水平。 4 、电弧焊 电弧焊的工作原理是焊工使用电焊条或焊丝与钢轨端面产生电弧电热熔 化，冷却后形成对焊焊头，属于熔化焊方法。在日本用于单元轨节的焊接。一 般在现场用于维修工作，焊接金属能达到母材的机械性能，硬度和耐磨强度有 时甚至超过钢轨质量。钢轨电弧焊在国外已有较长的发展历史，但在我国尚处 起步阶段。这种方法焊接时间长，而且对焊接工艺、焊工技术要求很高，焊接 质量稳定性较差1 1 。 各种钢轨焊接方法及特点见表2 1 。 表2 - 1钢轨焊接方法及比较 焊接方法热源温度特点挤压形变质量 闪光焊电弧、电阻热准热液体均匀热液体挤压形变。交互结晶很好 气压焊气体燃烧不均匀热体热塑性，交互结晶好 铝熟焊置换放热 热液体 烙池结晶( 单层) 一般 电弧焊电弧热液体熔池结晶( 多层)差 无缝线路钢轨焊接技术主要有上述几种工艺方法，但各国发展无缝线路钢 轨焊接技术不尽相同，各有特点。日本高速铁路钢轨焊接经历了一个对各种焊 接方法逐步认识、改进、提高和完善的过程，采用闪光接触焊和气压焊一次焊 接，将标准钢轨在厂内或基地内焊成长钢轨，二次焊接和三次焊接多采用铝热 焊、强迫成形电弧焊和气压焊，即在铺设现场将钢轨焊成超长无缝线路。前苏 联正线钢轨焊接只采用接触焊方法。在世界各国铁路中，德国的铝热焊技术发 展较早。多年来德国在铁路上全面采用铝热焊接技术，使铝热焊焊接技术得以 不断改进，目前现场普遍采用的“短时预热快速铝热焊法”，几乎成为德国联 邦铁路现场焊连钢轨接头的惟一方法。其最大特色是改进了预热的加速器，从 而使铝热焊接头的焊接时间大大缩短，并改善了接头的材质性能，使焊接接头 更加可靠。法国在高速铁路钢轨焊接技术上发展较快，基地焊接采用先进的接 触焊法，现场线上焊接有移动式接触焊和一次性坩埚铝热焊，可成功地完成一 1 2 第2 章无缝线路焊接技术 个钢轨接头的焊接，有严密、完整的焊接工艺1 1 2 - 1 3 1 。 2 1 2 焊接技术标准 钢轨焊接是铺设无缝线路的重要环节，其几何外形尺寸的平顺和内部质量， 是保证无缝线路正常运营的关键。随着我国铁路高速、重载和安全技术的发展， 对钢轨焊接提出了越来越高的要求。实践证明，若钢轨焊接质量不良，将给线 路维修工作带来很多麻烦，严重者会危及行车安全。我国普通无缝铁路钢轨采 用中国铁道行业标准t b t 1 6 3 2 - 1 9 9 1 钢轨焊接接头技术条件作为钢轨焊接接 头的质量验收标准，十多年来，该标准对保证我国钢轨焊接质量起到了积极的 作用。秦沈客运专线在此基础上提高了钢轨焊接接头的几何偏差控制标准，制 定出秦沈客运专线有砟轨道工程施工技术细则。秦沈客运专线要求长钢轨 焊接采用基地接触焊，在正式焊接前必须按照标准由铁道部指定的权威机构进 行焊接接头形式检验，并确定相应的焊接工艺参数；在正式生产后每焊接5 0 0 个 钢轨接头需进行一次周期性生产检验【1 4 l 。 结合我国钢轨焊接现状，并参考国外钢轨焊接技术标准，我国对钢轨焊接 标准进行了修订，标准名称为钢轨焊接。新修订的标准沿用了t b t 1 6 3 2 1 9 9 1 的一些规定，同时参考了欧洲钢轨闪光焊标准草案，增加了过程控制方面的内 容。新修订的标准将促进国内钢轨焊接企业的标准化管理。 工地钢轨焊接时，宜在整道基本作业完成、线路基本达到稳定后实施，可 用接触焊、铝热焊和气压焊，优先采用接触焊。工地钢轨焊接应符合长钢轨布 置图，焊缝及两侧各1 0 0 m 范围内不得有明显压痕、碰痕、划伤等缺陷，焊头不 得有电击伤。根据我国时速3 0 0 公里高速铁路发展的需要，铁道部已制定出高 速铁路钢轨焊接接头技术条件，作为对高速铁路钢轨焊接接头质量的验收标 准。表2 2 是参照法国铁路标准并结合我国焊接标准列出的焊接接头允许几何偏 差值【1 6 】。 表2 - 2 焊接接头允许几何偏差( 咖m ) 第2 章无缝线路焊接技术 1 b vt b t1 6 3 2 一1 9 9 i綦沈客运专线 缀建赢泸尚遽铁路 检溯韶位 接舷缛键压绎镪热锑 接齄簿锯热焊接触焊 铝热镩接触嫜 曳魇绎锻热绨 气压焊 辕疆藩0 一o 20 2 0 一o 35 o 加3啦- o 3o 由20 0 2 软头内饲 o 田2曲3供旬3蝴5o 糠3蝴3 o 啦蝴| 3 工作西 轨残l 0 - - 0 20 - - 0 50 加5班铂5 2 2 钢轨焊接质量分析 2 2 1 钢轨焊接质量现状 钢轨焊接是无缝线路的基础，是铺设无缝线路的一个重要环节，焊接质量 是保证无缝线路正常运用的关键。 钢轨焊接国内外普遍采用的主要有4 种方法：闪光对焊、气压焊、铝热焊和 电弧焊。我国主要采用前3 种焊法，电弧焊在铁路上较少采用。据1 9 9 8 - 2 0 0 0 年 统计结果，闪光焊接头约占我国无缝线路接头总数的8 7 ，气压焊接头约占接 头总数的1 0 ，铝热焊接头约占接头总数的3 【”】。闪光焊与气压焊的接头强度 大致相同，而且两者接头强度都大于铝热焊。气压焊接头没有闪光焊接头中的 脱碳层，脱碳层对接头强度产生的负面效应随钢材强度级别的增加而更加显著， 因此从理论上讲，气压焊的接头强度至少不小于闪光焊的接头强度，但由于气 压焊对操作人员要求较高。铝热焊接头是铸态组织，其强度低于闪光焊和气压 焊的接头强度。 从接头外观质量方面比较，固定式闪光焊在工厂内焊接，闪光焊机有先进 的自动对中系统，焊后用精磨机打磨接头，因此接头外观质量最好；移动式闪 光焊在国外主要应用于现场焊接短轨，在国内主要应用于地铁，还没有应用于 铁路正线现场焊接长轨。而气压焊和铝热焊主要在现场进行操作，需要人工辅 助设备实现对中，但在焊接过程中，铝热焊没有顶锻过程，因此铝热焊接头的 外观质量并不次于闪光焊：气压焊存在项锻过程，控制气压焊接头的外观质量 比较困难。 1 4 第2 章无缝线路焊接技术 从焊接接头质量稳定性方面比较，固定式闪光焊最好，铝热焊次之，气压 焊对焊工素质要求较高，不容易控制稳定性。 2 2 2 钢轨焊接质量问题分析 钢轨焊接质量受到众多因素影响，从材质上讲主要受钢轨母材和焊接方法 影响，从技术上讲主要受焊接工艺和操作水平影响。总的来说，钢轨焊接质量 问题主要分为焊接技术和质量控制两个方面f ”j 。 1 、焊接技术【1 5 1 ( 1 ) 钢轨母材 钢轨成分不同，采用不同焊接方法时的内部组织转变机理不同，形成焊接 缺陷的敏感性也不同。目前对钢轨焊接性的评价偏重于使用焊接性，对工艺焊 接性和热焊接性研究不够。闪光焊是熔化压力焊，气压焊是塑性压力焊，铝热 焊有填充金属，这三种方法机理不同，应分别进行工艺焊接性的研究，不能以 一种方法取代其他方法。 ( 2 ) 焊接设备 对于闪光对焊，国内现有8 种型号的钢轨闪光焊机，分别是：g a a s 8 0 7 0 0 、 g 从s 8 0 5 8 0 、k 1 9 0 、k 9 0 0 、k 9 2 0 、k 1 0 0 0 、z f r llg c 4 t 、h v l s 5 0 15 1 。不同的设备 型号、不同的设备状态具有不同的质量稳定性，特别是在焊接高强度钢轨( 如 p d 3 ) 时，焊接质量的差异尤为明显，因此需要对焊轨设备进行专业评估。 对于气压焊，其设备有待进一步改进，气压焊焊接钢轨时，钢轨对位由人 工控制，火焰状态及加热过程也主要靠人工控制，因此气压焊质量受焊工素质 和熟练程度影响很大。 一 此外，由于闪光焊等焊接设备都是依赖进口，因此进口设备使用不良，配 件投入少的情况在闪光焊方面尤为突出。多数焊轨厂都配备了国际上较为先进 的进口设备，诸如除锈机、焊机、矫直机、精磨机等，保修期过后，对设备的 保养、检修都由焊轨厂自行解决。通过对国外负责售后服务的相关技术人员调 查反映，国内有些焊轨厂在设备保养、检修方面做得不到位，比如使用的润滑 第2 章无缝线路焊接技术 油牌号不对，降低了设备的精度或造成设备严重损伤；电气连接件没有定期检 查；设备长期使用后不进行必要的检查和标定等等。有的铁路局对进口设备的 养护费用投入太少，没有足够的配件储备。有些焊轨厂开发了一些国产化配件， 但是缺乏全面的跟踪考核评价，在全路范围内，配件国产化没有实现规范化。 设备状态不良甚至带病作业，影响接头质量f ”】。 2 、质量控制【1 5 l ( 1 ) 规范不健全 现行铁路钢轨焊接规范“钢轨焊接接头技术条件( t b t 1 6 3 2 1 9 9 1 ) 一侧重 接头性能的检验，缺少过程控制的内容。国外的标准都强调过程控制。过程控 制不仅应包括焊接过程中关键的技术要求，也应包括施工资质、检验及批准的 程序等广义的控制要求。即现有规范需要从质量检验和质量保证体系的转变。 ( 2 ) 标准执行不善 现场施工中焊接规程没有得到很好的执行，许多焊轨施工组织不能完全执 行铁道行业标准( t b t 1 6 3 2 一1 9 9 1 ) ，没有很好的控制试验项目的完整性，没有 全部完成标准中规定的试验项目就开始上线作业。许多焊轨施工组织缺乏健全 有效的管理体制。现场焊接出现问题时，没有完善的解决处理程序。有的施工 组织在焊轨现场没有技术人员监督指导，焊接质量完全依靠焊工的责任心，因 此容易导致质量失控【1 5 】。 ( 3 ) 操作人员、设备及资质不合格 上海铁路局在8 0 年代末对气压焊的焊接光斑进行了改善，取得了成效，提 出了气压焊质量优于铝热焊，而有的铁路局操作人员没有真正的掌握气压焊技 术，而判断为气压焊质量比铝热焊差，全面否定气压焊。 钢轨焊接行业没有行业施工准入制度，施工组织缺乏资质认证和约束。有 些焊轨施工单位，在没有组织焊工培训并取得相应的操作许可证，没有完善的 焊轨质量管理体系，甚至在每年的焊轨任务量很少的情况下，购买了设备，只 完成了接头的部分检验项目后，就上道焊轨，这种现象在气压焊方面尤为严重。 1 6 第2 章无缝线路焊接技术 没有准入制度，缺乏资质认证，就难以对施工组织进行规范和约束i 1 5 1 。 我国在各铁路局管辖内的焊轨工程施工，一般都是在完成某一区