无缝线路焊接、锁定施工技术.doc

无缝线路焊接锁定施工技术长钢轨铺设完成后，要进行线路的上碴整道作业。工地单元轨节钢轨接头的焊接宜在整道基本作业完成、线路基本达到稳定后实施。在长钢轨焊接成单元轨节后，并且道床达到初期稳定状态、道床断面基本达到设计要求时，进行无缝线路的应力放散和锁定焊接。目前国内铺设无缝线路的长钢轨，在工厂焊接采用接触焊，现场单元轨节焊接和锁定焊接大部分采用气压焊，少量采用铝热焊。秦沈客运专线轨道工程施工时工地钢轨焊接采用的是铝热焊。工厂焊接环境条件较好，焊接质量、精度容易达到标准要求。现场焊接要采取一些特殊的措施和工艺才能保证焊接的质量。工地移动接触焊作业车在焊接的辅助工作完成后，焊接过程按设定程序进行，焊接质量相对容易保证。气压焊同接触焊同属于高温塑性状态下的焊接，但是由于焊接过程是手工操作，受工作环境、气候、机具以及操作人员经验和水平差别的影响，焊接接头的质量具有较大的波动性。铝热焊由于焊接接头是铸造结构，强度较差，同样受客观条件的影响，加上没有监控系统，铝热焊焊接接头的质量也不够稳定。京沪高速铁路规定工地钢轨焊接应采用接触焊和铝热焊，不再允许使用质量难以保证的气压焊，并且推荐优先采用接触焊，在能够采用接触焊的地方尽量避免铝热焊接头的出现，以保证焊接接头的高可靠性。第二节 移动式焊轨车焊接施工技术一、焊接设备及主要技术参数悬挂式钢轨焊机是一种体积小、重量轻、效率高的移动焊轨设备。它对焊接实施过程控制，并采用先进的连续闪光技术，焊接性能优异，焊接工艺稳定。焊机主要由以下几个部分组成：焊机、电气控制系统、焊接数据采集监控系统、液压泵站、冷却系统。整个焊接过程是自动进行的，由可编程控制器实现对电压、电流、位移、压力等焊接参数的控制。自动焊接的过程大致可分为五个阶段；预闪、高压闪光、低压闪光、加速闪光、顶锻。焊机是工地钢轨接触焊作业车上最关键的设备，目前国外焊轨车上安装的焊机主要有三种。一是K900型焊机，这是K355型的改进型，它是由乌克兰巴顿焊接研究所研制成功并生产的，目前世界上各国焊机作业车大多选用这种焊机；二是K920焊机，它是巴顿公司近年研制生产的；三是AMS50型悬挂式焊机，它由瑞士拖拉特公司研制生产的，这三种焊机都比较成熟。K900和AMS-50的夹紧力和顶锻力小，线路上的长钢轨长度在200500m范围内甚至更长，现场焊接钢轨需要克服较大的摩擦力，这两种焊机很难拉动一根长钢轨按照连续闪光焊的送进要求实现连续烧化和顶锻。当加速烧化后的快速合缝顶锻速度低于20mm/s时，焊缝极易出现焊接缺陷。K920型焊轨机增大了焊接时对钢轨的夹紧力和顶锻力，现场焊接长钢轨更为有利。集团公司和上海局科学技术研究所合作研制的移动式焊轨车采用的是K920焊机，动力参考国外焊轨车，配套进口依维柯400KW发电机组，电气控制系统都采用进口的配件。在武汉轻轨项目焊接PD360Kg钢轨通过了焊接型式试验，并生产了将近2000个焊头，焊接质量优良，机械性能稳定。其主要技术参数见表6-1。 K920焊机主要技术参数 表6-1序号项 目技术参数1额定功率KW210KVA2工作电压V4003频率HZ504最大夹紧力T2505最大顶锻力T1006对准精度达到0.3mm7焊接时间S2008机头重量Kg30009夹紧、顶锻驱动力液压10对准方式以轨腰中心为基准（固定）11动架行程7012可焊钢轨最大截面积1000013焊接控制手段AB公司SLC503可编程控制器14数据采集及监视方式用PC机显示、存储数据、判断焊接结果，并可打印图形、报表15机头体积（长×宽×高）1590×965×130016机头重量（Kg）3000二、焊接施工工艺1、工艺流程图钢轨预处理接头对正焊接焊缝正火焊缝打磨焊缝探伤焊缝验收图6-1 工艺流程图2、施工工艺说明（1）钢轨预处理锯配轨检查钢轨轨端是否有损伤、压塌、扭曲及平直度超标的情况，并将检查出的受损钢轨截锯掉。如果焊接的是锁定焊接头，应用方尺测量钢轨左右两股的相错量（不大于10cm）,根据需要进行锯配轨。垫轨、拉轨松开扣件，用起道机抬起钢轨，并将活动端的钢轨支撑在滚轮上，用机头的夹紧装置拉轨，当轨缝太大时可采取其他措施拉轨。钢轨出锈打磨钢轨端面和轨腰钳口夹持处应进行打磨，轨腰打磨位置为距轨端100350mm范围内，经打磨的表面要露出金属光泽，不得有锈斑。如此范围内有凸出厂标、字母等符号必须用砂轮机打磨掉。（2）接头对正用吊轨支架吊起钢轨,利用吊轨支架上下、左右移动钢轨来完成钢轨的对正。钢轨对正后用机头钢轨夹紧装置夹紧钢轨，在夹紧钢轨的同时，对中系统能将两根钢轨沿钢轨中轴线对中，以满足焊接公差要求。（3）焊接钢轨可靠的夹紧、对中后，调整轨缝隙约2mm左右，便可以开始焊接。焊接由可编程序控制器自动控制焊接电流、电压、位移、压力等参数，焊接时间约两分钟，焊接完成后焊机自动完成推瘤。计算机组成的焊接数据采集系统采集焊接过程的全部技术数据，绘出焊接参数曲线图，通过对技术数据进行分析，自动判断焊接是否合格。如焊接不合格须锯轨重新焊接。焊接参数通过打印及硬盘保存的方式，保证每个焊接接头焊接数据的可追溯性。（4）焊缝正火待焊缝温度冷却到500以下，对焊缝进行正火处理。正火温度为850900。（5）焊缝打磨利用仿型打磨机打磨焊接接头的轨顶面各侧面，轨头、轨底上圆角在1m范围内应园顺，不允许横向打磨，母材打磨深度不超过0.5mm。焊头在轨底上表面焊缝两侧各150mm范围内及距两侧轨底角边缘各为35mm的范围内应打磨平整。焊缝隙两侧各100mm范围内不得有明显压痕、碰痕、划伤缺陷，焊头不得有电击伤。打磨时不能使钢轨“发蓝”。打磨时若温度过高，要适当暂停打磨，待温度适宜时再进行打磨。（6）焊缝探伤焊缝探伤分为目测和仪器检测。焊缝表面的缺陷主要有电击伤、划伤、碰伤的可以通过目测判断；焊缝内部的缺陷主要有过烧、灰斑、夹杂、未焊透等，需要通过仪器进行探伤。（7）焊缝验收焊缝探伤合格后应检查其外观尺寸。钢轨焊头应纵向打磨平顺，不得有低接头，用直尺和塞尺等工具测量钢轨焊头的平直度。三、配套机具设备配套机具设备见表6-2表6-2 序号名 称数 量型 号1正火设备1套2轨道车1台3端面打磨机1台4手持砂轮机2台5仿形打磨机1台EGH26吊轨支撑架4件自制7探伤仪1台CTS-23B型8直轨机1台7509锯轨机1台HC33510滚轮自制11红外测温仪1台MX212起道机8台四、技术标准1、焊接接头试验标准在下列情况下应进行焊接型式检验：钢轨焊头试生产时；采用新轨型、新钢种；调试工艺参数时和周期性生产检验结果不合格。焊接周期性生产检验是每焊接500个钢轨焊头作为一批进行周期性生产检验。钢轨焊头的型式检验、周期性生产检验的项目和内容应符合钢轨接头焊接技术条件的相关要求。2、焊接质量检验（1）焊缝必须进行超声波探伤，焊缝质量应符合规定要求。（2）焊缝外观质量检验：；焊缝两侧各100mm范围内无明显压痕、碰痕、划痕缺陷。焊头无电击伤。焊缝圆角在1m范围内打磨圆顺。母材打磨深度不超过0.5mm；焊缝轨底上表面两侧各150mm范围内及两侧轨底角边缘各为35mm的范围内打磨平整。焊缝纵向打磨平顺，不能出现低接头，用1m直尺测量其平直度应符合表6-3要求。 钢轨焊接接头平直度 表6-3轨顶面0，+0.2mm/m轨头内侧工作面0，+0.2mm/m轨底（焊筋）0，+0.5mm/m第三节 铝热焊接施工技术一、主要焊接机具设备集团公司在秦沈客运专线轨道工程施工中工地焊接采用的是铝热焊，所使用的焊剂是法国拉伊台克公司的产品，采用的焊接工艺为法国拉伊台克公司QPCJ钢轨铝热焊接工艺，该工艺进行铝热焊接所需的机具设备见表6-4。序号名称型号单位数量1焊接辅助机具套12预热装置套13钢轨对整架CR57套24锯轨机HC355台15钢轨打磨机MR150台16钢轨推瘤机EGH2台17钢轨拉伸器TR75台1 铝热焊接机具设备 表6-4二、焊接工艺流程1、工艺流程图到焊接现场前的准备工作轨道的准备工作砂 模 的 准 备预 热焊药包的准备在焊接现场的准备工作钢轨端头的准备端钢轨端头的对正端热 打 磨收 尾 工 作拆除砂模与推瘤冷 打 磨浇 注图6-2 铝热焊工艺流程图2、工艺说明(1)轨道的准备工作焊头距离轨枕边缘不得小于100mm，否则应先挪开轨枕，直至符合要求为止，并扒开轨枕盒内的道碴，深度100mm。锁定距轨端15m范围内的线路，如果预计在施工过程中钢轨伸缩量较大，应使用拉轨器。(2)轨端的准备工作用钢丝刷或者打磨机清理接头的端面，以除去氧化物。检查端部尺寸，并确认端头钢轨无裂缝。调查轨头是否有压塌现象，如有压塌，应先进行锯轨。锯轨时应注意：A、保证钢轨断面的垂直度，不能内斜（ ），确保浇注时钢水能灌满轨缝。锯轨外斜时（ ）用梯度尺量应保证两轨头上下间距均在2327mm范围内（如图6-3所示）。B、将1m靠尺靠在钢轨顶面上，用塞尺塞来确定应锯掉钢轨的长度，将轨头压塌部分完全锯掉，避免焊后焊头成马鞍形（如图6-4所示）。图6-3 间隙调整图图6-4 焊头轨顶面马鞍形示意图尖点（垂直对正）：在焊接之前，两端钢轨向上应有一交点，这样就不会因为焊完后的冷却造成焊头凹陷，并能保证留有一定的凸出余量供打磨。用1m靠尺放置在钢轨运行表的正中央，水泥枕上两端间隙为1.6mm，木枕上为3.2mm（此值亦可根据实际情况进行适当的调整）。水平对正：用直尺规分别检查钢轨对接尺寸的一段钢轨轨头、轨腰和轨底，如果两根钢轨不一样宽，将两端钢轨的中心线对齐，差异均分。(3)砂模的准备砂模安装前应将两侧的砂模在钢轨上轻轻摩擦，以使其与钢轨结合得更紧密。所有影响砂模精确定位的断面缺陷（如毛刺等）必须去除。砂模的中心线与钢轨接头的轴线必须在同一条直线上。在砂模的出料口及夹具螺纹处抹上防漏泥，并要牢靠。(4)预热预热是一个非常重要的过程，亦是铝热焊的重要工艺因素，其作用在于消除砂模中残余湿气含量和提高钢轨及砂模的温度。预热过程中应注意：记录钢轨的温度。使用调节器增大压力，获得丙烷压力为10PSI，氧气压力为70PSI。将加热器装于支架上，调整喷咀对准砂模的中心，并将分流塞放在砂模的边缘上，将加热器装从支架上拿开，点燃喷火咀。调整丙烷气和氧气的压力混合比，以得到最佳火焰，火焰长度（蓝色部分）约12mm。预热时间从火焰调节好之后计起，用跑表严格控制。预热完成后，先关掉丙烷气，后关掉氧气将预热器拿出，操作时注意不要将砂模壁碰坏。预热时要注意观察各缝隙上的防漏泥是否有裂纹或掉下。(5)浇注在浇铸前应做好焊剂的准备工作。预热完毕后，先将砂芯放置于砂模中部，再将坩埚迅速放在模具上，对中。点燃高温火柴，插入中心深度约25mm。从预热完成至点燃焊料不得超过30s。当废渣停止流动时开始计时，5min后可将坩埚、废渣盘移去。(6)拆除砂模与推瘤在浇注5分钟后，移走废渣盘和一次性坩埚，拆除砂模；在浇注6分半钟后，将多余的焊料切除掉，轨基处凸出的焊料打弯，以便打磨机打磨焊头。(7)热打磨热打磨是重新恢复交通前必须要做的一道工序。在热打磨过程中应注意以下事项：在热打磨时，应在钢轨踏面上保留至少高出钢轨0.8mm的焊头金属。打磨焊头的内侧及外侧与钢轨的两侧平齐。在浇注完15分钟后去掉楔子，以便让焊头冷却至水平。假如使用了起轨器来使钢轨端头降低，可以浇注后过30分钟将其撤掉。(8)冷打磨冷打磨是为了除掉由于焊接生成的任何几何不连续，也是为了最终对焊头的验收。冷打磨应在浇注后1小时后进行，先去掉轨基抬高器，目测尖点，对钢轨表面进行冷打磨使其整体平齐，注意千万不要在某一处打磨过度而造成钢轨淬火。打磨完成后焊接接头的平直度应符合表6-5的要求。 钢轨焊接接头平直度 表6-5轨顶面轨头内侧工作面轨底（焊筋）0，+0.2mm/m±0.3mm/m0，+0.5mm/m三、特殊条件下的铝热焊接由于钢轨的条件，不同的冶金、类型，甚至温度，使得在某些情况下需对标准的QPCJ焊接工艺作相应的调整，最经常遇到的情况有以下几种：1、寒冷气候条件（刮风或下雨及下雪、温度低于15）（1）加热程序如果钢轨温度低于15，必须在预热开始前或在预热过程中，用涡轮式焊枪将钢轨加热至37，需要加热的钢轨长度为1m。（2）冷却程序在寒冷气候条件下，同样也会遇到一种危险，即焊头会冷却过快，如果温度低于15或风特别大，则须在除瘤后立即用保温箱或保温罩将焊头盖起来，时间至少为10分钟，之后再进行打磨。2、对于使用钢轨拉伸器的情况当使用了钢轨拉伸器时，那么只能在钢轨温度低于下面的温度时才能去掉拉伸器：应力 温度 张力 370 压力 6003、对于出现焊药“冻结”的紧急情况这是一种十分少见但却有潜在危险的情况，即焊药在点着后，在一分钟之内没有熔化的铁水浇注下来。当遇到这种情况时，应立即离开坩埚，待到现场情况稳定之后，再用锯轨机锯下焊头，按规定要求插入轨重焊。四、焊接质量控制1、焊头外观质量（1）焊工应具有很强的责任心，严格按焊焊接工艺要求操作。（2）打磨时应边打边检测，以免过度打磨造成低接头。（3）基地配轨时应注意长轨两端钢轨断面的尺寸，不宜相差太大，造成轨头对正困难。2、焊头内部质量（1）严格把关好焊剂的质量，杜绝使用已受潮、结块的焊剂。（2）根据相应的轨型严格控制好预热时间。（3）轨缝应严格控制在23-27mm之间。若间隙小于23mm，将达不到预热的效果，而且熔化的钢水会因过量而溢出废渣盘；若间隙大于27mm，预热也将达不到效果，而且熔化的钢水还会不够注满整个间隙，而影响焊头质量。（4）铝热焊焊头两侧钢轨母材为热影响区，现行工艺标准对焊头正火处理未作规定要求，应积极研制铝热焊正火加热器，对铝热焊焊头进行正火处理，提高焊头的综合强度指标。第四节 应力放散及线路锁定一、基本要求应力放散与线路锁定是一次铺设跨区间无缝线路施工中继铺底碴、铺设长轨、单元轨节焊接、上碴整道之后的一道工序，是一次铺设跨区间无缝线路成功与否的关键。1、单元轨节布置按照设计规范要求，一个放散锁定的单元轨节长度一般为1000m2000m，一次放散最短长度不应小于200m。2、锁定轨温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轨温差不得大于3，同一区间内单元轨节的最高与最低实际锁定轨温之差不得大于10。3、位移观测应力放散时，应按规定设置位移观测点，观测放散时钢轨位移量，应力放散要均匀。放散应力前，要按设计文件要求，设置位移观测桩，线路锁定后，应立即在钢轨标记位移零点，放散之后一个月内每一星期观测一次，以后每一个月观测一次，位移观测桩处换算200m范围内的相对位移量不得大于10mm，任何一个位移观测桩处位移量不得超过20mm，发现位移量超标，要迅速查找原因，重新进行放散。二、线路锁定施工方案1、放散方法采用滚筒放散法和综合放散法。应力放散时如果轨温低于锁定轨温，应力放散均匀后，测量轨温，计算拉伸量，进行拉轨至锁定轨温，上扣件锁定钢轨；应力放散时轨温在设计锁定轨温附近时，在滚筒上进行应力放散后直接落轨进行锁定。但同一单元轨节的左右股钢轨的锁定轨温之差应符合设计规定。应力放散施工如图6-6所示。图6-5 应力放散施工示意图2、接头连接已放散的单元轨与相邻待放散的单元轨之间用接头夹板临时连接。已放散完毕的单元轨之间在应力放散完成后立即进行锁定焊接。3、伸缩区放散本次单元轨节时考虑上一单元轨节的伸缩区100m。4、钢轨支垫每隔10m的距离，在轨枕之间支垫一滚轮，高度为橡胶垫板之上5厘米左右(顶起的轨底面与轨枕上的预埋铁座顶面大致平齐)，如图6-7所示。滚 轮 支 座滚 轮轨 枕钢 轨图6-7 钢轨支垫示意图5、临时位移观测为检测应力是否放散均匀，在应力放散过程中在钢轨上标记临时位移观测点，全过程地观察钢轨的位移以检验钢轨内部应力是否得到有效放散，在上一单元轨的伸缩区起终点设1、2点，本次放散单元轨每隔300m左右设置一个临时移观测点。三、施工工艺应力放散与线路锁定施工流程图如图6-8所示。轨道状态检测近期轨温调查位移观测桩设置标记临位移观测点卸扣件、顶起钢轨撞轨临时位移观测记录轨温、拉轨卸扣件落轨、锁定钢轨锁定焊接图6-8 应力放散与线路锁定施工流程图1、在应力放散前对底碴摊铺、长轨铺设、单元轨节焊接、上碴整道等工序施工质量，线路状态进行全面检测，重点检测弹条扣压力、道床刚度及横向阻力、单元轨焊接质量、轨道几何尺寸，要确认线路已经达到初期稳定状态。2、通过现场调查，了解近期轨温的变化情况，决定应力放散与线路锁定的作业时间。3、按照要求，埋设钢轨永久位移观测桩并做好编号。4、到达施工现场后，在本次放散单元轨节和上一放散单元轨节伸缩区标记临时位移观测零点。5、在本次放散单元轨节和上一放散单元轨节伸缩区范围内，用专用工具拆卸弹条，用起道机将钢轨顶起，支立于滚轮上，顶起高度为5cm，滚轮间距为10m。6、由于长轨铺设时轨温与正在进行的作业轨温不一致，弹条卸除、钢轨顶起后，钢轨的束缚解除，钢轨将产生位移，但由于钢轨内部应力及滚轮摩擦阻力等影响，此时钢轨内部应力不为零，记录钢轨临时位移，作为以后施工放散的依据。7、在本次放散单元轨前后各布置一台拉轨器，拉轨器固定于本次放散单元轨与相邻单元轨的钢轨上，来回拉动钢轨，并观察每次钢轨位移，当通过位移计算证实钢轨与滚轮之间的摩擦阻力已基本被克服，钢轨内部的应力也基本为零。8、记录钢轨应力放散为零时的轨温，若此时轨温正好符合设计锁定轨温，则锁定钢轨。若此时轨温低于设计锁定轨温，记录轨温，按下列公式计算拉伸量进行拉轨，并现场测量钢轨的实际拉伸量，与计算拉伸量比较，若与计算拉伸量相符合，则锁定钢轨，若与计算拉伸量不符合，则要查找原因并采取相关措施如应力放散不均匀滚轮卡死钢轨等因素。 l=×l×(T锁-t) l:各临时位移观测点的钢轨计算拉伸量； ：钢轨的线膨胀系数：取0.0000118m/； T锁：施工控制锁定轨温； T：拉伸钢轨时钢轨的平均轨温； l：各位移观测点至上次放散单元轨伸缩区起点的距离；9、轨温合适或钢轨拉伸到位时，按锁定方向依次去除支垫在钢轨下的滚轮，将钢轨落到轨枕上，上好扣件，紧固钢轨，在拉轨器前后各50m范围内的钢轨锁定完成后，方可松掉拉轨器的液压油门，拆除拉轨器。10、对本次放散单元轨与上一次放散单元轨的接头进行锁定焊接。11、在埋设有钢轨永久位移观测桩位置的垂直线上钢轨轨头外侧面标记钢轨位移零点。12、定期对钢轨位移进行观测。四、钢轨打磨钢轨打磨是无缝线路铺设的最后一道施工工序。新建线路开通运营之前，应对全线钢轨进行预防性打磨。钢轨打磨的目的主要是：消除钢轨轧制过程中形成的原始不平顺和轨面擦伤，消除钢轨运输、施工过程中产生的短波不平顺，以及消除钢轨焊头的不平顺，包括工厂内接触焊及工地焊接接头，推迟可能发生的波形磨耗，避免钢轨的微小缺陷进一步发展，提高列车舒适度。钢轨打磨采用的设备是打磨列车，对无缝线路进行全线打磨，一般打磨三遍，以改善轨道的平顺性，特别是短波的不平顺，减少列车与轨道由于不平顺产生的互相影响，满足列车高速运行时的舒适度要求。