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原位闪光焊技术在高铁伤损钢轨修复中的应用探讨.pdf
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1、第 2 卷 第 3 期2 0 2 3 年 6 月高速铁路新材料Advanced Materials of High Speed RailwayVol.2 No.3June 2 0 2 3原位闪光焊技术在高铁伤损钢轨修复中的应用探讨陈伟国1,梁俊明2,何宏晖3,吴军3,吴丹2(1.广州铁路轨道装备有限公司,广州 510600;2.广州高速轨道技术有限公司,广州 510800;3.中国铁路广州局集团有限公司 调度所,广州 510062)摘要:为控制高铁正线钢轨焊接接头的数量,尤其是减少高铁正线铝热焊接头数量,保持高铁无缝线路的完整性,确保钢轨使用安全,提出了采用百米轨原位闪光焊方式更换伤损钢轨的新
2、方法,对原位闪光焊工艺的可行性进行了初步的探讨和研究。经过在某高铁线路的实际应用,提出了一种可满足高铁钢轨卸、焊、换、收及工完料净要求的高铁百米定尺钢轨原位闪光焊一体化施工模式。关键词:高速铁路;百米定尺钢轨;原位闪光焊;锁定轨温中图分类号:U215 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.2097-0846.2023.03.006截至2022年底,我国铁路运营里程达到15.5万km,高铁运营里程4.2万km,其中中国铁路广州局集团有限公司(简称:广州局集团公司)高铁运营里程达到4 757 km。为满足大规模、快速、高质量建设世界一流高铁的需要,我国高铁线路采用百米定尺钢轨,铺设
3、跨区间无缝线路。与25 m定尺钢轨相比,减少四分之三接头,在提高钢轨焊接生产效率的同时,满足高铁钢轨安全使用性能和运行品质。随着高铁线路运营时间的增加,钢轨伤损日益突出。钢轨伤损最终的修理办法是换轨,目前多采用插入25 m或更长钢轨后用铝热焊、移动闪光焊连接。以某高铁工务段为例,2019年,更换段管高铁线路划痕超标的钢轨达265处。其中,更换25 m 钢轨74根、50 m钢轨4根、100 m钢轨10根、150 m钢轨7根、200 m钢轨3根。插入的钢轨一端采用闪光焊连接,另一端采用铝热焊连接,总计增加98个现场闪光焊接头,98个铝热焊接头,严重破坏了百米定尺轨跨区间无缝线路的完整性,也增加了日
4、常维修保养的工作量。这种情况在有高铁线路的铁路局大量存在且呈蔓延趋势。目前更换伤损钢轨一般采用插入2025 m钢轨,用铝热焊方式连接。这种方式导致高铁正线现场接头数量激增,百米定尺轨基本单元遭到破坏。广州局集团公司管内高铁线路增加的铝热焊接头目前已经超过2 000个,给高铁无缝线路管理带来难度。由于目前尚无高铁换轨大修标准,因此,结合广州局集团公司2019年高铁成段换轨实践,在确保高铁无缝线路完整性及百米定尺轨完好性的前提下,提出采用不插入短钢轨或插入百米钢轨的原位焊伤损钢轨修复方法,以减少高铁正线上因伤损换轨而增加的接头数量,逐步消除高铁正线区间铝热焊接头。1 钢轨原位闪光焊修复技术分析与探
5、讨 原位焊修复是在钢轨垂直折断、水平裂纹很小(长度小于1个普通焊接接头)的情况下,经切除原伤损部位,拉伸钢轨达到设计锁定轨温后焊接,焊缝宽度小于29 mm的焊接工艺。钢轨原位闪光焊修复是采用工艺更稳定的闪光焊接方法将伤损钢轨进行修复的一种处理方法(简称:原位闪光焊)1。钢轨原位闪光焊可以分为插入钢轨和不插入钢轨2种修复方式,插入钢轨方式是将发生伤损或折断的百米(或其他定尺长度如25、50 m等)钢轨整体切除,采用新的百米钢轨(或其他定尺长度钢轨)在原焊接接头位置重新焊接并打磨平顺,这种方式不会额外增加焊接接头数量。不插入钢轨方式则是将个别伤损或折断钢轨(通常为数十毫米宽度)进行切除,采用宽焊缝
6、铝热焊或拉伸钢轨后的闪光焊进行修复,即用焊接接头替换伤损位置钢轨,会增加1个焊接接头,但与插入短轨的修复方法相比,仍然文章编号:2097-0846(2023)03003505收稿日期:20230119;修回日期:20230207基金项目:中国国家铁路集团有限公司科研项目(N2019G053)第一作者:陈伟国(1968),男,高级工程师。E-mail:高速铁路新材料第 2 卷可以减少1个焊接接头。原位闪光焊修复最基本的要求是保持无缝线路锁定轨温在设计范围内。在低于实际锁定轨温时,将重伤或折断伤损钢轨锯切,用液压钢轨拉伸器张拉已经收缩的钢轨,或采用自带拉伸功能的移动式闪光焊机进行重焊,如中国铁道科
7、学研究院集团有限公司金属及化学研究所(简称:铁科院金化所)生产的焊接正火一体机或大型气压焊轨车。针对接头伤损采用不插入钢轨进行原位修复焊连;针对高铁成段的伤损钢轨在距原百米轨两端的焊缝中心线外侧2050 mm处插入百米及百米倍数的长钢轨,通过微调两侧钢轨应力,将锁定轨温控制在设计范围内。1.1高铁伤损钢轨焊接修理方式比较20182020年断轨分类统计(铁科院金化所提供数据)见表1。从表1看出,闪光焊接头折断率远低于铝热焊接头。目前广州局集团公司处理高铁伤损钢轨有3种方式:一是采用无损加固方式;二是插入25 m钢轨,用铝热焊焊连方式;三是采用高铁一体化百米轨原位闪光焊模式。2019年以来广州局集
8、团公司开始采用一列T11长轨车组成的工程车,在1个天窗点内完成长钢轨的卸、焊、换、收,累计完成129 km高铁伤损钢轨的更换,做到了高铁施工“工完料净、人走场清”的要求,达到了伤损换轨不增加铝热焊接头的目标。3种伤损钢轨修理方式比较见表2。1.2原位闪光焊工艺研究美国在钢轨原位修复技术方面开展了多年研究与测试,已发展出轨头铝热焊补、气体自保护电弧堆焊焊补、宽焊缝铝热焊技术1。钢轨原位修复技术采用闪光焊,与铝热焊相比,原位闪光焊技术具有焊接成本低和接头质量高的双重优势,可以预见原位闪光焊将是高铁原位焊修复技术的发展方向。目前广州局集团公司针对原位闪光焊工艺进行了初步试验,试验采用闪光焊机进行焊接
9、。焊接工艺按照 TB/T 1632.22014 要求执行2。在广州局集团公司红海焊轨基地利用固定闪光焊机进行原位闪光焊试验,结果见表3。采用 GAAS80/580 闪光焊机焊接试验接头完成表12018-2020年断轨分类统计单位:处年份201820192020钢轨母材554924道岔钢轨件293017厂焊17109移动闪光焊430移动气压焊861铝热焊587622注:2020年数据截至2020年8月28日。表23种伤损钢轨修理方式比较修理方式无损加固插入25 m钢轨一体化百米轨原位闪光焊焊接方式铝热焊闪光焊增加接头数量1个2个不增加额外接头探伤检查周期每季度探伤检查1遍,每3年拆检1遍每半年检
10、测1遍每年检测1遍焊接成本分析10 000元/个8 400元/个3 600元/个优缺点存在夹板松动安全隐患,增加设备养护单位工作量增加铝热焊接头数量,增加设备养护单位工作量,换轨效率低采用原位闪光焊方法,不增加焊接接头,保证无缝线路完整性,占用施工天窗少,工完料净,换轨效率高;缺点是使用百米定尺钢轨,成本高注:一体化百米轨的原位闪光焊是线路发生伤损后,在原百米轨的接头部位进行锯切,插入定制的百米轨,采用闪光焊焊接。表3原位闪光焊试验结果序号12345轨种攀钢U71MnG攀钢U71MnG攀钢U71MnG攀钢U75V淬火轨攀钢U75V淬火轨曲线情况正常正常正常正常正常落锤情况5.2 m两锤不断,合
11、格5.2 m两锤不断,合格5.2 m两锤不断,合格5.2 m两锤不断,合格5.2 m两锤不断,合格图2闪光焊原位焊(焊后)图1闪光焊原位焊(焊前)36第 3 期陈伟国等:原位闪光焊技术在高铁伤损钢轨修复中的应用探讨后,从焊缝中心线锯切,见图1,然后再次焊接,见图2。试验后对比第1次焊接和第2次原位焊接的曲线无大的差异,曲线均属于正常曲线,见图3、图4。连续5个原位焊试验接头落锤合格。第2次焊接接头落锤断口正常,无缺陷。5个原位焊试验接头均为5.2 m两锤不断,超过5.2 m一锤不断的标准要求,接头质量优良。部分落锤断口见图5。原位闪光焊焊接接头经二次焊接和二次正火,热影响区(即软化区)相对更宽
12、,接头的轨顶硬度偏低,容易产生低塌而导致高铁钢轨的不平顺性问题3,可以通过改进正火喷风装置,提高接头轨面硬度。焊接标准TB/T 1632.22014规定,在焊轨基地钢轨二次焊接时,锯切位置距离焊缝中心不应小于50 mm。从曲线和落锤结果来看,焊缝中心线锯切后再次焊接,对接头质量无影响。焊轨基地采用闪光焊原位焊接工艺可以带来两方面好处:一是可以大量节约钢轨。因接头错边、焊接曲线异常、探伤超标和焊接未推瘤或者推瘤夹渣等原因导致的钢轨接头二次焊接,红海焊轨基地年度一次性合格率在95%以上。全路年度大修钢轨约6 000 km,维修轨 2 500 km,基建轨 11 000 km,约 3.12105个接
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