K922移动式闪光焊机焊接无缝线路施工工法

1、前言

随着国家经济建设的快速发展，我国铁路行业也发生了翻天覆地的变化，无缝线路的诞生大大促进了高速铁路的进程，无缝线路具备高平顺性、高稳定性等特点。而钢轨的焊接质量则是影响无缝线路成功铺设的关键因素。因此，如何提高钢轨的焊接质量对保证高速铁路无缝线路的行车安全、舒适、平稳运行至关重要。

达成铁路快速通道施工中应用了无缝线路，钢轨采用厂焊100米定尺钢轨在基地用GASS80/580焊机焊接成500米长钢轨，再通过长钢轨运输车运送至铺轨现场，并采用DPG500型铺轨机组铺设。现场每个500米长轨接头采用现场焊接，使之形成1500米～2000米的单元轨节。最后在区间内进行单元轨节的焊接使之形成跨区间无缝线路。由于现场焊接工程量大（约885个焊头）焊接质量要求高，针对这一施工特点经研究探讨最终采用K922型闪光移动式对焊机进行现场单元轨节的焊接，因此形成本工法。

2、工法特点

2.1本工法自动化程度高，工艺稳定，焊接质量优良，热影响区窄，力学性能接近钢轨母材。

2.2本工法生产效率高（130秒可焊完一个焊缝），设备体积小，质量轻，易操作，是业内移动式焊接设备的发展趋势和方向。

2.3本工法采用进口设备，一次性投入大，设备先进，功能全面，焊接水准超前。

2.4本工法适用国内外不同工况的无缝线路施工，适用范围广。

3、适用范围

本工法可应用于区间无缝线路焊接及跨区间超长无缝线路焊接施工。可用于75kg/m，60kg/m，50kg/m钢轨焊接施工。

4、工艺原理

4.1  本工法的焊接形式属于闪光焊的一种，该工艺原理是将待焊钢轨对接接头，通电使其端面逐渐移近达到局部接触，利用电阻热加热这些接触点(产生闪光)，使端面全部熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻力完成焊接的方法。钢轨闪光焊分为工厂或铺轨基地焊接（固定式焊接）和线上移动式焊接。

4.2  K922脉冲闪光焊轨机是将发电机与焊机分装在两个集装箱内，焊机集装箱内装有配电柜、液压泵，旋转支承，旋转油缸、移动支承，移动油缸、起重油缸以及与之铰连的吊臂，吊臂通过吊钩与焊机联接，焊机内设有夹紧油缸，可实现焊机在平板车上前后移动，提升旋转运动，保证焊接移动灵活，定位精确，提高了现场钢轨焊接的作业效率和焊接质量。

5、施工工艺流程及操作要点

5.1施工工艺流程

5.1.1钢轨焊接前准备工作

1、焊接设备组装调试、钢轨型式试验

按照组装程序进行设备组装，并进行全面调试。确认设备一切正常后将待焊轨按照规定的检验要求焊接进行型式试验，确定焊接参数合格后可开始正式施工。

2、钢轨接头除锈、打磨

在钢轨接头端面及两侧钢轨与焊机导电钳口部位间500m范围内采用手提式砂轮机打磨，打磨后钢轨表面应有金属光泽，不得有锈蚀，对母材的磨耗不得超过0.2mm。若打磨后的待焊时间超出24h或有油水沾污，则必须重新打磨。

3、钢轨焊接前设备检查

焊接前应按照焊机使用说明检查主机、冷却系统、液压系统、电气控制系统是否正常；检查动力电压、水温、水位、油温、油位钳口上的焊碴及其他碎屑、推瘤刀上的焊接飞溅物是否清楚。焊接参数是否符合实验结果。一切正常之后，在操作司机、工长签字确认后方可进行焊接工作。

5.1.2钢轨焊接

1、准备工作完成后，推送移动式焊轨车运行到焊接接头处，特制集装箱将二位端前墙向上旋转到与顶棚平齐并锁定。起吊机构连同焊机沿轨道向外移动至端墙外平台；吊臂驱动油缸伸长降下置于钢轨上，确保两钢轨间隙位于导轴上标记的正下方，降低焊机直到压在钢轨上。

2、焊机机头上的两对钳口将两钢轨轨头夹紧，自动对准系统接头两侧各500mm范围内在水平和纵向两个方向上自动非常精确地对准（两端钢轨在纵向同时被相对抬高0.6～0.8mm/m）。两钳口在通以400V的直流的电压后形成两个高压电极，提高焊接电流。启动焊接，激活自动焊接工序；分别进入预闪光阶段（该阶段应锁定钢轨夹紧选择开关，防止在焊接周期结束时焊机再次夹紧钢轨）、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。随后钢轨夹紧装置快速松开两钳口，在焊机头内的推瘤刀立即进行推瘤，从而完成一侧钢轨的焊接作业。

焊机机架张开到最大位置，起升焊机直至完全离开钢轨焊接接头，取出推瘤焊碴，清洁焊机内部。然后将焊机调整到另一侧完成钢轨焊接。在完成一组焊接接头后，每间隔三根轨枕上紧扣件，焊机前行到下一个焊接接头处。

5.1.3焊后正火

正火作业前焊接接头表面温度应低于400℃~500℃，然后用氧气一乙炔加热器将焊缝温度加热到850℃（轨底角）～950℃（轨头）之间。钢轨表面正火加热温度采用光电测温仪进行测量。做好正火记录。

5.1.4钢轨焊后调直、粗打磨

钢轨焊缝正火完，温度降低至300℃以下时，对钢轨进行调直。焊后打磨可以分成粗打磨和精细打磨，粗打磨利用手提式砂轮机对焊缝及附近轨头顶面、侧面、轨底上面和轨底进行打磨；焊缝踏面部位在常温下不能打亏，打磨时不得横向打磨，打磨面不得发黑、发蓝而应平整有光泽。粗磨应保证焊接接头的表面粗糙度能够满足探伤扫查的需要；焊接接头非工作面的垂直、水平方向错边应进行纵向打磨过渡。打磨后的焊缝平直度要求见表5.1.4。

表5.1.4 焊缝平直度允许偏差表

注：①内侧工作面“+”表示指向轨道外侧，使轨距扩大。

5.1.5焊接接头超声波探伤

每个钢轨焊接接头均应进行超声波探伤，并根据业主及设计要求进行第三方检测及监督抽检。探伤前应将焊缝处温度减低到40℃以下，冷却可以用浇水法进行，但浇水时钢轨温度不得高于250℃。在经打磨过的焊接钢轨轨底、轨腰、轨头上均匀涂抹探伤专用油，然后用探头进行探伤。探伤结果不得有未焊透、过烧、裂纹、气孔、夹渣等有害缺陷。

5.1.6数据的记录及分析

每完成一个接头的焊接，除瘤、打磨、探伤后，应将相关数据、信息等资料收集、整理、同时加以分析、存档。

5.1.7 K922焊接工艺流程图见5.1.7

图5.1.7 K922闪光移动接触焊机施工流程图

5.2操作要点

5.2.1确定焊接参数

焊接参数的选定是一个相互匹配的过程，通过现场落锤试验的对钢轨焊接接头冲击韧性和断裂韧性进行试验，对断口内的进行观测和分析，测量断口内缺陷的大小，是否露头等，特别是灰斑这种不可消除缺陷的判定和测量，分析钢轨焊接过程中采集的数据信息，以此为依据设置调整焊接参数。整个焊接参数的选定就是这样循环调整的过程，通过不断地试验调整，最终获得一套质量稳定可靠的焊接参数供未来焊接使用。

1、K922移动闪光对焊机的焊接阶段划分为预热闪光阶段、闪光阶段（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）、加速推进阶段（Ⅰ、Ⅱ）、顶锻阶段、保压阶段。

1）预热闪光阶段的作用是在钢轨正式闪光之前对冰冷钢轨进行预热，烧掉钢轨之间的过梁，为进入闪光阶段做好准备。由于此阶段是预加热过程，所以要求的电压比较高，预热时间比较长。

2）闪光阶段是焊接过程中主要的阶段，此阶段又由四个阶段组成，其作用是将钢轨两端加热烧化区内的钢轨通过闪光这一过程，融化成液体金属，形成足够的塑性变形区域。在保证焊接过程的稳定的前提下，最大限度地降低焊接此阶段电压，控制各阶段的闪光速度，对于提高端面温度，减少焊接内部缺陷，提高接头抗锤数等方面有着非常重要的意义。

3）加速推进阶段的作用是使闪光更加激烈、避免氧化、提高温度。此阶段需要注意的问题是控制推进速度，防止在焊接过程中出现电流中断和短路现象。加速末速越大，灰斑面积越大，易形成短路，使闪光稳定性变差，焊口容易氧化；加速末速太小，加速阶段闪光不剧烈，焊口也容易氧化，影响焊接质量。

4）顶锻阶段的作用是保证熔渣和液体金属从焊缝中充分排出，使火口完全封闭，并且使焊缝区得到一定的塑性变形，从而形成牢固的接头。主要由顶锻量S来反映。顶锻量S的大小决定了钢轨内部焊接缺陷（灰斑）及对接头质量的影响、同时也促进了焊接接头的抗冲击能力。顶锻量S的取值非常敏感，值越小，缺陷面积和数量越小，但是过小，则会导致过烧组织的残留，所以顶锻量S的取值要恰当好处，即保证能将熔渣和液体金属从焊缝中充分排出，有要保证缺陷的不残留。

5）保压阶段的作用是就是使焊接完成后，继续对焊缝保持压力，已确保焊缝焊接牢固，使其在钢轨内力的作用不会断裂。

2、决定焊接质量标准的关键参数有闪光速度、加速速度、顶锻、保压、打滑、加速阶段的电流中断、加速阶段的短路、总钢轨消耗量。只有在选定参数的过程中很好的观察分析以上参数的变化，相互间影响的关系，才能得到一套符合质量要求的完整的参数。根据以上规则和调试人员的经验，选定了适合达成铁路U75V合金钢轨的焊接参数（见表5.2.1），该套参数已经通过了铁科院的钢轨焊接接头型式试验。

表5.2.1  达成铁路U75V钢轨焊接参数

5.2.2焊接控制系统

K922闪光对焊机对现场焊接质量的管理控制是通过焊接管理系统完成的。焊接管理系统是通过距离、电流、电压和压力传感器提供的数据，对每个焊机进行可靠和高质量的分析。首先焊机管理系统本身设计有一套完整的焊接流程控制体系和质量判定规则，结合对特定钢轨选定的焊接参数，来控制每一个焊接阶段的时间、烧化量、电流、电压、推进速度、压力等，焊接过程完毕之后，自行分析整个焊接过程中采集的焊接数据，结合质量判定规则对焊缝是否合格进行判定。

焊接管理系统为焊机操作人员在焊接过程中提供直观的操作界面，在此界面上操作人员可以随时了解焊接过程。此界面上包含有焊接所采用的钢轨焊接参数，焊接时间的推进，通过电流、烧化量、电压、压力以变化的柱状图的形式反映在闪光焊接过程中的情况，并在焊接完毕之后将焊接接头是否合格的判定结果显示给操作人员，以指导操作人员进行下一步动作。

在焊接完毕后，为了方便操作人员对焊接过程进行分析，焊接管理系统对整个过程的焊接参数变化进行准确记录，形成了每个焊接接头的任务视图表，视图表中记录每个阶段的数据变化及由烧化量、电流、电压、压力形成的曲线图（见图5.2.2-1）。此视图可以为调整焊接参数并最终确定焊接参数提供了可靠的参考依据。

图5.2.2-1 移动焊接各项参数图

进行每日焊接质量管理控制过程中，焊接管理系统会对每天焊接的所有接头的信息进行收集、分析、处理并形成每日焊接任务视图表（见图5.2.2-2），此表中记录了每次焊接的相关数据、焊接接头是否合格等资料，通过此表可以直观的了解当日焊机所焊接头的情况。

图5.2.2-1 移动焊接数据记录表

5.2.3劳动力组织

本工法劳动力需求见表5.2.3。

表5.2.3  施工班组劳动力组织一览

6、材料与设备

6.1主要材料

本工法所需材料见表6.1。

表6.1 一套设备2km/d需要材料表

6.2主要机具设备

本工法所需用机具设备见表6.2。

表6.2  配置机具设备一览表

7、质量控制

7.1工程质量控制标准

7.1.1 施工质量严格执行以下标准及规范：

1）《钢轨焊接接头技术条件》TB/T 1632。

2）《客运专线铁路轨道工程施工技术指南》TZ 211。

3)《客运专线铁路轨道工程施工质量验收暂行标准》（铁建设[2005]160号）。

4)《新建时速200公里客货共线铁路工程施工质量验收暂行标准》（铁建设[2004]08号）

5)《铁路轨道工程施工质量验收标准》（TB10413）相关规定执行。

7.1.2  施工中应严格遵守以下质量控制要求：

工班在作业时，按照下列标准进行质量控制；每道工序完成后，质检员按照下列要求进行检验。

1）现场钢轨焊接应按现行《钢轨焊接接头技术条件》（TB/T1632—2005规定进行检验，并做好检验记录。

2）超声波探伤：每个钢轨焊头均应在焊后（焊后冷却到40℃以下）进行超声波探伤检查。探伤结果不得有未焊透、过烧、裂纹、气孔、夹渣等有害缺陷。发现不合格应切除重焊。

3）钢轨焊头轨顶面、侧面及底面，应纵向打磨平顺，不允许横向打磨，不得有低接头。用1m直尺测量钢轨焊头的平直度符合轨顶面0～+0.3mm/m，轨头内侧工作面-0.3～+0.3mm/m，轨底0～+0.5mm/m.

4）每个焊接接头都应在焊好后按规定进行外观检查，并做好记录，在接头附近做好标记。

5）轨头及轨底上圆角打磨后在1m范围内应圆顺，母材打磨深度不超过0.2mm。

6）轨底上表面焊缝两侧各150mm范围内及距两侧轨底角边缘各35mm的范围内应打磨平整。表面粗糙度Ra的最大允许值为12.5μm。

7）轨底不打磨时，接头距混凝土轨枕边缘不小于40mm，长钢轨焊接接头的轨底必须进行打磨。

8、安全措施

8.1  在施工过程中应严格遵循以下标准、规范：

1、《铁路工程施工安全技术规程》TB 10401.1，TB 10401.2。

2、《建筑机械使用安全操作规程》JGJ 33。

8.2  施工中注意安全事项：

1、岗前对施工人员进行钢轨焊接操作规程安全教育，增强安全防范意识。

2、作业前检查所有设备是否完好，确认完好后方可进行操作。

3、所有施工人员上班时必须佩戴上岗证和安全帽等劳动保护用品。

4、现场必须配备足够的灭火器材以防现场出现火灾。

5、焊轨车行进时应在工班长的统一指挥下进行，并做好防溜措施。

6、配电系统应符合“三级配电两级漏电保护”要求，移动式机械的电源导线必须采用绝缘良好的保护套铜芯软电缆。

7、施工过程防止飞溅金属造成灼伤和火灾。清渣必须在去瘤前结束，否则，推瘤时可能将清渣工具挤入轨头，损伤焊头或伤人。

9、环保措施

9.1  现场施工按《环境管理体系要求及使用指南》（GB/T-24001/ISO14001：2004）规定对现场进行环境管理。

9.2  施工期间所产生的污染物排放和处理应符合国家和地方有关环保的现行法规规定和施工图要求。

9.3  施工影响主要涉及废弃物、热污染二个方面，应采取相应的防治措施。

9.4  施工现场废料及垃圾采取集中堆放，统一处理，防止对环境造成污染。

9.5  本工法采用降低热污染的措施，施工地点选择通风处。

10、效益分析

10.1  社会效益

我国铁路列车速度与轴重不断增加，从而对线路的要求越来越高，未来需要铺设大量的无缝线路。本工法解决了区间长轨现场焊接的施工难题，施工效率高，自动化程度高，具有良好的社会效益。

10.2  技术效益

本工法实施的钢轨接头完全满足《钢轨焊接接头技术条件》TB/T 1632的技术要求，具有良好的技术效益。

10.3  经济效益

本工法设备自动化程度高，需要操作人员少，施工速度快，具良好的规模效益和经济效益。采用铁路轨道工程预算定额的基价单价进行比较可得，本工法采用K922移动式闪光接触焊较工地人工铝热焊施工每个接头节省造价57.98%，每接头节约成本828.28元，详见表10.3。

表10.3 接触焊与铝热焊经济效益对比

注：T–铁路轨道工程预算定额（铁建设[2006]15号）

11、应用实例

达成铁路扩能改建工程，新建喀和铁路铺架工程。

11.1工程概况

11.1.1达成铁路扩能改建工程是规划的“四纵四横”快速客运通道之一沪汉蓉客运通道的重要组成部分，与在建遂渝线共同形成了成渝间的便捷铁路通道。设计行车时速200km/h，正线采用60kg/m、500m长的U75V定尺无孔新轨铺设成无缝线路。我中铁十五局六公司承建遂宁站至石板滩站新建双线铁路有碴轨道工程，起止里程ZDK194+600~DK298+004、DIK305+842~DIK320+300，铺正线轨221.318公里，铺站线轨7.423公里。现场单元轨焊接采用K922型悬挂式移动闪光对焊机进行接触焊接处理。

11.1.2 新建铁路喀什至和田线SP标主要经过塔里木盆地西南部，塔克拉玛干沙漠南缘。与既有南疆铁路在喀什站接轨，经过新疆维吾尔自治区内10个市（县），至本线终点和田市。我中铁十五局六公司承建喀什站至和田站新建铁路铺架工程，SP标自喀什站（含）（DK0+000）至和田站（含）（DK498+800），共设16个车站。正线铺设60Kg无孔新轨483.15公里，站线铺设旧轨71.66KM,架梁720孔,铺设道岔200组，上道碴125万立方米。

11.2施工情况

11.2.1达成铁路扩能改建铺架工程自2007年1月1日至2009年5月30日建成通车，2009年6月2日至6月27日一次性顺利通过达成铁路动态验收；施工线路稳定，焊接质量优良；施工期间无任何安全、质量事故，工期按照业主节点时间圆满通车。

11.2.1喀和铁路铺架工程自2008年12月1日至2010年12月30日建成通车，2011年5月26日至6月2日一次性顺利通过了喀和铁路动态验收；施工工艺稳定，线路焊接质量优良；施工期间无任何安全、质量事故，工期在节点工期内顺利完成。

11.3工程监测和结果评价

本工法采用“K922移动式闪光焊机”焊接达成铁路221.318km、喀和铁路483.15km期间。日均焊接2.5km，焊接质量合格率100%；在后期的无缝线路动态检测中，轨道线型、轨道平顺性优良率均达到99%以上。无任何安全质量事故发生，得到业主、设计和监理单位的一致好评，连年获得业主颁发的“施工企业信用评价第一名”。

本工法在达成铁路、喀和铁路中得到成功应用，顺利完成了两条西南、南疆重点铁路的交工验收，自通车运营至现在未出现任何线路质量问题，说明采用本工法焊接的无缝线路质量优良、稳定性好、轨道平顺性优良，并大大降低了运营后的线路维修工作。具有广阔的应用前景，必将为以后的无缝线路施工带来巨大的社会经济效益。

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