浅议高速铁路钢轨焊接接头处轮轨瞬态冲击行为

浅议高速铁路钢轨焊接接头处轮轨瞬态冲击行为

商国欢

232330198603022213中铁一局新运工程有限公司

摘要：我国高速铁路项目中无缝线路的铺设逐渐增多，此种建设方式对钢轨的焊接技术有着较高要求。目前，无缝线路钢轨现场焊接技术已经逐渐成熟，气压焊接、接触焊接等方式的应用优势非常明显，但为确保无缝线路钢轨现场焊接质量，还应明确不同焊接技术的工艺要求，制订出更科学、合理的技术方案。

关键词：高速铁路；钢轨焊接；接头处；轮轨瞬态冲击

引言

钢轨焊接接头是无缝线路的重要组成部分，是确保钢轨连续性、平顺性的关键环节，但也是钢轨轨条的薄弱之处，是钢轨伤损频发的重灾区和断轨的高发区。为了提高焊接接头平直度一次合格率，降低施工成本，需要对影响接头平直度的因素进行分析研究，提出控制焊接接头平直度的方案。

1典型钢轨焊接接头折断伤损类型

1.1溢流飞边

铝热焊接头溢流飞边主要引起疲劳裂纹的产生，在焊筋边缘溢流飞边根部起源的疲劳裂纹主要出现在焊缝头腰和腰底过渡圆弧、轨底角上表面和轨底下表面部位。受焊缝表面影响，溢流飞边引起的疲劳伤损在无损检测中容易造成漏探或误判。溢流飞边在焊接过程中产生，一般形成于焊筋边缘的钢轨表面，与钢轨表面形成类似折叠的夹缝，从而造成此处应力集中；同时由于焊接过程中钢轨的流失，导致焊缝处凝固顺序和冷却速度异常，在溢流飞边根部形成疏松和气孔等缺陷，在后期服役过程中逐渐形成疲劳裂纹并发展成横向断裂。通过完善焊接设备和工艺，可以防止溢流飞边的产生。

1.2夹渣和夹砂

夹渣或夹砂是铝热焊接头表面或内部存在的低倍夹杂物缺陷。在浇注过程中如部分熔渣未及时上浮流走，而在焊筋内部凝固或贴附在焊筋表面，形成熔渣型的夹杂物。在浇注冷凝过程中，当坩埚、砂模等耐火材料被烧损，或脱落的碎块、浮砂等进入焊缝熔融区凝固时形成夹砂。闪光焊接头内部缺陷主要是指接头内部存在灰斑、疏松和马氏体组织等缺陷。这些缺陷的存在可能形成裂纹并引起钢轨横向断裂。灰斑是指位于焊缝处的含有硅、锰等元素的夹杂物。焊接过程中金属在高温熔化时形成的氧化物或硅酸盐夹杂未能完全从焊缝中挤掉而留在焊缝区域，就会形成沿熔合线方向分布的不规则的块状夹杂物。

1.3热裂纹

热裂纹一般位于焊缝尺寸较大的焊筋中部，轨头、轨腰、轨底均有发现，断口具有发蓝的氧化色或温度色。热裂纹一般沿接头中的疏松和缩孔缺陷产生和发展，疏松断口的微观形貌一般呈柱状晶或等轴晶状。热裂纹形貌见图7。热裂纹缺陷面积一般较大，含热裂纹缺陷的钢轨焊接接头服役后会很快断裂，若此类缺陷发生漏探则会严重威胁行车安全。因此，应严格控制焊接工艺，同时保证焊接时间，避免过早拆卸夹持装置对接头产生扰动从而造成热裂纹缺陷，同时应加强接头探伤检测，确保及时发现热裂纹缺陷并采取相应措施。

2计算模型

2.1轮轨相互作用模型

为研究轨面接触斑处轮轨非稳态作用对螺栓孔应力分布规律及受力特性的影响，基于弹性点支承梁模型建立无缝线路带螺栓孔的单股钢轨有限元模型。模型包含簧上质量点、轮对、带螺栓孔钢轨、一系弹簧以及扣件系统。轮对和钢轨采用实体单元离散，将构架及以上结构部件简化为质量点并通过一系悬挂与车轴相连，模拟一系弹簧与扣件时仅考虑与动态行为相关的支撑刚度及阻尼。典型的复杂计算过程主要包含两个部分：隐式静态计算和显式动态计算。首先将轮对置于钢轨上并施加重力加速度场，获取静轮载作用下的轮轨系统所有节点的位移场（静态隐式解）；将计算得到的位移场作为轮轨系统的初始状态，将纵向平动速度赋予车轮和车体，同时将滚动速度赋予车轮作为初始条件，随后显式时间积分算法被用来求解轮对滚动通过转辙器时的瞬态滚动接触行为（动态显式解）。由于隐式和显式计算过程中的积分方法和模型初始状态不同，轮对从静态过渡至滚动状态时会引入一个初始激扰。为避免该初始激扰对仿真计算结果的影响，需要利用静态隐式解对模型进行动力松弛，并在求解区前引入一段动力松弛区域，保证初始激扰的能量在车轮进入求解区时被消耗掉。

2.2钢轨伤损模型

钢轨擦伤是轨面受轮轨耦合接触作用、运输组织模式及线路特征情况影响发生的金属塑性变形及分离缺陷，在一定程度上破坏了钢轨刚度及结构上的连续性。该不连续作为轮轨间激振源引起轮轨系统不规则振动，同时激发轮轨间高频瞬态作用。结合瞬态模型在轨面模拟钢轨擦伤，研究轨面擦伤条件下运营速度对螺栓孔棱边应力分布规律及受力特性的影响。擦伤所激发的轮轨力包含轮轨低阶振动分量以及高频冲击的模态分量。基于小波变换多频率分析方法，将竖向轮轨力信号在不同尺度空间上分解为趋势项和细节项，逐层分解后所得的每层趋势项为上一层趋势项的相对低频成分，每层细节项为上一层细节项的相对高频部分。

3焊接接头平直度控制的实施

3.1焊轨机的检查

检查焊轨机电极与钢轨压块是否有磨损、顶锻轴与铜套是否磨损有间隙、中心轴与铜套是否磨损有间隙、电极弹珠是否失效等，根据检测情况进行维修或更换。在确认焊机以上状况良好时，用1m直尺检测1根钢轨是否有弯曲，平直度是否合格，确认钢轨平直度合格后，切割2根80cm钢轨，将锯切口的两个面顶对在一起用焊机夹持。夹持后检查钢轨是否错牙，对错牙问题通过对轨腰电极或轨顶压块增减铜片，通过增减铜片调节至不再错牙。随后给钢轨上垫砂纸用焊机夹持检查电极接触面，通过调节使电极接触面达到电极面积的80%以上。通过以上措施使焊机处于良好状态，每焊接200个接头后重复以上检测，有问题时及时对电极进行维修或调整更换。

3.2焊前钢轨对正控制

根据预拱度试验确定的起拱量进行钢轨对正，将待焊接钢轨对正后用焊机进行夹持，操作顶锻油缸前进，使待焊钢轨端面贴住，判断轨顶面、工作边、轨底是否错牙，对错牙情况进行调节，同时分析原因，根据分析结果采取必要措施。用电极或钢轨压块调节对中，凭人工检查偏差有时很不可靠，需要进一步研究改进，在可能的情况下改进焊机通过传感器检测实现自动对中。实现自动对中既可以提高对中精度与准确性，同时可以降低对轨的劳动强度。

3.3粗打磨控制

粗打磨前，需再次检查接头错边情况，对于错边量超标接头必须锯切，重新焊接。对接头顶面与工作边磨去焊肋即可满足探伤要求，在打磨时，砂轮片进给必须均匀，在焊肋即将打磨平时减小进刀量，防止将接头磨亏;将焊肋打磨平整后测量接头的平直度，必须预留一定的起拱量，以防止正火过程中下塌变形。同时注意打磨时不能损伤钢轨母材，不应出现钢轨表面打磨灼伤，边缘棱角必须平顺过渡。

3.4正火及矫直

正火前检测接头平直度与错边情况，对于超标接头锯切重新焊接。严禁采用正火时上拱或下压的方式对平直度不符合要求的接头进行热矫直作业。正火过程严格按照规范进行作业，注意接头受力问题，受上拱或下压力都会使接头平直度发生变化;正火时应使钢轨处于自由状态，不能使接头受到应力作用，防止正火后的高温接头受力后被拉细或受到挤压而变形。接头应在正火完成24h时效后再进行矫直作业，矫直时应使接头处于常温状态。用矫直的方法纠正接头平直度偏差，不应用矫直的方法纠正错边超标接头。

结语

综上所述，为提升高速铁路项目中无缝线路钢轨焊接质量，相关人员还应结合无缝线路钢轨现场焊接的基本要求，做好现场焊接前的准备工作。同时灵活选用焊接工艺，发挥不同焊接方法的技术优势，更可靠地焊接钢轨，为无缝线路钢轨后期的维护、保养提供便利。

参考文献

［1］孟小平.钢轨防断工作问题分析与对策研究［J］，中国铁路，2016（8）：25-29.

［2］段春辉，石洪生.涡流检测技术在钢轨焊缝探伤中的应用［J］，铁路技术创新，2019（2）：15-18.

［3］石彤，赵志刚，邹定强，等.钢轨铝热焊接头断裂失效分析研究［J］.中国铁路，2019（1）：67-73.