鋼軌鋁熱焊接技術(shù)在高速鐵路上的應(yīng)用

李 歡，陳春秋

(北京鐵路局 豐臺工務(wù)段，北京 100071)

隨著我國高速鐵路的飛速發(fā)展，鋼軌鋁熱焊技術(shù)在高鐵上的應(yīng)用也是越來越多。鋁熱焊具有設(shè)備簡單、使用方便、經(jīng)濟高效、安全可靠、不需外界電源等優(yōu)點，被廣泛用于無縫線路的焊接，尤其是跨區(qū)間無縫線路道岔焊接后可消除因軌縫造成的車輪對鋼軌的沖擊和行車時車體的突然振動，減少鋼軌和車輪的磨耗等?；诖?，京滬高鐵廊坊站1號至8號道岔的焊接采用的是德國Thermit鋁熱焊技術(shù)。

1 鋁熱焊原理和工藝

1.1 鋁熱焊接原理

活動性較強的金屬能夠把活動性較弱的金屬從它的氧化物中還原出來，這是鋁熱焊接的化學(xué)原理。因為鋁在足夠高的溫度下有較強的活動性，它可以從很多重金屬的氧化物中奪取氧，而把重金屬還原出來。例如鋁能把鐵、鈦、釩、鉻、錳、鎢等從它們的氧化物中還原出來，同時放出大量的熱，其溫度可達2 500℃ ～3 500℃，從而使這些金屬成為液態(tài)?？珊镐撥夘愋陀?0 kg/m，60 kg/m，75 kg/m，可焊鋼軌鋼種有 PD3，U71Mn，U71(U74)，RE，稀土軌，淬火軌等各種鋼軌。

鋁熱焊接鋼軌基本原理的主要化學(xué)方程式是3Fe3O4+8Al=9Fe+4Al2O3+3 236.3 kJ

1.2 德國Thermit鋁熱焊接技術(shù)在京滬高速鐵路中的工藝

1)現(xiàn)場準備工作。到焊接現(xiàn)場檢查所帶工具是否能夠正常工作，材料是否可用或過期，人員是否到位等，排查在焊接過程中可能出現(xiàn)的安全隱患［1-2］。

2)鋼軌端頭準備工作。將要焊接的兩個鋼軌端部200 mm范圍內(nèi)除銹、除污、除氧化物和突刺等。

3)鋼軌端頭對正。有三個要點:①兩鋼軌的對齊，要求工作邊、非工作邊、軌腰、軌底均對齊，并用1 m直鋼尺進行復(fù)核;②尖點控制的范圍;③軌縫大小范圍。不同軌縫焊接接頭的靜彎荷載不同［2］，如圖 1所示。

圖1 軌縫大小對焊縫接頭靜彎荷載的影響

京滬高鐵采用的軌縫是26～28 mm，主要是考慮外界環(huán)境對軌縫的影響，進而影響接頭靜彎荷載。同時，尖點選擇控制在18～19 mm。尖點過高，打磨時就會傷到母材，尖點過低，就會出現(xiàn)低接頭，影響行車的安全。

4)安裝砂模。檢查砂模是否受潮，是否有裂紋等損壞。按照由下而上的順序安裝好后要蓋好紙板，避免有異物掉入安裝好的砂模內(nèi)。檢查封箱泥水分，過干容易漏漿，過潮容易產(chǎn)生焊縫氣泡。用封箱泥封堵砂模，并且要夯實適度。在砂模廢渣流出口及夾具螺紋處抹上少量封箱泥，防止鐵水溢出損壞工具。并做兩個堵漏棒，以備堵漏。

5)預(yù)熱。一般為5 min，但是根據(jù)當(dāng)時溫度的高低、鋼軌的型號，可適當(dāng)增加或減少30 s。京滬高鐵廊坊站道岔用的是60 kg/m軌，軌溫一般為15℃ ～23℃，所以預(yù)熱時間取的是5 min，鋼軌預(yù)熱完成溫度為950℃ ～1 000℃。將預(yù)熱器調(diào)成至藍色火焰，放于砂模中心，此時，火焰應(yīng)從砂模的兩側(cè)冒出，并且均勻?qū)ΨQ［3］。

6)焊劑準備。檢查焊劑是否受潮、過期、有異物等，若良好，搖勻并傾斜快速倒入一次性坩堝內(nèi)。

7)澆筑。預(yù)熱好后，將分流塞放入砂模頂部的入口內(nèi)，再將坩堝放于中部上方，點燃高溫火柴，立即傾斜插入焊劑中23～25 mm(其鋁熱反應(yīng)速度適當(dāng))，馬上蓋上坩堝蓋，進行澆筑。手持堵漏棒，以防鋼水泄露。

8)拆模。澆筑結(jié)束1 min后，移走坩堝，4.5 min后拆下夾具和砂模。

9)推瘤。澆筑結(jié)束6.5 min后開始推瘤。切忌推瘤不可過早，如果沒有達到時間和溫度的要求就推瘤，焊縫處就會產(chǎn)生很多的細碎裂紋，形成裂紋源。注意，推瘤前要仔細檢查推瘤機的刀頭是否有損壞，以防拉傷焊頭。

10)打磨。分熱打磨和冷打磨。700℃以下熱打磨，順序:鋼軌頂面的內(nèi)側(cè)→鋼軌頂面與內(nèi)側(cè)交匯面的拐角處→鋼軌內(nèi)側(cè)面→鋼軌頂面的外側(cè)→鋼軌頂面與外側(cè)面交匯的拐角處→鋼軌外側(cè)面，打磨至留有0.8～1.0 mm的余量。90℃以下冷打磨。按照速度區(qū)段的不同，軌頭工作面1 m長度平直度允許的最大偏差也不同，如表1所示。京滬高速鐵路是按照速度＞200 km/h的標(biāo)準作業(yè)的。

11)50℃以下溫度進行超聲波探傷。

表1 平直度允許的最大偏差

2 常見焊接缺陷及成因分析、預(yù)防措施

鋼軌焊接完后除了檢查表面上的質(zhì)量外，還要對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢測，這就離不開超聲波探傷［4］。

2.1 氣孔

1)超聲波探傷波形圖示如圖2。

圖2 氣孔超聲波探傷波形圖示

波形特點:單個氣孔的回波高度較低，從各個方向探測波形相同。密集氣孔會出現(xiàn)很多波形，并且隨著探測方向的不同，波形會出現(xiàn)此起彼落的現(xiàn)象。

2)成因分析:氣孔是焊縫在凝固過程中產(chǎn)生和放出氣體所形成的。產(chǎn)生的主要原因有焊劑過期或者潮濕、軌縫有水分、封箱泥過濕、預(yù)熱時使用的燃氣水分含量高、焊劑燃燒平靜時間短、外界環(huán)境中水分較多等。

3)預(yù)防措施:焊前檢查焊劑，不用過期、過潮的焊劑;檢查封箱泥，不用過潮、過干的封箱泥，堅決不多用、少用，封箱泥的使用量要適量;預(yù)熱使用的燃氣(丙烷和氧氣)純度要高，否則含水量高，燃燒過程中產(chǎn)生的水蒸汽就容易留在焊縫里，產(chǎn)生氣泡;高溫火柴插入焊劑深度要嚴格控制，過深了反應(yīng)速度過快，鎮(zhèn)靜時間不夠，鋼水提前澆筑，會在砂模內(nèi)繼續(xù)反應(yīng)，易形成氣孔［5-6］。

2.2 夾雜

1)超聲波探傷波形圖示如圖3。

圖3 夾雜超聲波探傷波形圖示

波形特點:形狀與氣孔的類似，但在不同角度探測時，波形會出現(xiàn)較大變化。

2)成因分析:砂模有殘渣沒有清理干凈;封箱泥封箱時不小心掉進砂模;鋼軌未清理干凈，有鐵銹等雜物留在了軌縫里;焊劑鎮(zhèn)靜時間不夠，鋼水提前澆筑，產(chǎn)生的熔渣無法完全排出。

3)預(yù)防措施:安裝砂模前檢查砂模是否有破損或掉渣，并用毛刷將砂模內(nèi)多余的浮砂清理干凈;焊前將要焊接的兩個鋼軌端部200 mm范圍內(nèi)鐵銹清除干凈，包括軌頭、軌腰、軌底以及鋼軌端面;安裝完砂模后要用干凈的紙板蓋上砂模，避免雜物落入砂模;檢查焊劑是否均勻，避免出現(xiàn)偏析現(xiàn)象;控制高溫火柴插入焊劑的深度，避免反應(yīng)速度過快。

2.3 縮孔疏松

1)超聲波探傷波形圖示如圖4。

圖4 縮孔疏松超聲波探傷波形圖示

波形特點:回波松散，有些波峰呈樹枝狀。

2)成因分析:軌頭預(yù)熱不均勻;澆筑口散熱過快。

3)預(yù)防措施:控制好預(yù)熱時間和溫度，保持軌頭斷面垂直，使其受熱均勻;鋼軌軌溫 ＜15℃時要對軌頭1 m范圍內(nèi)加熱至37℃;寒冷天氣要對焊頭保溫，減緩散熱速度。

2.4 未焊透

1)超聲波探傷波形圖示如圖5。

圖5 未焊透超聲波探傷波形圖示

波形特點:波幅較低，在焊縫兩側(cè)探傷時均能得到大致相同的反射波，有些呈多支波同時顯示。

2)成因分析:燃燒火焰未調(diào)至規(guī)定預(yù)熱溫度，預(yù)熱時間不足;焊縫間隙過大或過小，致使局部預(yù)熱不到位，特別是軌頭厚的部位和軌底角邊緣;撤模推瘤過早，未凝固前鋼軌躥動。

3)預(yù)防措施:預(yù)熱時間一定要把握好，可以根據(jù)當(dāng)時的天氣情況適當(dāng)延長或縮短預(yù)熱時間，確保預(yù)熱溫度;嚴格軌縫預(yù)留寬度和推瘤間隔時間;防止鋼軌的振動。

2.5 裂紋

1)超聲波探傷波形圖示如圖6。

圖6 裂紋超聲波探傷波形圖示

波形特點:回波高度大，波幅寬，波形穩(wěn)定，強烈。

2)成因分析:受熱不均，冷卻速度過快;焊縫過早產(chǎn)生應(yīng)力。

3)預(yù)防措施:按照操作規(guī)程，控制好預(yù)熱時間、溫度、均勻度;避免焊縫結(jié)晶過程提前受力，避免鋼軌振動;焊縫結(jié)晶過程避免鋼軌突然受冷，如夏天焊軌時突然降雨。

3 結(jié)語

目前我國高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃已經(jīng)初具規(guī)模，將來會有幾萬公里的高速鐵路，列車的速度也達到了300 km/h，無縫線路無疑已經(jīng)是必然的選擇，這就對鋁熱焊提出了更高的要求。對鋁熱焊焊接工藝的研究，對其常見病害的檢測，都有助于提高焊接質(zhì)量，減少接頭病害，這不僅節(jié)約了焊接成本，減少了維修工作量，延長了設(shè)備的使用壽命，更重要的是提高了線路的安全性和旅客乘坐的舒服性。本文通過結(jié)合京滬高速鐵路廊坊道岔鋁熱焊接過程，介紹了鋁熱焊在高速鐵路上的焊接工藝以及病害檢測，希望對以后我國高速鐵路的鋁熱焊接技術(shù)提供借鑒。

［1］曹喜君.無縫線路鋁熱焊施工方法［J］.科技經(jīng)濟市場，2006(3):50-51.

［2］李錦，劉景利.鋼軌鋁熱焊焊縫邊緣傷損的超聲波檢測技術(shù)［J］.鐵道建筑，2009(9):104-105.

［3］李東俠.鋼軌接頭鋁熱焊接質(zhì)量的控制［J］.鐵道建筑，2005(5):70-71.

［4］崔成林，高松福，遲俊杰，等.國內(nèi)外鋼軌鋁熱焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀和發(fā)展［J］.鐵道建筑，2009(6):96-100.

［5］李法恒.50 kg/m鋼軌鋁熱焊接質(zhì)量控制［J］.鐵道建筑，1991(2):17-18.