大秦線鋁熱焊現(xiàn)場常見工藝問題及其控制措施

張 士 超

(大秦鐵路股份有限公司茶塢工務(wù)段，北京 101402)

大秦線鋁熱焊現(xiàn)場常見工藝問題及其控制措施

張 士 超

(大秦鐵路股份有限公司茶塢工務(wù)段，北京 101402)

介紹了大秦鐵路重載條件下，法國拉伊臺克鋁熱焊操作關(guān)鍵環(huán)節(jié)存在的工藝操作問題，以及各種問題對焊頭質(zhì)量產(chǎn)生的風險和缺陷影響，并結(jié)合大秦線現(xiàn)場實際，從嚴格尊重技術(shù)參數(shù)、落實工藝標準流程入手，提出了一些應(yīng)對控制措施，通過現(xiàn)場焊聯(lián)作業(yè)實踐證明，能有效的控制鋁熱焊焊接質(zhì)量。

鋁熱焊，鋼軌，預(yù)熱，軌縫

1 大秦線鋁熱焊概況

鋁熱焊操作簡單、工藝易掌握，在大秦線日常維護中大量使用。目前大秦線鋁熱焊接頭96%采取法國拉伊臺克(QPCJ)技術(shù)，4%采取德國施密特技術(shù)。近年來由于大秦線大運量、高密度的列車對線路沖擊作用顯著，特別是鋁熱焊接頭，硬度和強度低于鋼軌母材，傷損增加明顯，僅2014年茶塢工務(wù)段發(fā)生鋁熱焊接頭傷損395處，更換50處，嚴重制約設(shè)備的安全。通過調(diào)查，鋁熱焊傷損增加的背后暴露出鋁熱焊作業(yè)中存在缺陷和問題，因此十分有必要對鋁熱焊接工藝存在的問題進行分析，有針對性的消除焊接操作問題給焊頭帶來的質(zhì)量風險，以保證線路設(shè)備的狀態(tài)穩(wěn)定。

2 鋁熱焊常見問題及引發(fā)的質(zhì)量風險

由于我段鋁熱焊主要采取法國拉伊臺克(QPCJ)技術(shù)，因此重點分析法國拉伊臺克鋁熱焊操作中常見的問題。通過對現(xiàn)場鋁熱焊焊接工藝的分析，發(fā)現(xiàn)焊接操作中存在很多共性問題，對焊接質(zhì)量影響很大。主要集中在軌端清理、焊縫調(diào)整對正、砂模調(diào)整、預(yù)熱、后續(xù)清理打磨這5個關(guān)鍵環(huán)節(jié)上。

2.1 軌縫過大、過小對焊接質(zhì)量的影響

法焊軌縫要求23 mm～27 mm，不正確的軌縫參數(shù)會影響鋼水的流動性和預(yù)熱效率。軌縫小預(yù)熱達不到效果，軌底預(yù)熱不足，高溫鋼水的容量減少，熔化鋼軌端頭的熱量不夠，軌底角的熔合不足，會造成斷軌，同時冷卻速度加快，焊頭凝固過快，氣泡從軌底角鋼柱處排出的時間不足，會殘留在軌底角處形成氣孔。軌縫過大可能出現(xiàn)鋼水填充不足，中央疏松；預(yù)熱效率降低，易出現(xiàn)氣孔、夾渣；熱量分布不均勻，熔合不足，易斷軌，導(dǎo)致高溫區(qū)域發(fā)生變化，焊頭內(nèi)部出現(xiàn)縮孔。

2.2 鋼軌對正常見問題對焊接質(zhì)量的影響

1)尖點不合適。法國拉伊臺克(QPCJ)鋁熱焊規(guī)定混凝土枕區(qū)段尖點1.6 mm，有些作業(yè)人員調(diào)整尖點時，不使用塞尺檢查調(diào)整尖點，靠肉眼估計尖點大小，誤差很大。尖點過大，直接導(dǎo)致打磨工作量增多，并且焊頭部位上拱，在垂直受力的同時，焊頭彎矩增大，易出現(xiàn)斷裂。尖點小，高溫鋁熱鋼液凝固收縮時，軌頭收縮量要大于軌底，易產(chǎn)生低接頭，造成輪對在焊頭處沖擊力增大，易導(dǎo)致焊頭斷裂。

2)對正誤差大。對正環(huán)節(jié)包括水平對正和不等傾斜對正，水平對正是調(diào)整軌頭部位的平直，包括軌頭內(nèi)、外側(cè)、軌頭下顎。水平不對正導(dǎo)致軌頭左右錯牙、支嘴，影響焊頭的受力性能。不等傾斜對正是對正軌腰和軌底三角區(qū)，如調(diào)整不好，會造成焊頭疲勞過度而斷裂。由于鋼軌每個位置對正會影響其他位置的對正，因此對正操作時，要檢查其他位置是否對正。而現(xiàn)場焊接人員常常忽視這一特點，調(diào)整不等傾斜后沒有回檢水平對正，還有作業(yè)人員在對正后觸碰鋼軌、對正架，很容易出現(xiàn)焊頭不對正問題。

2.3 砂模調(diào)整中存在的問題

1)砂模研磨不到位。如果出現(xiàn)研磨不到位，側(cè)砂模與鋼軌表面不密貼(見圖1)，砂型與鋼軌間的縫隙會流出鋼水，產(chǎn)生飛邊，飛邊在急冷作用下易產(chǎn)生馬氏體，成為疲勞斷裂源。嚴重情況下，砂型與鋼軌配合不良可能會造成鋼水泄漏，造成焊接失敗。

2)砂模不居中對稱。砂模居中對稱包括底砂模居中對稱、軌頭軌縫處居中對稱和砂模軌底腳處。砂模不居中，對焊接工藝產(chǎn)生很大影響，鋼水循環(huán)被打亂，導(dǎo)致出現(xiàn)氣孔；焊頭加強筋不對稱，焊頭靜彎和疲勞強度降低，在輪對的沖擊下，很容易發(fā)生斷裂。同時預(yù)熱效率低，兩側(cè)軌端溫度不同，出現(xiàn)氣孔、夾渣，甚至出現(xiàn)熔合不足，這都給焊頭質(zhì)量帶來影響，給后續(xù)的上線使用埋下安全隱患。大秦線一個典型的案例是，2014年12月13日下行K368+20左股鋁熱焊接頭上線53 d發(fā)生斷裂，誘因主要是斷口處明顯焊筋不對稱。

2.4 預(yù)熱中常見問題對焊接質(zhì)量的影響

1)預(yù)熱不足或過熱。預(yù)熱是鋁熱焊工藝極其重要的一個環(huán)節(jié)，按照規(guī)定預(yù)熱到850 ℃～900 ℃。在檢查現(xiàn)場焊接操作中，發(fā)現(xiàn)有不少問題影響預(yù)熱溫度。一方面氧氣、丙烷壓力調(diào)整不合適，現(xiàn)場操作人員往往不注意這個細節(jié)，初始調(diào)整氧氣、丙烷壓力后，便不再觀察壓力表，導(dǎo)致氧氣、丙烷壓力不足，火焰溫度不夠，在規(guī)定時間內(nèi)，達不到預(yù)熱效果。另一方面不按照預(yù)熱時間進行預(yù)熱，存在預(yù)熱時間過長或不足的問題。另外有的預(yù)熱人員火焰調(diào)節(jié)效果不好，預(yù)熱過程中頻繁調(diào)整預(yù)熱。這些都導(dǎo)致預(yù)熱效果不好，預(yù)熱不足，軌端沒有達到規(guī)定溫度，導(dǎo)致熔合不足，焊頭存在氣孔，夾渣，裂紋，淬火金屬結(jié)構(gòu)。預(yù)熱過度，造成熱影響區(qū)過大(硬度低)，焊頭軌頭處夾砂(封箱泥)，存在熱裂紋，縮孔等傷損。

2)預(yù)熱器不居中。在鋁熱焊工藝中，設(shè)計的預(yù)熱器高度已經(jīng)固定，在作業(yè)現(xiàn)場，常出現(xiàn)預(yù)熱器不居中的問題，造成預(yù)熱不均勻，熔合區(qū)不均勻，導(dǎo)致焊頭出現(xiàn)氣孔、夾渣和熔合不足的問題。

2.5 焊頭打磨清理不標準

由于砂模和鋼軌存在微小縫隙，不可避免的造成夾皮普遍存在，主要出現(xiàn)在軌頭下顎和軌底腳部分，由于現(xiàn)場不注意清理夾皮，容易造成應(yīng)力集中點，誘發(fā)焊頭出現(xiàn)傷損斷裂。另一方面，軌底腳的鋼柱殘余也容易形成應(yīng)力集中，成為焊頭疲勞傷損的誘發(fā)源。

3 常見工藝問題分析及控制措施

以上現(xiàn)場操作常見問題，我們發(fā)現(xiàn)主要是由于作業(yè)人員對工藝參數(shù)不尊重，操作不標準造成，因此提高鋁熱焊接頭質(zhì)量的關(guān)鍵在于優(yōu)化操作工藝，避免操作錯誤，從而降低焊頭質(zhì)量風險。通過現(xiàn)場調(diào)研，結(jié)合實際操作，按照“嚴格尊重技術(shù)參數(shù)、落實工藝標準流程”的思路，對鋁熱焊作業(yè)進行卡控。

3.1 嚴格控制焊縫寬度參數(shù)

對于法國拉伊臺克(QPCJ)要求的23 mm～27 mm軌縫，要求現(xiàn)場作業(yè)人員必須嚴格遵守，超過這個參數(shù)范圍即判焊接質(zhì)量不合格。在軌底、軌腰、軌頭三個部分的軌縫必須都在規(guī)定范圍內(nèi)，在設(shè)置尖點后，可能引起軌縫出現(xiàn)變化，如圖2所示，因此需要重新復(fù)核檢查。在線上焊聯(lián)時，復(fù)緊前后50 m扣件，防止軌條伸縮，導(dǎo)致軌縫超限。對于線下長軌焊聯(lián)，注意氣溫變化，預(yù)留脹軌量，如果氣溫升高過快，脹軌量無法預(yù)知，軌縫難以控制，禁止焊聯(lián)。

3.2 靈活掌握尖點參數(shù)

混凝土枕區(qū)段要求尖點值1.6 mm，在現(xiàn)場尖點的設(shè)置根據(jù)氣溫和軌溫的情況，根據(jù)實際進行微調(diào)，根據(jù)我們的經(jīng)驗，在混凝土枕地段，尖點應(yīng)在1.4 mm～2 mm，這樣才能保證不出現(xiàn)低接頭、高接頭，影響受力性能。尖點的測量必須要使用焊工尺和塞尺，現(xiàn)場杜絕靠肉眼估計的不標準作業(yè)方法。

3.3 精確對正

前提保證對正架和焊工尺精確，無變形，對于存在彎曲、扭曲的對正架、焊工尺，禁止使用。值得注意的是，兩段鋼軌外形尺寸差異較大時，對軌時應(yīng)盡量保證工作面的平順。對于鋼軌垂直磨耗，待焊接兩種鋼軌高差大于3 mm，小于8 mm時，需要使用特制的中和砂模組件或采取寬焊縫進行焊接；高差大于8 mm，禁止焊接。對于側(cè)磨鋼軌，要采取特殊工藝，對直鋼軌軌腰及軌底。由于尖點、水平、傾斜、軌縫幾個參數(shù)相互影響制約，每次水平、傾斜對正后，要重新檢查，直到精確對正。在安裝砂模底板，擰緊金屬底板的加緊螺絲后，最后一次檢查對正，這也是最后卡控對正的防線。

3.4 嚴格砂模研磨、支模工藝

嚴格落實按照RTC工藝磨砂模，磨砂模時，需要兩人配合，首先一個人不動，另一個人磨，然后交換，進行研磨。直到砂模和焊頭處吻合密貼。需要注意的是，嚴禁不在焊頭處進行砂模研磨，這樣研磨后砂模完全不能和焊頭處吻合。

保證砂模居中，卡控三個環(huán)節(jié)，安裝底砂模，要以軌縫居中；安裝側(cè)砂模，要與軌縫居中；最后重點檢查軌底角處砂模的居中，由于不易觀察，要使用手電仔細檢查，才能確定是否居中對稱。

3.5 把控預(yù)熱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)最佳預(yù)熱效果

在預(yù)熱時，首先調(diào)整預(yù)熱槍支撐架居中，在此基礎(chǔ)上再調(diào)整預(yù)熱槍居中，包括軸向和橫向兩個方向。必須遵守規(guī)定預(yù)熱時間這個極其重要的技術(shù)參數(shù)：50 kg：4 min，60 kg：5 min，75 kg：6 min。只有在一些特殊情況下，才能去改變預(yù)熱時間(寒冷氣候，防回火塞被堵塞)，進行適當調(diào)整。在預(yù)熱期間安排1人專門觀察氣壓表壓力，控制氣體壓力，丙烷壓力為10 PSI(0.07 MPa或0.7 bar)，氧氣壓力70 PSI(0.49 MPa或4.9 bar)，一旦壓力不達標，要及時進行調(diào)整，同時調(diào)整火焰不能過于頻繁。

3.6 焊頭標準化清理打磨

針對焊頭夾皮、軌底腳鋼柱殘余導(dǎo)致的應(yīng)力集中，制作了焊頭標本，作為焊頭清理打磨標準化依據(jù)。現(xiàn)場配備電鎬和角向打磨機，重點對軌頭下顎、焊筋夾皮和鋼柱殘余進行清理。保證了作業(yè)能力和作業(yè)效率。

4 結(jié)語

大秦線鋁熱焊操作作業(yè)實踐證明，現(xiàn)場作業(yè)人員、主管人員通過關(guān)注關(guān)鍵工藝步驟，對現(xiàn)場鋁熱焊有針對性的進行控制，在關(guān)鍵環(huán)節(jié)控制技術(shù)參數(shù)，落實標準工藝，對常見問題進行重點檢查，特別是糾正作業(yè)人員在預(yù)熱時預(yù)熱槍不居中，焊頭夾皮清理不徹底的問題，這些措施都提高了鋁熱焊工藝的精細度，有效的降低焊接質(zhì)量風險，提高焊接合格率，減少上線使用安全隱患。

[1] 張明龍.無縫線路鋼軌鋁熱焊焊接質(zhì)量控制與提高[J].鐵道標準設(shè)計,2002，46(3)：43-44.

[2] 劉多偉.淺談鋁熱焊焊接鋼軌技術(shù)[J].山西建筑，2005，31(12):128.

On common craft problems in exothermic welding site along Datong-Qinhuangdao railway and its control measures

Zhang Shichao

(ChawuTrackMaintenanceDivision,Da-QinRailwayCo.,Ltd,Beijing101402,China)

The paper introduces the key steps and problems in craft operation for the exothermic welding of Railtech in France under the heavy-loaded conditions along Datong-Qinhuangdao railway, indicates the influence of these problems on the risks for the welding head and its defect, points out respective controlling measures from the adherence to technical parameter and implementation of craft standards by combining with the site of the railway, and proves by the site welding operation that the welding quality of the exothermic welding can be effectively controlled.

exothermic welding, steel rail, preheating, rail gap

2015-06-21

張士超(1985- )，男，助理工程師

1009-6825(2015)25-0149-02

U415.12

A