高速鐵路低溫下鋼軌鋁熱焊質(zhì)量控制與提高

張君 李琦 郭兵 李瑞偉

（沈陽(yáng)鐵路局科學(xué)技術(shù)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110013）

隨著我國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展，哈大、盤營(yíng)等北方高速線路相繼建成通車，鋁熱焊因其技術(shù)成熟，操作簡(jiǎn)便，設(shè)備整合度高，焊接質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高速鐵路的無(wú)縫線路焊接中。針對(duì)北方冬季低溫環(huán)境對(duì)鋼軌鋁熱焊產(chǎn)生的不利影響，我們進(jìn)行了缺陷產(chǎn)生原因分析，采取了一系列應(yīng)對(duì)措施，使得鋁熱焊頭質(zhì)量達(dá)到鐵標(biāo)相關(guān)要求。

1 低溫下高速鐵路的鋼軌鋁熱焊接工藝

低溫條件下，在高速鐵路上進(jìn)行鋼軌鋁熱焊接通常是在鋼軌折斷或接頭拉開(kāi)后的特殊條件下進(jìn)行，為保證線路及時(shí)開(kāi)通所采用，鋼軌焊接安裝時(shí)對(duì)環(huán)境條件、施工工具、施工工藝有嚴(yán)格的要求，是一項(xiàng)十分精細(xì)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鳎瑧?yīng)嚴(yán)格執(zhí)行鋁熱焊焊接工藝。

1.1 準(zhǔn)備工作

到達(dá)焊接施工現(xiàn)場(chǎng)后，應(yīng)先對(duì)工具設(shè)備和焊料進(jìn)行檢查，保證其滿足施工要求，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)焊接施工人員進(jìn)行合理分工，各負(fù)其責(zé)，同時(shí)清理排查一切可能在焊接過(guò)程中出現(xiàn)的安全隱患。

1.2 鋼軌檢查、軌端處理

①檢查鋼軌外觀是否帶傷如：開(kāi)裂、掉塊、壓塌等傷損軌頭必須切除（可以用探傷儀進(jìn)行探傷），是否是同型號(hào)鋼軌及規(guī)格。盡可能不要讓軌端間隙位于軌枕之上。

②清潔鋼軌，必須除銹、去油，軌端面應(yīng)為色澤均勻的銀灰色。用寬座直角尺測(cè)量，軌端面與鋼軌縱軸線垂直度應(yīng)小于1mm，若軌端垂直度達(dá)不到要求，需用端磨機(jī)進(jìn)行打磨。低溫條件（15℃以下）焊接時(shí)，必須用汽油噴燈對(duì)待焊端面兩側(cè)1m范圍內(nèi)鋼軌進(jìn)行預(yù)加溫處理。

1.3 待焊鋼軌端頭的對(duì)正

①利用鋼軌對(duì)正架的調(diào)整螺栓對(duì)端頭進(jìn)行對(duì)正。

②根據(jù)焊接工藝要求設(shè)置合適的焊縫間隙和尖點(diǎn)。

1.4 扣箱及封箱

安裝前應(yīng)檢查確認(rèn)砂模完好且未受潮。安裝時(shí)，砂模中心應(yīng)對(duì)準(zhǔn)焊縫中心，砂模內(nèi)側(cè)表面保證和待焊鋼軌外輪廓密貼且間隙均勻，確認(rèn)后可固定砂模并用封箱泥封閉砂?？p隙，操作時(shí)要有專人負(fù)責(zé)，封砂完畢后作業(yè)人員要逐個(gè)部位進(jìn)行搗實(shí)后的檢查，避免砂泥松動(dòng)或遺漏。

1.5 坩堝裝料及預(yù)熱并安裝支架

將焊劑倒入坩堝，成自然錐形，蓋上坩堝蓋，謹(jǐn)防受潮。安裝預(yù)熱器支架，將預(yù)熱槍頭調(diào)整至合適的高度，點(diǎn)火后通過(guò)調(diào)整氧氣和丙烷閥門開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)火焰長(zhǎng)度達(dá)到工藝要求，對(duì)準(zhǔn)砂模中心固定預(yù)熱槍槍頭，之后開(kāi)始用秒表計(jì)時(shí)。預(yù)熱時(shí)間取決于所使用的鋼軌型號(hào)和鋁熱焊劑類型，在低溫潮濕環(huán)境下，應(yīng)根據(jù)溫、濕度條件延長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間。預(yù)熱過(guò)程中，操作人員要仔細(xì)觀察模具四周是否有漏火處所，若有應(yīng)立即停止預(yù)熱待重新加固封砂泥后再進(jìn)行預(yù)熱。達(dá)到預(yù)熱溫度后，關(guān)火移槍并正確放置分流塞，注意不要將分流塞推入砂模入口，正確的預(yù)熱溫度分布效果如圖1所示。

1.6 澆注

預(yù)熱完成后迅速將坩堝安裝于砂模正上方，在焊劑頂部插入高溫火柴并點(diǎn)燃，焊劑開(kāi)始鋁熱反應(yīng)。焊接人員須佩戴墨鏡以便實(shí)時(shí)觀察反應(yīng)過(guò)程。反應(yīng)完成后，高溫鋼水流入砂模進(jìn)行澆注。當(dāng)灰渣停止流入灰渣盤時(shí)，用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)。澆注完成4min后，移除坩堝至干燥區(qū)域，而后撤除灰渣盤。

1.7 拆模

澆注結(jié)束5min后依次拆除砂模夾具、側(cè)模夾板及金屬底板和砂模。

1.8 推瘤

澆注結(jié)束6.5min后開(kāi)始推瘤。切忌過(guò)早推瘤，如果焊縫未降到工藝要求溫度即進(jìn)行推瘤，焊縫金屬組織就會(huì)因外力剪切作用而產(chǎn)生細(xì)微裂紋，形成降低焊縫強(qiáng)度的裂紋源。注意，推瘤前應(yīng)檢查推瘤刀刃是否完好，以防劃傷焊頭表面而造成焊接缺陷；推瘤刀刃距軌頂面1.5mm～2mm，以防止推瘤時(shí)栽頭。

1.9 打磨

推瘤完成后即開(kāi)始熱打磨，鋼軌焊縫頂面打磨余量+0.8～+1.0mm、兩側(cè)打磨至與既有鋼軌基本平齊，余量為0～+0.3mm。在澆注結(jié)束15分鐘后拆除對(duì)軌架。如果使用了起道機(jī)將軌端降低，則在澆注結(jié)束30分鐘后撤掉。冷打磨在澆注完成后1小時(shí)左右進(jìn)行，用1m平尺測(cè)量，鋼軌作用邊不超0～+0.2mm、頂面不超過(guò)0～+0.2 mm。應(yīng)控制冷打磨的速度，避免因打磨過(guò)快造成鋼軌表面淬火或發(fā)藍(lán)。打磨平順度鋼軌頭部?jī)蓚?cè)、軌腰部、軌底部應(yīng)滿足《高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則》中鋼軌焊接接頭平直度標(biāo)準(zhǔn)要求，哈大高速鐵路是按照速度200km/h～350km/h的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)的，見(jiàn)表1。

1.10 探傷

焊縫鋼軌溫度降至50℃以下后，即可對(duì)焊縫進(jìn)行超聲波探傷。

表1 鋼軌焊接接頭平直度標(biāo)準(zhǔn)

1.11 恢復(fù)線路

按照安裝扣件→檢查幾何尺寸→線路精調(diào)的順序恢復(fù)線路。

2 低溫下鋼軌鋁熱焊焊接缺陷成因和應(yīng)對(duì)措施

鋼軌焊接結(jié)束后除對(duì)焊縫外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查外，還需通過(guò)超聲波探傷對(duì)焊頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè)。無(wú)論外觀還是內(nèi)在焊接缺陷，其成因都是有規(guī)可循的，只有針對(duì)缺陷成因制定對(duì)應(yīng)措施，方能有效避免焊接缺陷，保障焊接質(zhì)量。

2.1 氣孔

①成因

氣孔是焊縫在凝固過(guò)程中產(chǎn)生和放出氣體所形成的。產(chǎn)生的主要原因是環(huán)境冷濕造成的焊劑、封箱泥和砂模潮濕；預(yù)熱溫度不夠；鎮(zhèn)靜時(shí)間不足等，因而低溫甚至雨雪天氣更易誘發(fā)此類缺陷。

②應(yīng)對(duì)措施

使用干燥且在保質(zhì)期內(nèi)的焊劑；封箱泥用量適當(dāng)；預(yù)熱使用高純度的燃?xì)猓槐ＷC足夠的鎮(zhèn)靜時(shí)間，使鋁熱反應(yīng)進(jìn)行得完全充分。

2.2 夾渣

①成因

焊縫端面不清潔；砂模內(nèi)落入雜質(zhì)；焊縫過(guò)大，造成鋼水量不足，熔渣不能完全排出；鎮(zhèn)靜時(shí)間不夠，反應(yīng)未完成就澆注，在砂模內(nèi)繼續(xù)反應(yīng)生成熔渣。

②應(yīng)對(duì)措施

砂模安裝前仔細(xì)檢查，清理掉渣和浮砂；焊前對(duì)兩待焊軌端面250 mm范圍內(nèi)鋼軌進(jìn)行除油和除銹；砂模安裝完成后要及時(shí)覆蓋型腔口，防止雜物落入砂模；保證鎮(zhèn)靜時(shí)間，控制反應(yīng)速度。

2.3 縮孔疏松

①成因

預(yù)熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；軌腰及軌腳部分有局部過(guò)熱現(xiàn)象；預(yù)熱位置不準(zhǔn)確。

②應(yīng)對(duì)措施

保證預(yù)熱溫度分布均勻，預(yù)熱槍定位準(zhǔn)確，不偏燒；低溫環(huán)境（軌溫低于15℃）時(shí)，需預(yù)熱焊縫兩側(cè)1m范圍內(nèi)至37℃；焊后需對(duì)焊縫采取保溫措施，防至冷卻過(guò)快。

2.4 未焊合

①成因

預(yù)熱溫度過(guò)低；焊縫間隙不適合導(dǎo)致的局部預(yù)熱不足；端面處理不徹底或有氧化層；未按工藝規(guī)定時(shí)間拆模及推瘤。

②應(yīng)對(duì)措施

依據(jù)施工時(shí)的氣候條件把控好預(yù)熱時(shí)間，確保預(yù)熱均勻和預(yù)熱溫度；對(duì)軌時(shí)，認(rèn)真測(cè)量軌縫預(yù)留寬度；嚴(yán)格執(zhí)行進(jìn)入下一工序的間隔時(shí)間；保證焊接時(shí)待焊軌位置不變動(dòng)。

2.5 裂紋

①成因

焊縫金屬凝固過(guò)程中，未達(dá)到足夠強(qiáng)度時(shí)即受到應(yīng)力作用。

②應(yīng)對(duì)措施

嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝規(guī)程，避免過(guò)早拆箱、推瘤和錘擊焊縫。

2.6 粗晶

①成因分析

冷卻速度過(guò)快，是造成粗晶的主要原因。

②預(yù)防措施

焊后對(duì)焊頭采取保溫措施，必要時(shí)可進(jìn)行焊后熱處理，以細(xì)化焊縫組織的晶粒度。

3 針對(duì)低溫條件鋼軌鋁熱焊的工藝方案

3.1 應(yīng)力放散配合鋁熱焊焊接施工

低溫下，為實(shí)現(xiàn)焊接后線路的應(yīng)力放散，需通過(guò)機(jī)械設(shè)備拉伸長(zhǎng)軌條以達(dá)到設(shè)計(jì)鎖定軌溫，并在鎖定狀態(tài)下對(duì)鋼軌進(jìn)行鋁熱焊接。通過(guò)機(jī)械的拉伸，既要保障焊接工藝規(guī)定的焊縫預(yù)留尺寸，又要使焊后線路的鎖定軌溫達(dá)到設(shè)計(jì)鎖定軌溫范圍內(nèi)。低溫條件下的應(yīng)力放散鋁熱焊施工應(yīng)把握以下要點(diǎn)：

在焊縫尺寸偏差允許范圍內(nèi)，通過(guò)鋸軌量控制放散軌條的鎖定軌溫偏差，并保證放散均勻。一旦焊接砂模合好，預(yù)熱開(kāi)始后，嚴(yán)禁撞竄鋼軌，以防焊縫尺寸變動(dòng)，造成預(yù)熱不勻，封箱泥松脫，跑鐵等問(wèn)題。

在放散軌條的鎖定軌溫允許偏差范圍內(nèi)（±5℃），通過(guò)拉伸量控制焊縫尺寸，使焊縫尺寸在公稱尺寸負(fù)偏差內(nèi)，以更多利用砂模對(duì)熱影響區(qū)保溫，更多利用多余焊劑對(duì)焊縫保溫，降低冷卻速度，最大限度減少低溫環(huán)境對(duì)焊接質(zhì)量的影響。

為保證焊接時(shí)焊縫尺寸不變，對(duì)長(zhǎng)鋼軌拉伸時(shí)所需拉力應(yīng)在施工前檢算，并對(duì)拉伸機(jī)（如圖2所示）夾具全面檢測(cè)，保證設(shè)備狀態(tài)滿足施工需要。低溫環(huán)境下，應(yīng)選用額定拉力750kN以上的分體式液壓鋼軌拉伸機(jī)，斜楔式夾軌，壓力可調(diào)節(jié)。只有在軌端間隙不變與拉伸機(jī)泵站壓力值穩(wěn)定后，方可按規(guī)定上扣件與做焊接復(fù)核標(biāo)記，而后按工藝要求對(duì)軌焊接。軌溫高于370℃時(shí)，不準(zhǔn)降壓與拆除拉伸機(jī)。軌溫高于300℃時(shí)，不準(zhǔn)放行列車。

3.2 加熱與保溫措施

經(jīng)過(guò)我們?cè)诠蟾哞F的施工試驗(yàn)，搭建保溫帳篷是應(yīng)對(duì)低溫環(huán)境對(duì)鋼軌鋁熱焊不利影響的有效措施。如圖3所示，帳篷支撐框架依照高鐵無(wú)渣軌道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，帳篷采用玻纖布夾巖棉氈的結(jié)構(gòu)，既防火阻燃，又起到良好的保溫效果，根據(jù)鋁熱焊接需要，配備了鋼軌電加熱裝置、電熱風(fēng)幕、照明燈和排風(fēng)扇。通過(guò)搭建的帳篷，使得焊縫周圍環(huán)境溫度大幅提高，極大降低了低溫焊接缺陷的產(chǎn)生機(jī)率。

焊后為降低焊縫冷卻速度，可采用加裝石棉保溫材料的保溫罩覆蓋焊頭，如圖4所示。避免因寒冷天氣造成的粗晶等缺陷。

3.3 焊后熱處理

焊后采用火焰正火的熱處理工藝。并使用圖4的保溫罩以降低冷卻速度。

熱處理工藝采用氧、乙炔燃燒火焰，通過(guò)加熱器（如圖5所示）對(duì)焊縫及熱影響區(qū)加熱至850℃，保溫5min。

經(jīng)過(guò)我們的試驗(yàn)，焊后對(duì)鋁熱焊接頭進(jìn)行火焰正火處理，可以細(xì)化焊縫組織的晶粒度，并提高焊頭的力學(xué)性能，尤其對(duì)于低溫條件下的焊接接頭，這一效果更為明顯，見(jiàn)表2。

結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合哈大高速鐵路冬季鋼軌鋁熱焊接低溫環(huán)境施工條件，介紹了鋁熱焊在高速鐵路上低溫環(huán)境下的焊接工藝以及應(yīng)對(duì)技術(shù)方案，通過(guò)對(duì)低溫條件下鋁熱焊接工藝及焊接缺陷應(yīng)對(duì)措施的探討，為我國(guó)高寒地區(qū)高速鐵路冬季鋼軌鋁熱焊施工提出了可行性方案，為高速鐵路冬季的維護(hù)施工提供了借鑒。

表2 60kg/m U75V鋁熱焊接頭力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

[1]曹喜君.無(wú)縫線路鋁熱焊施工方法[J].科技經(jīng)濟(jì)市場(chǎng)，2006（03）：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(cè)技術(shù)[J].鐵道建筑，2009（09）：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（05）：70-71.

[4]TG/GW115-2012，高速鐵路無(wú)砟軌道線路維修規(guī)則[S].

[5]崔成林，高松福，遲俊杰，等.國(guó)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（06）：96-100.

[6]李法恒.50kg/m鋼軌鋁熱焊接質(zhì)量控制[J].鐵道建筑，1991.

[7]楊建平.低溫環(huán)境下無(wú)縫線路應(yīng)力放散施工鋁熱焊焊接質(zhì)量的控制[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2002（03）：56-58.

[8]李力，李雁鳴，裘德海.鋼軌鋁熱焊焊后熱處理組織與性能[J].中國(guó)鐵路，1991（10）：29-31.

[9]丁韋，黃辰奎，楊來(lái)順，等.火焰正火對(duì)鋼軌焊接接頭金相組織及力學(xué)性能的影響[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2002（04）：95-98.