哈齊客專無縫線路焊接技術(shù)研究

李俊生

（中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司，河北 唐山 064000）

1 工程概況

中國最北部高寒地區(qū)的首條城際高鐵客運(yùn)專線——哈齊客專，是黑龍江省會(huì)哈爾濱至黑龍江第二大城市齊齊哈爾之間的高速鐵路客運(yùn)專線，是國家“十二五”規(guī)劃的重點(diǎn)工程。線路自哈爾濱站引出，經(jīng)肇東、安達(dá)、大慶、泰康至齊齊哈爾，止于齊齊哈爾南站，列車設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)速250km/h，并預(yù)留300km/h運(yùn)行條件，線路全長279km，線路類型為無砟軌道。無縫鋼軌軌道標(biāo)準(zhǔn)1435mm（標(biāo)準(zhǔn)軌），正線線間距4.8m，曲率半徑最小5500m，最大坡度20‰，閉塞類型為自動(dòng)閉塞；設(shè)計(jì)規(guī)范要求焊縫必須控制在25mm±2mm范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)和原材料都是高標(biāo)準(zhǔn)的。當(dāng)?shù)叵募靖邷囟嘤辍⒍竞涓稍锒囡L(fēng)。

目前，應(yīng)用于無縫線路鋼軌的焊接技術(shù)主要有閃光焊、氣壓焊、鋁熱焊和電弧焊［1］。本項(xiàng)目主要采用閃光焊和鋁熱焊，其中閃光焊主要用在生產(chǎn)焊軌車間，把標(biāo)準(zhǔn)長度鋼軌加工成鋪設(shè)所需的長鋼軌，再由鋪軌機(jī)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場鋪設(shè)到線路上；然后用施工工藝簡單、便于現(xiàn)場操作和使用的鋁熱焊技術(shù)焊接成無縫線路。本文主要闡述了現(xiàn)場鋁熱焊的無縫線路焊接。

2 現(xiàn)場焊接

2.1 鋁熱焊施工原理

鋁熱焊是應(yīng)用鋁和氧化鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)置換出鐵的原理而形成的一種鋼軌焊接技術(shù)，即鋁熱反應(yīng)（Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3）。具體原理是點(diǎn)燃坩堝中的鋁熱焊劑，促使鋁與氧化鐵發(fā)生反應(yīng)，氧化鐵在高溫下被還原成鐵水，并與焊劑中其它的添加元素發(fā)生一定反應(yīng)后形成具有特定化學(xué)成分的鋼水，因其比重大，待反應(yīng)完成后高溫鋼水釋放至連接兩根鋼軌的耐高溫砂型中，同時(shí)較高溫度的鋼水與兩軌端產(chǎn)生一定的物理和化學(xué)作用，待鋼水與軌端冷卻后可將兩根鋼軌焊接在一起［2］。

但是在進(jìn)行現(xiàn)場鋼軌的焊接之前，鋁熱焊必須先做樣本檢測，確保焊接技術(shù)缺陷率控制在技術(shù)規(guī)范以內(nèi)。焊接樣本由焊接在一起的兩段長度至少為75cm的鋼軌構(gòu)成。送檢的樣本應(yīng)取3個(gè)，檢測時(shí)對(duì)所有樣本進(jìn)行X光測試，然后對(duì)其中的2個(gè)進(jìn)行彎曲試驗(yàn)；另一個(gè)樣本進(jìn)行硬度測試。所有檢測合格后方可進(jìn)行現(xiàn)場鋁熱焊施工。

2.2 現(xiàn)場焊接工藝流程

哈齊客專鋁熱焊接工藝主要流程為：現(xiàn)場準(zhǔn)備工作、軌道的準(zhǔn)備、鋼軌的對(duì)正、砂模的安裝、預(yù)熱、坩堝的準(zhǔn)備、澆注、拆模與除瘤、打磨、收尾工作。

2.3 現(xiàn)場焊接施工過程

哈齊客專無縫線路是采用鋁熱焊焊劑和焊接技術(shù)把單元軌連接起來形成的?，F(xiàn)場鋁熱焊接的質(zhì)量好壞將直接影響到以后無縫線路的使用壽命及安全。因此，如何保證現(xiàn)場鋁熱焊接的質(zhì)量是關(guān)鍵。而焊接的每步操作都會(huì)影響焊接的質(zhì)量，所以每個(gè)步驟都要嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行。

2.3.1 焊接現(xiàn)場的準(zhǔn)備工作

（1）人員、機(jī)具準(zhǔn)備。根據(jù)工期安排及現(xiàn)場情況，合理配備施工人員，合理安排輔助機(jī)械、輔助設(shè)備和消耗物資的進(jìn)場及供應(yīng)。特種作業(yè)人員必須持有相關(guān)上崗證件，并經(jīng)崗前技術(shù)安全培訓(xùn)。

（2）焊劑與模具檢查。焊工要檢查并確認(rèn)施工過程中所有必需的工具、材料齊全良好，主要為：確保焊劑要包裹在密封袋中，并有標(biāo)簽以表明焊接類型等；確保焊劑的類型要與鋼軌材質(zhì)相匹配；對(duì)模具進(jìn)行完整性目檢，一旦發(fā)現(xiàn)有缺陷的模具，應(yīng)做打碎、丟棄處理，堅(jiān)決不能使用。

（3）對(duì)焊接現(xiàn)場進(jìn)行全面檢查，清除任何可能導(dǎo)致火災(zāi)或安全事故的隱患。軌道需完成應(yīng)力放散并且鎖定，保證鋁熱焊區(qū)域干燥，道床清理干凈。

（4）從焊縫兩側(cè)鋼軌開始，每一側(cè)松開2～4組扣件，然后將至少50m范圍內(nèi)的鋼軌扣件按規(guī)范鎖緊，并在焊縫兩側(cè)各第一個(gè)鎖緊扣件處的鋼軌上，做劃線記號(hào)以便觀察鋼軌移動(dòng)。

（5）確認(rèn)鋼軌的間隙確保距離軌枕不小于100mm，否則焊接前應(yīng)先調(diào)枕。

（6）針對(duì)沙塵暴天氣，預(yù)先準(zhǔn)備可快速組裝拆卸的防風(fēng)帳篷，在帳篷內(nèi)焊接，防止形成砂缺陷。

2.3.2 軌道的準(zhǔn)備工作

（1）焊接前除去間隙下方的道碴，在水平面和垂直面內(nèi)都要對(duì)鋼軌端面進(jìn)行精確校準(zhǔn)，確保鋼軌端面要和走行面垂直，否則應(yīng)對(duì)鋼軌進(jìn)行切割處理。為了補(bǔ)償由于熱收縮造成的焊縫高度降低，鋼軌的2個(gè)焊接端應(yīng)有適量的上拱，但上拱度不宜過大［3］。

（2）在距軌端50mm范圍內(nèi)，用角磨機(jī)和鋼絲刷對(duì)焊接鋼軌的端面、軌頭、軌要、軌腳和軌底進(jìn)行打磨清污除銹，要特別注意將軌底打磨清潔干凈。如果清理不徹底會(huì)引起焊接接頭多孔等質(zhì)量問題。

（3）確認(rèn)鋼軌端部的幾何形狀、尺寸以及是否有裂紋，必要時(shí)再次截?。粰z查鋼軌端頭是否影響正確的模具布置，必要時(shí)進(jìn)行打磨處理。

（4）檢查軌頭情況，如有壓塌應(yīng)先鋸軌。鋸軌時(shí)應(yīng)注意保證鋼軌斷面的垂直度，不能出現(xiàn)內(nèi)斜；外斜時(shí)，應(yīng)保證兩軌頭上下間距在23～27mm范圍內(nèi)。

（5）保證鋼軌端頭的垂直公差為1.0mm，且端頭以前未被氣焊或電焊過。

2.3.3 鋼軌的對(duì)正

焊接前，要用復(fù)合軌弦對(duì)所有鋼軌進(jìn)行檢查，鋼軌必須以軌腳處為基準(zhǔn)，正確控制軌縫寬度。（1）水平調(diào)整：軌頭焊縫間距為25±2mm，用1m直尺分別檢查焊縫兩端鋼軌軌頭兩側(cè)、軌腳兩側(cè)是否平直（如圖1）。如有偏差，用對(duì)軌架或者鋼楔子進(jìn)行調(diào)節(jié)，軌頭側(cè)面以行車面為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。

圖1 軌端示意圖

（2）尖點(diǎn)調(diào)整：將1m直尺自由放置在軌頂，使其中點(diǎn)與焊縫中點(diǎn)相重合，用對(duì)軌架或者鋼楔子對(duì)軌端高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使直尺的兩個(gè)端部與軌頂之間的間隙為1.5～2mm。

鋼軌端頭的對(duì)正是鋁熱焊接工藝中最難也是很關(guān)鍵的一個(gè)步驟，在鋼軌端頭對(duì)正的過程中，絕對(duì)不要踩在鋼軌上；而且對(duì)正好后，要按照同樣的程序再重新檢查一遍，確保對(duì)正的準(zhǔn)確性。

2.3.4 砂模的安裝

（1）確認(rèn)砂型無裂痕、無缺損、無受潮，否則不能使用。砂型澆注孔略作休整，防止預(yù)熱和澆注時(shí)砂粒脫落，造成焊接夾渣。必要時(shí)，將砂型貼合鋼軌側(cè)面進(jìn)行左右摩擦，使砂型與鋼軌裝配處緊密貼合，所有影響砂模精確定位的缺陷必須去除（如果砂型與鋼軌配合不良，可能會(huì)造成鋼水泄漏）。

（2）首先對(duì)準(zhǔn)焊縫中心線安放好模具夾，并與軌底垂直，然后安裝模具，使模具中心與焊縫對(duì)正，最后精確校正擰緊螺栓。按先兩長邊后兩短邊的順序在基板上涂好密封劑后安裝基板，要求雙手同時(shí)操作，確?；寰_對(duì)位后同時(shí)上兩端固定卡扣。

（3）在砂模的出料口及夾具螺紋處抹上防漏泥。安裝砂型過程中，切勿讓砂粒等雜物落入焊縫型腔內(nèi)，必要時(shí)，封箱后用吹風(fēng)機(jī)或預(yù)熱槍去槍頭吹出焊縫型腔內(nèi)的雜物。

2.3.5 預(yù)熱

預(yù)熱是鋁熱焊的重要工藝因素，其可以消除砂模中殘余濕氣含量和提高鋼軌及砂模的溫度。其過程如下：

（1）安裝預(yù)熱器支架，調(diào)整預(yù)熱槍頭到合適高度，調(diào)節(jié)槍頭垂直并在焊縫中的位置，前后左右置中（見圖2）。

（2）調(diào)節(jié)火焰：先微開預(yù)熱槍的氧氣閥門，3s后微開丙烷閥門，再點(diǎn)火，然后交替開大2個(gè)閥門，直到氧氣閥門完全打開。調(diào)節(jié)丙烷閥門，控制火焰形態(tài)，使藍(lán)色的焰芯長度保持在15～20mm范圍內(nèi)。

（3）用預(yù)熱槍對(duì)2個(gè)灰渣盤稍做烘烤，去除灰渣盤可能帶有的水分。

（4）將預(yù)熱槍安放在預(yù)熱支架上，火焰噴到澆注孔開始預(yù)熱，控制火焰長度大約50cm，預(yù)熱時(shí)間為4～5min。預(yù)熱期間，要對(duì)密封效果進(jìn)行檢查，確保密封正常。

（5）密切關(guān)注整個(gè)預(yù)熱過程，特別是軌腰受熱顏色的變化，預(yù)熱完成后，軌腰的溫度為950℃～1000℃，其顏色為亮黃色。

（6）預(yù)熱完成，先關(guān)掉丙烷氣，后關(guān)掉氧氣，將預(yù)熱器拿出，操作時(shí)注意不要將砂模壁碰壞。

圖2 預(yù)熱

2.3.6 坩堝的準(zhǔn)備

首先確認(rèn)坩堝壁、自熔塞完好無損，清理并倒出坩堝內(nèi)浮砂；然后檢查焊藥包，確保焊藥的包裝袋是密封并且是干燥的，焊藥包不能有破裂或受潮，杜絕使用結(jié)塊的焊劑；最后將自熔塞安裝于底部中央位置，在焊藥包內(nèi)將焊劑反復(fù)傾倒3次，混合均勻后倒入坩堝中。

2.3.7 澆注

（1）預(yù)熱結(jié)束后，立即將一次性坩堝放置在砂模的正中央，取出坩堝內(nèi)高溫火柴擦燃，然后輕而穩(wěn)地將高溫火柴2/3長度插入焊劑錐形頂部，點(diǎn)燃焊劑，迅速蓋上坩堝蓋，所有人員退離到安全距離。

（2）當(dāng)坩堝蓋孔一旦出現(xiàn)明火時(shí)，說明焊劑反應(yīng)開始，反應(yīng)時(shí)長一般為8～15s，一旦明火出現(xiàn)迅速萎縮，則為焊劑反應(yīng)結(jié)束。

（3）當(dāng)坩堝底部一旦出現(xiàn)鋼水時(shí)，即為鋼水落下時(shí)間。鋼水落下與焊劑反應(yīng)結(jié)束的時(shí)間間隔為鋼水鎮(zhèn)靜時(shí)間。

2.3.8 拆模與推瘤

（1）澆鑄完成后2min移去坩堝，將其放在干燥、無易燃物的地方，然后移去灰渣盤，并將灰渣倒入坩堝中。

（2）澆鑄完成后4.5min，拆除模板和夾具裝置。在拆除模板過程中一定要小心，不要晃動(dòng)砂型，更不能拉裂砂型，以免影響焊縫金屬的正常結(jié)晶。甚至導(dǎo)致砂型開裂，鋼水流出。用熱切除法除去焊頭的頂部，除掉冒出的焊料，檢查鋼水如果是液態(tài)，不要繼續(xù)拆模，清理鋼軌焊接表面已變干的密封膠泥。

（3）澆注完成6.5min后，用尖錘輕輕鑿去頂部部分，用液壓自動(dòng)推鎦刀切除多余的焊料至鋼軌輪廓，軌腰處凸出的焊料打彎，以便打磨機(jī)打磨焊頭。用錘子和鑿子去除廢料時(shí)要防止將焊縫內(nèi)的材料一同鑿掉。

（4）澆注8.5min開始推瘤，推瘤不能過早或過晚。推瘤過早會(huì)因軌頭硬度過軟而容易拉傷軌面，推瘤過遲會(huì)因軌頭硬度過硬而難以推除焊瘤。

2.3.9 打磨

（1）熱打磨通常稱為粗打磨，是必須要做的一道工序，需將軌頭的頂面、軌距面和底面打磨到標(biāo)準(zhǔn)軌的輪廓，并用手工刨進(jìn)行拋光。打磨順序一般為先作用面，后非作用面，先軌頂面，再側(cè)面，最后棱角，打磨時(shí)不用過量，要在鋼軌踏面上保留一定厚度的焊接金屬。焊縫兩側(cè)50mm內(nèi)，減小打磨力度，防止出現(xiàn)凹凸不平。

（2）冷打磨是為了除掉由于焊接生成的任何幾何不連續(xù)。冷打磨一般澆注1h后，對(duì)鋼軌表面進(jìn)行冷打磨使其整體平齊，注意千萬不要在某一處打磨過度而造成鋼軌淬火（發(fā)藍(lán)現(xiàn)象）。做到寧可少打不可多打，邊打邊檢測直至達(dá)到規(guī)范要求為止。

（3）焊頭冷卻后進(jìn)行精磨，使其外觀質(zhì)量符合要求。打磨過程中要不間斷移動(dòng)打磨機(jī)，防止在某一處過量打磨而形成淬火。

（4）焊接接頭打磨后進(jìn)行外觀質(zhì)量檢測，焊縫及兩側(cè)100mm范圍內(nèi)不能有壓痕、碰痕、劃傷及電擊傷等缺陷。

以上工作完畢后，焊工應(yīng)徹底清理焊凸緣，去掉毛刺，并清除焊接現(xiàn)場，完成焊接記錄報(bào)告。每個(gè)焊接接頭都應(yīng)在焊接完成后進(jìn)行超聲波探傷。若發(fā)現(xiàn)焊頭任何部位有未焊透、裂紋、氣孔、夾雜物等有害缺陷，應(yīng)予重焊。

3 結(jié)束語

哈齊客專是中國最北部高寒地區(qū)的首條城際高鐵客運(yùn)專線，質(zhì)量要求高?，F(xiàn)場閃光焊工藝較基地焊簡單，且焊接質(zhì)量要求不低于基地閃光焊，因此，焊接實(shí)施過程較基地焊復(fù)雜。在焊接過程中受環(huán)境因素影響較大，尤其在低溫和潮濕環(huán)境下，焊接質(zhì)量很容易出現(xiàn)問題。因此，本文通過現(xiàn)場實(shí)際情況研究制定了相應(yīng)的焊接工藝和保護(hù)措施，并對(duì)放散鎖定中可能產(chǎn)生的問題進(jìn)行研究制定相應(yīng)措施，在哈齊客專上應(yīng)用良好。此外，現(xiàn)場焊接正火后往往會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中、現(xiàn)場探傷率較低等現(xiàn)象，為了將缺陷率控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況采取了以下技術(shù)和管理措施：

（1）施工人員必須接受培訓(xùn)，掌握各工序的工藝后才能上崗，且施工過程中要嚴(yán)格按照規(guī)范操作。

（2）應(yīng)安排專人對(duì)原材料進(jìn)行管理，確保原材料符合質(zhì)量要求。

（3）鋸軌和打磨時(shí)一定要徹底清理各種油污和銹漬。

（4）鋼軌端頭對(duì)正時(shí)，軌端間距要控制好，應(yīng)反復(fù)多次檢查，確保軌頭對(duì)位的精準(zhǔn)性。

（5）拆模時(shí)機(jī)不能過早，防止由于快速降溫導(dǎo)致開裂。

精細(xì)技術(shù)措施固然重要，但切實(shí)有效的管理措施也不能放松，只有二者密切結(jié)合，才會(huì)更好的保證焊接質(zhì)量，確保線路將來能安全高效的運(yùn)行。

［1］ 張銀花，周清躍，陳朝陽，等. 北美重載鐵路鋼軌技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］. 鐵道技術(shù)監(jiān)督，2015，（07）：45-47.

［2］ 殷立達(dá)，朱文杰，王幫焱，等. 現(xiàn)代有軌電車槽型軌鋁熱焊接技術(shù)與應(yīng)用［J］. 都市快軌交通，2014，（02）：56-58.

［3］ 胡寶林，趙旗偉，楊艷寶. 單向交流電源與中頻逆變直流電源點(diǎn)焊工藝特性研究［J］. 現(xiàn)代焊接，2014，（04）：69-71.