鋁熱焊接技術(shù)在無縫線路鋼軌焊接施工中的應(yīng)用

余江濤 中國鐵路上海局集團有限公司上海工務(wù)段

1 鋁熱焊施工工藝

1.1 工藝流程

該工藝流程共分12個步驟：去焊接現(xiàn)場前的準(zhǔn)備→到達焊接現(xiàn)場的準(zhǔn)備→軌道的準(zhǔn)備→鋼軌端頭對正→立砂?！A(yù)熱→裝焊劑、放置坩堝→點火、鋼水澆注→拆除砂模、推瘤→粗打磨→精打磨→焊頭檢測。為確保工地現(xiàn)場鋁熱焊接質(zhì)量，施工時必須嚴(yán)格按照工藝流程進行操作，控制好每一個步驟。

1.2 工藝操作

1.2.1 去焊接現(xiàn)場前準(zhǔn)備內(nèi)容

（1）編制當(dāng)日日計劃、派工單、焊接記錄必要項。

（2）點名預(yù)想，帶班人點名及下達任務(wù)。檢查所有作業(yè)人員是否按規(guī)定穿戴工作服和勞動保護用品。

（3）工具材料登記、清點，對所有機工具試發(fā)檢查狀態(tài)是否良好，檢查工具檢定合格證是否在有效期內(nèi)；材料開箱確認焊劑、坩堝有無損壞或受潮；氧氣、丙烷鋼瓶是否檢驗合格；氣體壓力是否符合要求。

（4）交通運輸工具檢查，出車前必須對運輸車盡量進行安全性能檢查，確保道路交通安全。

1.2.2 在焊接現(xiàn)場的準(zhǔn)備

（1）現(xiàn)場測量軌溫，掌握施工時的軌溫情況。

（2）確認鋼軌類型并記錄，檢查是否和焊劑類型一致。

（3）在線外合適的地方挖一個深300 mm的坑，放置澆注后的坩堝等廢棄物，要注意是否有地下電纜。

（4）氧氣、丙烷鋼瓶擺放滿足5 m以上，距離明火10 m以上。

（5）鋼軌兩端各卸掉3-6根軌枕上的扣件，如果是曲線部分，需依據(jù)曲線半徑的大小去掉更多的扣件。

1.2.3 軌道的準(zhǔn)備

（1）無縫線路根據(jù)配軌切割點進行鋸軌；有縫線路用一米直鋼尺檢查焊接處兩端軌縫的平直度和表面，檢查軌頭是否有壓塌現(xiàn)象，如有壓塌應(yīng)先進行鋸軌，鋸軌時，應(yīng)注意保證鋼軌斷面的垂直度，垂直高差為1 mm，不能內(nèi)斜，確保澆注時鋼水能灌滿軌縫，鋸軌外斜時，應(yīng)保證兩端軌頭上下間距均在25 mm-28 mm范圍內(nèi)。

（2）檢查鋼軌端頭的位置，鋁熱焊頭位置距軌枕邊緣不得小于100 mm。

（3）軌端干燥、打磨、除銹，使用預(yù)熱槍對鋼軌焊縫兩側(cè)各1米范圍內(nèi)進行烘烤去除水分并加熱至37℃；使用角磨機對軌端、兩側(cè)、軌底進行打磨清潔除銹，軌端需除去100 mm范圍內(nèi)的銹蝕和油污，踏面和工作面清理長度大于500 mm，距軌端50 mm用砂輪打磨機打磨至露出金屬光澤，軌端倒棱。對軌端進行打磨作業(yè),可消除鋼軌端面不平和鋼軌端面與縱軸線不垂直的差，偏差控制在1 mm之內(nèi)。

1.2.4 鋼軌端頭的對正

這是焊接過程中重要的步驟，鋼軌端頭對正時，須依次考慮四個參數(shù)，即間隙、尖點、水平對正和扭轉(zhuǎn)。

（1）間隙調(diào)整：軌端間隙必須為25 mm-28 mm(如果間隙＜25 mm將達不到預(yù)熱的效果，而且熔化的鋼水會因過量而溢出廢渣盤。如果間隙＞28 mm，預(yù)熱也將達不到效果，而且熔化的鋼水還會注不滿整個間隙)，間隙尺寸檢測采用梯度式測距尺或采用端帶尺分別測量鋼軌頭部和根部的兩點，得到四個尺寸，四個尺寸必須在公差范圍內(nèi)(25 mm-28 mm)。

（2）尖點(垂直對正)：在焊接之前，兩端鋼軌向上應(yīng)有一尖點，這樣就不會因施焊后的冷卻造成焊縫凹陷，并能保證留有一定的凸余量供打磨調(diào)平。調(diào)整方式為：將1 m直鋼尺放置在鋼軌運行表面的正中央，測量鋼軌運行表面與直尺軌端頭間隙值，法鋁正常尖點預(yù)留上拱度值為1.5 mm。對鋼軌在進行拉伸作業(yè)時,鎖定軌溫達到要求，拉伸作業(yè)結(jié)束后，將焊縫間隙控制在25 mm-28 mm之內(nèi)，鎖定焊縫兩端線路，確定焊縫沒有太大的變化,方可進行作業(yè)。

（3）水平對正：用直鋼尺分別檢查鋼軌對接處的一段鋼軌軌頭、軌腰和軌底，如果兩根鋼軌寬度稍有差異，將兩端鋼軌的中心線對齊，差異均分。當(dāng)高差＜3 mm時，用焊軌直尺將鋼軌作用面一側(cè)對齊(焊軌直尺全部靠在兩鋼軌作用面上)，再將焊軌直尺置于兩鋼軌端頭頂面，直尺端頭與鋼軌頂間隙(尖點尺寸)要嚴(yán)格保證：鋼筋混凝土軌枕為1.6根，木枕為3.2根。當(dāng)高差在3 mm～8 mm時，需采用特制的中和組件進行焊接,對軌的方法與高差＜3 mm時相同。鋼軌一側(cè)端頭過高(錯牙＞5 mm)時，要使用起道器將偏低的鋼軌端頭一端抬高，起道器要放在離該端4至5根軌枕處，抬高到兩鋼軌端頭水平,高低符合規(guī)定尺寸要求，直到焊接完畢焊頭溫度降至350℃以下時方可撤出起道器(根據(jù)經(jīng)驗,一般為澆注結(jié)束30 min撤出)。

（4）扭轉(zhuǎn)：軌頭內(nèi)側(cè)表面和軌肋的底部必須同時對直。端頭對正時用鋼軌對正架或?qū)φ龡U來調(diào)整各個參數(shù)。鋼軌端頭的對正是鋁熱焊接工藝中最難也是最關(guān)鍵的一個步驟，將直接影響到焊接接頭的質(zhì)量。在鋼軌端頭對正的過程中，絕對不能擾動施焊地段的鋼軌、軌枕，對正后，還要按照同樣的程序再檢查一遍，確保對正的準(zhǔn)確性。

1.2.5 立砂模

砂模安裝前將兩側(cè)的砂模在鋼軌上輕輕摩擦，使其與鋼軌結(jié)合得更緊密。砂模的中心線與鋼軌接頭的軸線必須在同一條直線上。在砂模的出料口及夾具螺紋處抹上防漏泥。如現(xiàn)場舊鋼軌垂直磨耗過大，應(yīng)選用接近垂直磨耗的再用短軌進行焊接，將砂模底部挫磨相應(yīng)高度，使砂模上部與軌面間隙＜1 mm，消滅焊接軌面的拗邊現(xiàn)象。

1.2.6 預(yù)熱

預(yù)熱也是焊接過程中的一道重要工序，其作用在于消除砂模中的濕氣及提高鋼軌和砂模的溫度，預(yù)防焊頭出現(xiàn)氣孔、夾渣等質(zhì)量缺陷。它以氧氣、丙烷為燃料，通過加熱器來完成，預(yù)熱過程如下：

（1）用軌溫計記錄鋼軌的溫度。

（2）使用調(diào)節(jié)器增大壓力，獲得丙烷壓力為10PSI，然后關(guān)掉氣瓶。

（3）將加熱器裝于支架上，調(diào)整噴咀對準(zhǔn)砂模的中心，并將分流塞放在砂模的邊緣上。

（4）將加熱器從支架上拿開，點燃噴火嘴。調(diào)整丙烷氣和氧氣的壓力混合比，得到最佳的火焰。預(yù)熱時間從火焰調(diào)節(jié)好之后計起，用跑表計時控制在5 min(60 kg/m鋼軌)左右，主要以軌腰顏色（橙紅色）及軌腰溫度為準(zhǔn)（700℃-900℃）。

（5）預(yù)熱完成后，將預(yù)熱器拿出，依次關(guān)掉丙烷氧氣、烷氣，操作時注意不要碰撞砂模壁。注意：預(yù)熱時要注意觀察各縫隙上的防漏泥是否有裂紋或掉落。

（6）在預(yù)熱之前或預(yù)熱過程中，再次檢查坩堝是否干凈，有無裂縫、裂紋；自熔塞是否安全地位于底部中央位置；焊劑的包裝袋在開封之前是否密封、干燥、是否有破裂或受潮，嚴(yán)禁使用結(jié)塊的焊劑。

1.2.7 點火、澆注

澆注前，焊工穿戴好安全保護裝備，待預(yù)熱結(jié)束后，將一次性坩堝放置在砂模的正中央，30 s內(nèi)將焊藥點燃，引火芯插入焊劑中最深為25 mm。在澆注的過程中，在鋼軌的兩側(cè)分別準(zhǔn)備兩根裹有防漏泥的堵漏棒，以防萬一有熔化鋼水漏出的情況發(fā)生。當(dāng)廢渣停止流出，按下跑表開始計時。

1.2.8 拆除砂模、推瘤

在澆注結(jié)束5 min時，拆除砂模；在澆注結(jié)束6.5 min時，將多余的焊料推除，并把軌底兩側(cè)凸出的焊料打彎。

1.2.9 熱打磨

熱打磨要在澆注完畢，推瘤機推瘤過后在進行，在鋼軌熱打磨過程中應(yīng)注意以下事項：

（1）穿戴好安全保護裝備。

（2）先打頂面再打側(cè)面最后打磨圓角。

（3）在鋼軌踏面上保留高出鋼軌+0.5 mm~1 mm的焊頭金屬。

（4）焊頭的內(nèi)側(cè)及外側(cè)與鋼軌的兩側(cè)平齊。

（5）在澆注結(jié)束15 min時去掉楔子。

（6）若使用了起軌器，在澆注后30 min將其撤掉。

1.2.10 精打磨

精打磨目的是去除由于焊接生成的任何幾何不連續(xù)表面缺陷。精打磨應(yīng)焊縫溫度低于90℃以下時進行。注意：千萬不能集中在某一處打磨過度，避免在短時高溫的條件下產(chǎn)生易斷裂的馬氏體晶粒，并邊檢測邊打磨直至符合質(zhì)量要求。

1.2.11 收尾

清理焊接現(xiàn)場的廢渣、廢料，在焊頭旁寫好焊接標(biāo)記，完成焊接記錄報告。

1.2.12 焊頭檢測

焊頭所有工序完成后，探傷人員對焊頭進行探傷并給出探傷結(jié)論，如焊頭有傷損，說明本次焊接失敗，按傷損等級重新安排計劃換軌焊接，并分析焊接失敗原因，制定整改措施，預(yù)防下次焊接出現(xiàn)同樣問題。

2 焊接的注意事項

2.1 焊接現(xiàn)場的準(zhǔn)備工作

挖洞之前一定要檢查是否有地下電纜,對任何會導(dǎo)致火災(zāi)或安全事故的隱患進行清除。進行鋁熱焊接及處理洞的地方要保持干燥。

2.2 鋼軌端頭的準(zhǔn)備工作

鋼軌端頭必須使用鋸軌機切割，確定以前未被氣焊或電焊過。鋼軌端頭的對正應(yīng)包括水平、縱向、扭轉(zhuǎn)、發(fā)現(xiàn)有傾斜的軌枕或低接頭，必須在鋼軌對正之前將該區(qū)域整平。如無特殊要求，不要增加或減短鋼軌的長度，以免影響鋼軌的無應(yīng)力溫度。移動鋼軌不要用錘子敲擊，要通過鋼軌墊板來調(diào)節(jié)，最好整根移動。

2.3 安裝模具

底托和砂模應(yīng)對稱于軌縫中心線安裝，安裝完畢后用紙板將砂?？谏w上。封箱泥均勻涂抹，不宜過多，以免水氣不易排出。

2.4 預(yù)熱

火焰調(diào)整好，預(yù)熱器正式就位并調(diào)節(jié)好火焰開始計時，預(yù)熱時間根據(jù)軌型選定，不要將加熱砂模邊緣的分流塞推進入口。

2.5 澆注

焊劑必須在預(yù)熱完畢后30 s之內(nèi)點燃。將點火引信插入焊劑中，最深為25 mm。當(dāng)廢渣停止流動時，開始計時。

2.6 拆除砂模與推瘤

在廢渣冷卻之后，方可將廢渣盤內(nèi)的廢渣倒入廢渣處理洞中。在澆注結(jié)束5 min后拆模。在澆注結(jié)束6.5 min后，可進行焊頭推瘤。

2.7 打磨

粗打磨時操作者與鋼軌保持一定距離，精打磨時不要在某一處打磨過度而造成鋼軌淬火。

3 常見焊接質(zhì)量缺陷及原因分析

3.1 常見的一些鋼軌焊接質(zhì)量缺陷

鋼軌軌頂咬邊、鋼軌熱裂紋、鋼軌焊接產(chǎn)生氣孔、鋼軌表面拉傷等等。

3.2 原因分析

（1）焊頭上拱、外觀超標(biāo)或出現(xiàn)高低接頭

其原因一是對軌時預(yù)留上拱度過大，焊后不按時復(fù)位；二是焊頭兩側(cè)鋼軌受力不對稱；三是新舊鋼軌磨耗程度各不相同，兩鋼軌端面高差較大；四是鋼軌端面與鋼軌縱軸線不垂直，鋼軌端面不平整，間隙距離超限，使加熱器不能正確對中，預(yù)熱不均勻；五是打磨焊縫經(jīng)驗不足，打磨過量，使焊頭接口處產(chǎn)生凹陷；六是安裝砂模時，在鋼軌表面與砂模之間存在2 mm～5 mm的縫隙，致使堵封泥侵入砂模內(nèi)，并殘留于鋼軌表面上，使個別焊縫與鋼軌母材表面結(jié)合部出現(xiàn)1 mm～2 mm的凹陷不平順，形成拗邊現(xiàn)象，這六個原因會出現(xiàn)焊頭上拱，外觀超標(biāo)或出現(xiàn)高低接頭。

（2）焊頭裂縫

其原因是在高溫時，焊頭受到了外力作用，拆除砂模打口柱以及推瘤時間過早，焊頭降溫速度過快引起裂縫。

（3）焊頭出現(xiàn)氣孔、夾雜物

其原因是砂模、坩堝、焊劑受潮；焊劑質(zhì)量存在問題；鎮(zhèn)靜時間不夠或鋁熱反應(yīng)不充分，澆入砂型后繼續(xù)作用形成氣孔、夾雜物。

（4）鋼水泄漏

其原因是在焊接過程中，由于焊接封箱人員操作不當(dāng)，封泥未封全面存在縫隙或模具受潮等因素，造成焊接鋼水在注入焊道時鋼水泄漏(俗稱“跑箱”)，影響焊縫質(zhì)量。

（5）焊頭未焊透

鋼軌預(yù)熱溫度低，或預(yù)熱后溫度降低過量，軌端處理不徹底導(dǎo)致鋼軌未焊合。

（6）焊頭過燒

待焊鋼軌預(yù)熱不均勻，出現(xiàn)熔融現(xiàn)象。

3.4 鋼軌焊接質(zhì)量提升及常見的缺陷預(yù)防措施

（1）焊接材料儲存與檢查

一是砂模、坩堝、焊劑儲存時必須選擇地勢較高并常年保持陰涼、干燥的倉庫，并在倉庫地面鋪隔層板與地面隔開，防止焊接材料受潮（另焊劑屬于易燃材料必須要有專用的危險品倉庫存放）；二是做好每個批次焊接材料的登記入庫，搬運時必須輕拿輕放，定期對儲存的焊接材料進行抽樣檢查，查看坩堝、砂模、焊劑有無開裂、受潮等現(xiàn)象，定期清理過期的焊接材料（目前焊接材料保質(zhì)期為2年），對長時間未使用并過期的焊接材料，及時清理并通知有關(guān)部門回收后妥善處理；三是對每個不同批次的焊接材料進行質(zhì)量檢驗，目前工區(qū)能做到的檢驗方式是，對每個不同批次焊接材料抽取1-2套進行焊接試驗，焊接后查看每個焊頭表面有無異樣，同時焊頭必須經(jīng)過探傷確認無傷，此批焊接材料才可上道使用，如試驗出現(xiàn)材料問題及時與有關(guān)部門聯(lián)系，及時更換掉整批次的焊接材料。

（2）焊接作業(yè)前工具、材料的檢查

焊接作業(yè)使用材料、工具裝車運輸前，再次檢查待使用焊接材料有無開裂、受潮現(xiàn)象并帶好備用工具及材料，搬運時輕拿輕放并歸類擺放妥當(dāng)確保運輸時不受影響，運輸時過程中控制車速避免太大顛簸造成材料、工具破損，焊接材料嚴(yán)禁受潮并遠離火種源。

到達施工現(xiàn)場后搬運材料、工具輕拿輕放避免材料、工具受損，搬運到位后開箱檢查每個砂模、坩堝有無破損，焊劑有無受潮現(xiàn)象，禁止有問題的材料上道焊接。

（3）焊接過程控制措

一是檢查待焊鋼軌軌縫、兩側(cè)軌端高差是否符合要求，最新要求高差不得超過3 mm，對軌時上拱度不宜過高，必須將軌縫控制在25 cm～28 cm的范圍以內(nèi)；二是安裝模具前檢查清潔情況，待焊鋼軌的兩個端面必須清潔徹底，安裝模具后嚴(yán)禁將異物落入型腔內(nèi)，砂型研磨后底清理型腔內(nèi)的浮砂，砂型合箱后如有錯位，必重新打開砂型并清理型腔內(nèi)部以及待焊鋼軌的兩個端面，封箱泥不得太潮濕且涂抹不易過多；三是預(yù)熱溫度必須達到800℃～900℃，鋼軌預(yù)熱完畢放置坩堝時一定要將澆注口放置在砂型上方中央不可偏斜；四是在整個焊接過程中嚴(yán)禁踩踏、敲擊、撬動等有任何擾動待焊軌作業(yè)，焊頭澆筑完畢后，焊頭溫度溫度高于300℃嚴(yán)禁拆除對軌設(shè)備，必須溫度降至300℃以下才可拆除對軌設(shè)備；五是嚴(yán)格按照工藝要求的時間進行拆箱和推瘤作業(yè)；六是氣溫較高或較低時，鋼軌會隨氣溫變化膨脹或收縮變化較大時，應(yīng)采用鋼軌拉伸器固定好焊縫保持軌縫大小不變。

通過以上介紹的這些措施更好的預(yù)防鋼軌焊接質(zhì)量出現(xiàn)缺陷，進一步提升鋼軌焊接質(zhì)量。

4 結(jié)束語

鋪設(shè)無縫線路是鐵路提速重載運輸發(fā)展的需要,是減少鋼軌接頭,延長軌道使用壽命的有效手段。鋼軌鋁熱焊接技術(shù)具有設(shè)備簡單、操作方便、作業(yè)時間短、占用空間小等優(yōu)點,成為區(qū)間無縫線路、跨區(qū)間超長無縫線路的鋪設(shè),以及無縫線路傷損處理原位焊復(fù)重要的焊接方法之一。我國鋁熱焊接頭焊后熱處理工藝的應(yīng)用，鋁熱焊接頭整體正火、軌頂局部淬火加自熱回火熱處理工藝為國內(nèi)外首創(chuàng)，其接頭性能滿足軌頂耐磨，接頭整體強韌性高的要求，其成果已運用于大秦線75kg/m PD2軌全長淬火鋼軌的焊接。我國的鋁熱焊接技術(shù)自20世紀(jì)80年代以來有了實質(zhì)性的提高，已達到國際先進水平。

本文根據(jù)我段近幾年進行鋼軌鋁熱焊焊接管理工作的實際,主要描述了法國鋼軌鋁熱焊接的焊接工具、鋁熱焊接的施工工藝、對常見焊接中的質(zhì)量缺陷進行了分析，通過焊縫的修整、焊頭打磨等方面對焊接的質(zhì)量進行控制。目前鋼軌的焊接是鋪設(shè)無縫線路技術(shù)的難點之一，尤其是既有線現(xiàn)場的焊接，鋁熱焊接質(zhì)量的控制需要不斷加強焊軌人員的專業(yè)技術(shù)培訓(xùn)與學(xué)習(xí)，嚴(yán)格按照工藝流程與技術(shù)指標(biāo)進行操作，同時做好焊接質(zhì)量的跟蹤調(diào)查分析，并對特殊條件下鋁熱焊焊接工藝進行調(diào)整，不斷總結(jié)現(xiàn)場施工經(jīng)驗，以確保鋼軌接頭鋁熱焊焊接質(zhì)量達到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。