铝热焊接技术在无缝线路钢轨焊接施工中的应用

余江涛 中国铁路上海局集团有限公司上海工务段

1 铝热焊施工工艺

1.1 工艺流程

该工艺流程共分12个步骤：去焊接现场前的准备→到达焊接现场的准备→轨道的准备→钢轨端头对正→立砂模→预热→装焊剂、放置坩埚→点火、钢水浇注→拆除砂模、推瘤→粗打磨→精打磨→焊头检测。为确保工地现场铝热焊接质量，施工时必须严格按照工艺流程进行操作，控制好每一个步骤。

1.2 工艺操作

1.2.1 去焊接现场前准备内容

（1）编制当日日计划、派工单、焊接记录必要项。

（2）点名预想，带班人点名及下达任务。检查所有作业人员是否按规定穿戴工作服和劳动保护用品。

（3）工具材料登记、清点，对所有机工具试发检查状态是否良好，检查工具检定合格证是否在有效期内；材料开箱确认焊剂、坩埚有无损坏或受潮；氧气、丙烷钢瓶是否检验合格；气体压力是否符合要求。

（4）交通运输工具检查，出车前必须对运输车尽量进行安全性能检查，确保道路交通安全。

1.2.2 在焊接现场的准备

（1）现场测量轨温，掌握施工时的轨温情况。

（2）确认钢轨类型并记录，检查是否和焊剂类型一致。

（3）在线外合适的地方挖一个深300 mm的坑，放置浇注后的坩埚等废弃物，要注意是否有地下电缆。

（4）氧气、丙烷钢瓶摆放满足5 m以上，距离明火10 m以上。

（5）钢轨两端各卸掉3-6根轨枕上的扣件，如果是曲线部分，需依据曲线半径的大小去掉更多的扣件。

1.2.3 轨道的准备

（1）无缝线路根据配轨切割点进行锯轨；有缝线路用一米直钢尺检查焊接处两端轨缝的平直度和表面，检查轨头是否有压塌现象，如有压塌应先进行锯轨，锯轨时，应注意保证钢轨断面的垂直度，垂直高差为1 mm，不能内斜，确保浇注时钢水能灌满轨缝，锯轨外斜时，应保证两端轨头上下间距均在25 mm-28 mm范围内。

（2）检查钢轨端头的位置，铝热焊头位置距轨枕边缘不得小于100 mm。

（3）轨端干燥、打磨、除锈，使用预热枪对钢轨焊缝两侧各1米范围内进行烘烤去除水分并加热至37℃；使用角磨机对轨端、两侧、轨底进行打磨清洁除锈，轨端需除去100 mm范围内的锈蚀和油污，踏面和工作面清理长度大于500 mm，距轨端50 mm用砂轮打磨机打磨至露出金属光泽，轨端倒棱。对轨端进行打磨作业,可消除钢轨端面不平和钢轨端面与纵轴线不垂直的差，偏差控制在1 mm之内。

1.2.4 钢轨端头的对正

这是焊接过程中重要的步骤，钢轨端头对正时，须依次考虑四个参数，即间隙、尖点、水平对正和扭转。

（1）间隙调整：轨端间隙必须为25 mm-28 mm(如果间隙＜25 mm将达不到预热的效果，而且熔化的钢水会因过量而溢出废渣盘。如果间隙＞28 mm，预热也将达不到效果，而且熔化的钢水还会注不满整个间隙)，间隙尺寸检测采用梯度式测距尺或采用端带尺分别测量钢轨头部和根部的两点，得到四个尺寸，四个尺寸必须在公差范围内(25 mm-28 mm)。

（2）尖点(垂直对正)：在焊接之前，两端钢轨向上应有一尖点，这样就不会因施焊后的冷却造成焊缝凹陷，并能保证留有一定的凸余量供打磨调平。调整方式为：将1 m直钢尺放置在钢轨运行表面的正中央，测量钢轨运行表面与直尺轨端头间隙值，法铝正常尖点预留上拱度值为1.5 mm。对钢轨在进行拉伸作业时,锁定轨温达到要求，拉伸作业结束后，将焊缝间隙控制在25 mm-28 mm之内，锁定焊缝两端线路，确定焊缝没有太大的变化,方可进行作业。

（3）水平对正：用直钢尺分别检查钢轨对接处的一段钢轨轨头、轨腰和轨底，如果两根钢轨宽度稍有差异，将两端钢轨的中心线对齐，差异均分。当高差＜3 mm时，用焊轨直尺将钢轨作用面一侧对齐(焊轨直尺全部靠在两钢轨作用面上)，再将焊轨直尺置于两钢轨端头顶面，直尺端头与钢轨顶间隙(尖点尺寸)要严格保证：钢筋混凝土轨枕为1.6根，木枕为3.2根。当高差在3 mm～8 mm时，需采用特制的中和组件进行焊接,对轨的方法与高差＜3 mm时相同。钢轨一侧端头过高(错牙＞5 mm)时，要使用起道器将偏低的钢轨端头一端抬高，起道器要放在离该端4至5根轨枕处，抬高到两钢轨端头水平,高低符合规定尺寸要求，直到焊接完毕焊头温度降至350℃以下时方可撤出起道器(根据经验,一般为浇注结束30 min撤出)。

（4）扭转：轨头内侧表面和轨肋的底部必须同时对直。端头对正时用钢轨对正架或对正杆来调整各个参数。钢轨端头的对正是铝热焊接工艺中最难也是最关键的一个步骤，将直接影响到焊接接头的质量。在钢轨端头对正的过程中，绝对不能扰动施焊地段的钢轨、轨枕，对正后，还要按照同样的程序再检查一遍，确保对正的准确性。

1.2.5 立砂模

砂模安装前将两侧的砂模在钢轨上轻轻摩擦，使其与钢轨结合得更紧密。砂模的中心线与钢轨接头的轴线必须在同一条直线上。在砂模的出料口及夹具螺纹处抹上防漏泥。如现场旧钢轨垂直磨耗过大，应选用接近垂直磨耗的再用短轨进行焊接，将砂模底部挫磨相应高度，使砂模上部与轨面间隙＜1 mm，消灭焊接轨面的拗边现象。

1.2.6 预热

预热也是焊接过程中的一道重要工序，其作用在于消除砂模中的湿气及提高钢轨和砂模的温度，预防焊头出现气孔、夹渣等质量缺陷。它以氧气、丙烷为燃料，通过加热器来完成，预热过程如下：

（1）用轨温计记录钢轨的温度。

（2）使用调节器增大压力，获得丙烷压力为10PSI，然后关掉气瓶。

（3）将加热器装于支架上，调整喷咀对准砂模的中心，并将分流塞放在砂模的边缘上。

（4）将加热器从支架上拿开，点燃喷火嘴。调整丙烷气和氧气的压力混合比，得到最佳的火焰。预热时间从火焰调节好之后计起，用跑表计时控制在5 min(60 kg/m钢轨)左右，主要以轨腰颜色（橙红色）及轨腰温度为准（700℃-900℃）。

（5）预热完成后，将预热器拿出，依次关掉丙烷氧气、烷气，操作时注意不要碰撞砂模壁。注意：预热时要注意观察各缝隙上的防漏泥是否有裂纹或掉落。

（6）在预热之前或预热过程中，再次检查坩埚是否干净，有无裂缝、裂纹；自熔塞是否安全地位于底部中央位置；焊剂的包装袋在开封之前是否密封、干燥、是否有破裂或受潮，严禁使用结块的焊剂。

1.2.7 点火、浇注

浇注前，焊工穿戴好安全保护装备，待预热结束后，将一次性坩埚放置在砂模的正中央，30 s内将焊药点燃，引火芯插入焊剂中最深为25 mm。在浇注的过程中，在钢轨的两侧分别准备两根裹有防漏泥的堵漏棒，以防万一有熔化钢水漏出的情况发生。当废渣停止流出，按下跑表开始计时。

1.2.8 拆除砂模、推瘤

在浇注结束5 min时，拆除砂模；在浇注结束6.5 min时，将多余的焊料推除，并把轨底两侧凸出的焊料打弯。

1.2.9 热打磨

热打磨要在浇注完毕，推瘤机推瘤过后在进行，在钢轨热打磨过程中应注意以下事项：

（1）穿戴好安全保护装备。

（2）先打顶面再打侧面最后打磨圆角。

（3）在钢轨踏面上保留高出钢轨+0.5 mm~1 mm的焊头金属。

（4）焊头的内侧及外侧与钢轨的两侧平齐。

（5）在浇注结束15 min时去掉楔子。

（6）若使用了起轨器，在浇注后30 min将其撤掉。

1.2.10 精打磨

精打磨目的是去除由于焊接生成的任何几何不连续表面缺陷。精打磨应焊缝温度低于90℃以下时进行。注意：千万不能集中在某一处打磨过度，避免在短时高温的条件下产生易断裂的马氏体晶粒，并边检测边打磨直至符合质量要求。

1.2.11 收尾

清理焊接现场的废渣、废料，在焊头旁写好焊接标记，完成焊接记录报告。

1.2.12 焊头检测

焊头所有工序完成后，探伤人员对焊头进行探伤并给出探伤结论，如焊头有伤损，说明本次焊接失败，按伤损等级重新安排计划换轨焊接，并分析焊接失败原因，制定整改措施，预防下次焊接出现同样问题。

2 焊接的注意事项

2.1 焊接现场的准备工作

挖洞之前一定要检查是否有地下电缆,对任何会导致火灾或安全事故的隐患进行清除。进行铝热焊接及处理洞的地方要保持干燥。

2.2 钢轨端头的准备工作

钢轨端头必须使用锯轨机切割，确定以前未被气焊或电焊过。钢轨端头的对正应包括水平、纵向、扭转、发现有倾斜的轨枕或低接头，必须在钢轨对正之前将该区域整平。如无特殊要求，不要增加或减短钢轨的长度，以免影响钢轨的无应力温度。移动钢轨不要用锤子敲击，要通过钢轨垫板来调节，最好整根移动。

2.3 安装模具

底托和砂模应对称于轨缝中心线安装，安装完毕后用纸板将砂模口盖上。封箱泥均匀涂抹，不宜过多，以免水气不易排出。

2.4 预热

火焰调整好，预热器正式就位并调节好火焰开始计时，预热时间根据轨型选定，不要将加热砂模边缘的分流塞推进入口。

2.5 浇注

焊剂必须在预热完毕后30 s之内点燃。将点火引信插入焊剂中，最深为25 mm。当废渣停止流动时，开始计时。

2.6 拆除砂模与推瘤

在废渣冷却之后，方可将废渣盘内的废渣倒入废渣处理洞中。在浇注结束5 min后拆模。在浇注结束6.5 min后，可进行焊头推瘤。

2.7 打磨

粗打磨时操作者与钢轨保持一定距离，精打磨时不要在某一处打磨过度而造成钢轨淬火。

3 常见焊接质量缺陷及原因分析

3.1 常见的一些钢轨焊接质量缺陷

钢轨轨顶咬边、钢轨热裂纹、钢轨焊接产生气孔、钢轨表面拉伤等等。

3.2 原因分析

（1）焊头上拱、外观超标或出现高低接头

其原因一是对轨时预留上拱度过大，焊后不按时复位；二是焊头两侧钢轨受力不对称；三是新旧钢轨磨耗程度各不相同，两钢轨端面高差较大；四是钢轨端面与钢轨纵轴线不垂直，钢轨端面不平整，间隙距离超限，使加热器不能正确对中，预热不均匀；五是打磨焊缝经验不足，打磨过量，使焊头接口处产生凹陷；六是安装砂模时，在钢轨表面与砂模之间存在2 mm～5 mm的缝隙，致使堵封泥侵入砂模内，并残留于钢轨表面上，使个别焊缝与钢轨母材表面结合部出现1 mm～2 mm的凹陷不平顺，形成拗边现象，这六个原因会出现焊头上拱，外观超标或出现高低接头。

（2）焊头裂缝

其原因是在高温时，焊头受到了外力作用，拆除砂模打口柱以及推瘤时间过早，焊头降温速度过快引起裂缝。

（3）焊头出现气孔、夹杂物

其原因是砂模、坩埚、焊剂受潮；焊剂质量存在问题；镇静时间不够或铝热反应不充分，浇入砂型后继续作用形成气孔、夹杂物。

（4）钢水泄漏

其原因是在焊接过程中，由于焊接封箱人员操作不当，封泥未封全面存在缝隙或模具受潮等因素，造成焊接钢水在注入焊道时钢水泄漏(俗称“跑箱”)，影响焊缝质量。

（5）焊头未焊透

钢轨预热温度低，或预热后温度降低过量，轨端处理不彻底导致钢轨未焊合。

（6）焊头过烧

待焊钢轨预热不均匀，出现熔融现象。

3.4 钢轨焊接质量提升及常见的缺陷预防措施

（1）焊接材料储存与检查

一是砂模、坩埚、焊剂储存时必须选择地势较高并常年保持阴凉、干燥的仓库，并在仓库地面铺隔层板与地面隔开，防止焊接材料受潮（另焊剂属于易燃材料必须要有专用的危险品仓库存放）；二是做好每个批次焊接材料的登记入库，搬运时必须轻拿轻放，定期对储存的焊接材料进行抽样检查，查看坩埚、砂模、焊剂有无开裂、受潮等现象，定期清理过期的焊接材料（目前焊接材料保质期为2年），对长时间未使用并过期的焊接材料，及时清理并通知有关部门回收后妥善处理；三是对每个不同批次的焊接材料进行质量检验，目前工区能做到的检验方式是，对每个不同批次焊接材料抽取1-2套进行焊接试验，焊接后查看每个焊头表面有无异样，同时焊头必须经过探伤确认无伤，此批焊接材料才可上道使用，如试验出现材料问题及时与有关部门联系，及时更换掉整批次的焊接材料。

（2）焊接作业前工具、材料的检查

焊接作业使用材料、工具装车运输前，再次检查待使用焊接材料有无开裂、受潮现象并带好备用工具及材料，搬运时轻拿轻放并归类摆放妥当确保运输时不受影响，运输时过程中控制车速避免太大颠簸造成材料、工具破损，焊接材料严禁受潮并远离火种源。

到达施工现场后搬运材料、工具轻拿轻放避免材料、工具受损，搬运到位后开箱检查每个砂模、坩埚有无破损，焊剂有无受潮现象，禁止有问题的材料上道焊接。

（3）焊接过程控制措

一是检查待焊钢轨轨缝、两侧轨端高差是否符合要求，最新要求高差不得超过3 mm，对轨时上拱度不宜过高，必须将轨缝控制在25 cm～28 cm的范围以内；二是安装模具前检查清洁情况，待焊钢轨的两个端面必须清洁彻底，安装模具后严禁将异物落入型腔内，砂型研磨后底清理型腔内的浮砂，砂型合箱后如有错位，必重新打开砂型并清理型腔内部以及待焊钢轨的两个端面，封箱泥不得太潮湿且涂抹不易过多；三是预热温度必须达到800℃～900℃，钢轨预热完毕放置坩埚时一定要将浇注口放置在砂型上方中央不可偏斜；四是在整个焊接过程中严禁踩踏、敲击、撬动等有任何扰动待焊轨作业，焊头浇筑完毕后，焊头温度温度高于300℃严禁拆除对轨设备，必须温度降至300℃以下才可拆除对轨设备；五是严格按照工艺要求的时间进行拆箱和推瘤作业；六是气温较高或较低时，钢轨会随气温变化膨胀或收缩变化较大时，应采用钢轨拉伸器固定好焊缝保持轨缝大小不变。

通过以上介绍的这些措施更好的预防钢轨焊接质量出现缺陷，进一步提升钢轨焊接质量。

4 结束语

铺设无缝线路是铁路提速重载运输发展的需要,是减少钢轨接头,延长轨道使用寿命的有效手段。钢轨铝热焊接技术具有设备简单、操作方便、作业时间短、占用空间小等优点,成为区间无缝线路、跨区间超长无缝线路的铺设,以及无缝线路伤损处理原位焊复重要的焊接方法之一。我国铝热焊接头焊后热处理工艺的应用，铝热焊接头整体正火、轨顶局部淬火加自热回火热处理工艺为国内外首创，其接头性能满足轨顶耐磨，接头整体强韧性高的要求，其成果已运用于大秦线75kg/m PD2轨全长淬火钢轨的焊接。我国的铝热焊接技术自20世纪80年代以来有了实质性的提高，已达到国际先进水平。

本文根据我段近几年进行钢轨铝热焊焊接管理工作的实际,主要描述了法国钢轨铝热焊接的焊接工具、铝热焊接的施工工艺、对常见焊接中的质量缺陷进行了分析，通过焊缝的修整、焊头打磨等方面对焊接的质量进行控制。目前钢轨的焊接是铺设无缝线路技术的难点之一，尤其是既有线现场的焊接，铝热焊接质量的控制需要不断加强焊轨人员的专业技术培训与学习，严格按照工艺流程与技术指标进行操作，同时做好焊接质量的跟踪调查分析，并对特殊条件下铝热焊焊接工艺进行调整，不断总结现场施工经验，以确保钢轨接头铝热焊焊接质量达到规定的标准。