钢轨铝热焊焊头粗磨技术工艺流程与方法研究*

金能龙，左世鑫

（1.湖南高速铁路职业技术学院，湖南 衡阳421002；2.中铁一局集团新运工程公司，陕西 咸阳712000）

铝热焊是钢轨焊接的主要方法之一，主要用于道岔焊接及伤损钢轨的修复，具有操作简单、便捷、不需要大型设备等特点。钢轨焊头平直度对列车安全、平稳、舒适运行有很大关系，钢轨焊接完成后要对焊筋进行打磨，打磨分为粗打磨与精打磨，通过打磨使钢轨焊头平直度与廓形满足行车需要。

1 铝热焊的焊接工艺流程及特点

铝热焊的主要工艺流程为：作业准备→轨端除锈→对轨→夹具安装→砂模安装→封箱→预热→焊接浇铸→拆模推瘤→热打磨（粗磨）→冷打磨（精磨）→外观及探伤检查→收尾工作[1]。

与闪光焊、气压焊对比，铝热焊具有以下特点：一是铝热焊是用化学反应热作为热源的焊接方法。焊接时，预先把待焊两工件的端头固定在铸型内，现场使用坩埚、焊剂制备钢水，注入铸型。所以铝热焊焊筋与钢轨母材相比，硬度与强度有明显的不足。二是铝热焊焊接完成后未采用正火消除热影响区，导致母材出现软化现象，铝热焊焊筋及热影响区的硬度明显低于钢轨母材，在使用过程中容易造成低焊头。三是在焊接完成后的推瘤过程中，预留余量比较大，需要及时采用热打磨的方式进行粗磨。四是铝热焊焊接对轨难度虽小于闪光焊（受焊机夹持钢轨需要和焊接车体的影响，钢轨一般会被垫高），但需采用对轨架对轨，因此在对轨时需认真调整位置，预留合理的上拱度。对轨质量对钢轨粗磨、精磨都有重要的影响。上拱度一般通过实验确定，根据相关经验，上拱度一般在1.3~1.6 mm范围之内。

2 铝热焊粗磨工艺流程及特点

铝热焊剂浇铸完成到规定时间6 min 30 s后（不同类型焊剂其规定时间不同，可根据说明书执行），要及时进行推瘤作业。浇铸10 min后，要对铝热焊焊头粗磨，此时钢轨轨温较高，因此采用热打磨方式。打磨时打磨人员要穿戴好防护用品（防护眼镜、护腿等），防止烫伤。

一般采用仿形打磨机对钢轨顶面及工作边进行热打磨。热打磨后要采用光电测温仪进行焊头轨温测量，打磨时要充分预留因钢轨冷却所产生的收缩量，防止产生低焊头。例如60 kg/m钢轨热打磨后的轨温为500℃，钢轨伸缩量公式为

式中：α为钢轨线膨胀系数，0.011 8 mm/（mm·℃）；l为60 kg/m钢轨高度的一半，88 mm；Δt为钢轨轨温变化幅度。

当钢轨轨温从500℃降低到常温20℃时，钢轨顶面及工作边需要留有0.5 mm的伸缩量，因此在利用铝热焊方式对接钢轨时，还需要考虑预留钢轨冷打磨消耗量和最终顶面凸起量，一般最少要预留0.3 mm，其中预留精磨余量为0.2 mm，焊头顶面凸起量为0.1 mm。综合可得：如果粗磨后轨温为500℃，钢轨顶面需预留0.8 mm余量。对于工作边，因60 kg/m钢轨轨头宽度为73 mm，当温差为480℃时，可以计算出会产生0.2 mm回缩量，因此需预留0.5 mm以上的余量。在实际打磨过程中，需根据热打磨后轨温实测值进行计算预留。在没有条件进行轨温测量时，焊缝顶面预留值在1.0 mm左右，但也不宜超过1.5 mm，否则会加大精磨过程中的打磨量，降低打磨效率[2]；钢轨工作边的预留量一般约0.6 mm，不宜过大。在热打磨过程中，可以撤掉调尖峰用的楔形垫板，以保证后面测量平直度的准确可靠。

对钢轨顶面及工作边进行热打磨后，对钢轨轨底及轨腰进行热打磨，尽量去掉焊接推瘤后的毛刺，一般不打磨母材。因不需要将轨腰及轨底的焊筋打磨平整，只需要将焊筋打磨圆顺即可，当热打磨不能完全将焊筋打磨圆顺时，可以在精磨时精细修正，以实现焊筋及母材接触面良好过渡，不产生过大应力集中现象。要重视轨腰及轨底打磨时的圆顺程度，一方面可以增加焊头的使用寿命，另一方面可以减少探伤的工作量。

打磨过程中应尽量采用数控打磨机，打磨完成后要及时进行钢轨探伤，发现伤损焊头时，不能直接锯掉重焊，而需锯掉钢轨打磨部分的焊头和热影响区，再次焊接，最少应锯掉焊头两侧各150 mm。

3 铝热焊焊接及粗磨过程注意事项

一是铝热焊在焊接前对轨一定要精确，用对轨架进行调整，预留合理上拱度，要设置合理距离垫入垫块，焊筋处不能产生过大的向上应力。二是焊接后一定要及时进行热打磨，利用高温，加快打磨速度，但在热打磨时，因钢轨本身温度较高，所以进刀力度不宜太大，否则容易打磨发蓝，因此需合理控制进刀力度。三是在对钢轨进行焊头轨底、轨腰热打磨时，不能打磨母材。轨腰、轨底最终打磨要圆顺，母材与焊筋连接处应光滑。四是高温打磨钢轨轨顶面及工作边时，要考虑合理预留温降带来的回缩量，回缩量应采用计算方式求得，如果估算，应预留0.2 mm左右余量。五是打磨过程中要结合廓形进行打磨，在整个廓形面预留合理回缩量。六是焊后接头温度降低到300℃以下才能放车通行，焊头只能采用空冷模式，不能采用浇水等方法。七是热打磨过程中，要及时用1 m凹槽直尺或波磨尺量测焊头平直度，不能按照打磨痕迹进行估算，导致焊头超磨，出现低焊头。八是在热打磨过程中，只能打磨焊筋部分，不能打磨焊头热影响区部分，因热影响区硬度不足，会导致热影响区低踏，精磨时也不宜过度打磨热影响区。九是铝热焊焊接及钢轨打磨过程中，要严格做好相关记录，保证焊接及打磨过程数据可以溯源，应尽量采用电子记录，方便数据分析。十是粗磨完成后，要检查轨道的平直度和表面情况。检查钢轨端头有无裂缝、倾斜或其他缺陷，当轨端有低接头时必须锯掉重焊，有大于1 mm深的掉角、推伤等伤损时也必须锯除重焊。十一是在线路焊接修复中，要充分考虑无缝线路锁定轨温的合理性，确保锁定轨温符合设计要求。十二是当轨温低于5℃时不宜进行铝热焊接，当轨温较低、有雨或大风时，需要做好保温防雨防风措施。

4 结束语

铝热焊钢轨在粗磨过程中，要进行精细化管理，全面提高打磨人员的理论素养，合理计算粗磨过程中的预留回缩量，打磨过程中要考虑铝热焊轨腰轨底焊筋保留的特点，要将焊筋与母材连接处打磨得光滑圆顺，不能出现毛刺、不平现象，以减少应力集中，保证铝热焊焊头寿命。