地鐵均回流銅排與鋼軌焊接方法的研究與應(yīng)用

郭鴻

摘 要：地鐵供電系統(tǒng)中采用鋼軌進(jìn)行均回流，均回流銅排需與鋼軌進(jìn)行放熱焊接；針對(duì)焊接易導(dǎo)致鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導(dǎo)致的燒軌問題，對(duì)均回流銅排焊接方法從工藝、焊藥用量、溫度控制、鋼軌探傷等方面進(jìn)行了研究分析；改進(jìn)施工方法，滿足過渡電阻、載流溫升、短路溫升、落錘、疲勞以及金相組織試驗(yàn)要求，消除地鐵運(yùn)營(yíng)安全隱患。

關(guān)鍵詞：地鐵 均回流銅排 焊藥 焊接 方法

中圖分類號(hào)：U231.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）01（b）-0109-02

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)大中型城市交通擁堵狀況日益加重，修建地鐵已成為大中城市緩解城市交通擁堵的最佳選擇。地鐵供電工程利用鋼軌進(jìn)行回流，由于電流大，均回流電纜根數(shù)多，所以采用在鋼軌軌腰處焊接均回流銅排來滿足接線的需要。均回流銅排和鋼軌材質(zhì)不同，焊接會(huì)導(dǎo)致鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導(dǎo)致的燒軌事故。如何改進(jìn)均回流銅排與鋼軌焊接方法，消除地鐵運(yùn)營(yíng)安全隱患，指導(dǎo)后續(xù)地鐵的建設(shè)施工變得十分必要。

筆者結(jié)合多年工程實(shí)踐及有關(guān)試驗(yàn)研究情況，對(duì)地鐵均回流銅排與鋼軌焊接方法進(jìn)行研究，改進(jìn)了施工方法，消除了焊接導(dǎo)致的鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導(dǎo)致的燒軌事故。

1 目前放熱焊接方法存在的問題

目前地鐵均回流銅排與鋼軌焊接主要采用放熱焊接，工藝要求較高，存在預(yù)熱時(shí)溫度把握不好，焊藥劑量使用不當(dāng)，回火（冷卻）環(huán)節(jié)控制不嚴(yán)，導(dǎo)致鋼軌內(nèi)部金相組織發(fā)生變化，形成非常脆的馬氏體組織，對(duì)鋼軌造成一定的傷害，導(dǎo)致鋼軌斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。在某條地鐵運(yùn)營(yíng)線中，曾發(fā)生過因均回流焊接導(dǎo)致的鋼軌斷裂情況，如圖1。尤其是在高架區(qū)段，受溫差變化的影響，會(huì)給地鐵運(yùn)營(yíng)帶來安全隱患。

2 改進(jìn)后的施工方法

2.1 工藝原理

通過鋁與氧化銅的化學(xué)反應(yīng)（放熱反應(yīng)）產(chǎn)生液態(tài)高溫銅液和氧化鋁的殘?jiān)?，并利用放熱反?yīng)所產(chǎn)生的高溫來實(shí)現(xiàn)均回流銅排與鋼軌熔接的焊接工藝。

3Cu2O+2Al點(diǎn)燃6Cu+Al2O3+熱量（2537℃）

2.2 工藝流程

地鐵均回流銅排焊接工藝流程見圖2。

2.3 操作要點(diǎn)

2.3.1 制作接線銅排

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況加工接線銅排，規(guī)格為10×100 mm的銅排，長(zhǎng)度現(xiàn)場(chǎng)確定，為保證電氣連接性能，銅排表面應(yīng)作鍍錫處理。

2.3.2 打磨焊點(diǎn)處鋼軌

根據(jù)均、回流點(diǎn)的位置，找到具體的焊點(diǎn)，以該點(diǎn)為中心向兩邊在鋼軌上劃兩條豎線，兩條線之間的距離應(yīng)比接線板的寬度寬約40 mm。

用角磨機(jī)在劃定的區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)鋼軌進(jìn)行除銹處理，將鋼軌表面部分除銹，露出光亮部分即可。

2.3.3 預(yù)熱模具及鋼軌

用液化氣噴槍對(duì)模具的裝藥孔的內(nèi)壁進(jìn)行十秒鐘的烘烤，對(duì)模具的內(nèi)壁進(jìn)行預(yù)熱處理，如圖3。

用液化氣噴槍在鋼軌焊接點(diǎn)的背面對(duì)鋼軌進(jìn)行加熱至400 ℃；加熱過程中用專用的紅外線激光溫度測(cè)試儀對(duì)鋼軌實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，嚴(yán)格控制溫度，防止鋼軌過熱或溫度不夠，如圖4。

模具及鋼軌加熱完畢后，將模具安裝在焊點(diǎn)位置，將所焊接的接線銅排穿入模具。

2.3.4 安裝模具和接線銅排

焊接時(shí)均回流接線銅排的端部與鋼軌的間隙為2～5 mm，為控制間隙，所有的銅排在運(yùn)抵施工現(xiàn)場(chǎng)前應(yīng)在接線銅排上畫出2 mm和5 mm間隙的刻度線，操作員到現(xiàn)場(chǎng)后只要保證露出一根刻度線即可保證間隙在2～5 mm之間，將模具與鋼軌固定牢固。如圖5、6所示。

2.3.5 放入焊藥及點(diǎn)火

將一專用墊片放入儲(chǔ)藥孔底部，防止藥放入后焊藥漏入穿線孔；墊片放入后，根據(jù)焊藥的使用說明，放入儲(chǔ)藥孔內(nèi)相應(yīng)劑量的焊藥。每個(gè)焊點(diǎn)是750號(hào)焊劑用量，即3包200號(hào)焊劑加1包150號(hào)焊劑，如圖7。

將點(diǎn)火引藥放進(jìn)儲(chǔ)藥孔內(nèi)的焊藥上面，將少許引藥放在模具的儲(chǔ)藥孔的上部邊緣，然后將儲(chǔ)藥孔蓋上。

用點(diǎn)火槍將儲(chǔ)藥孔的上部邊緣的引藥點(diǎn)燃，引燃儲(chǔ)藥孔內(nèi)的焊藥，通過燃燒產(chǎn)生的高溫以及焊劑的作用，將鋼軌表面與熔解的均回流銅排端頭表面熔合在一起。

2.3.6 處理焊點(diǎn)及鋼軌

焊藥熔劑冷卻1分鐘后，將模具取下，將焊點(diǎn)上的殘?jiān)秒姾稿N敲下，同時(shí)將模具儲(chǔ)藥孔及穿線孔內(nèi)的殘?jiān)謇砀蓛簦⒂秒姾稿N對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行敲打檢查焊點(diǎn)的焊接質(zhì)量。

在取下模具進(jìn)行焊點(diǎn)處理的同時(shí)，用液化氣噴槍或乙炔氣焊槍對(duì)焊點(diǎn)背面的鋼軌表面進(jìn)行加熱，加熱時(shí)間為10 min，并應(yīng)對(duì)不同的季節(jié)控制不同的時(shí)間，以加熱至鋼軌軌溫達(dá)到400 ℃為宜，使鋼軌緩慢降溫（緩冷），即對(duì)鋼軌進(jìn)行正火處理來恢復(fù)鋼軌的金相組織，以防止焊接對(duì)鋼軌內(nèi)部結(jié)構(gòu)帶來變化損害鋼軌。

接線銅排焊接完成后需在鋼軌與銅排接觸處（焊點(diǎn)處）涂抹瀝青，以防止焊接處氧化。

2.3.7 安裝支撐絕緣棒

回流及均流接線銅排由于只有一端焊接在軌腰，在線路中心的另一端受電纜及本身的重力影響時(shí)間長(zhǎng)了以后會(huì)向下彎曲，為保證銅排的強(qiáng)度，在銅排端部的下方安裝一根絕緣棒作為支撐。根據(jù)焊接后接線板的高度，確定絕緣棒的高度。絕緣棒可采用環(huán)氧樹脂棒，根據(jù)實(shí)際長(zhǎng)度的需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行裁割。在絕緣棒的上端打孔，然后采用φ10×35熱鍍鋅螺栓與銅排連接即可。

2.3.8 焊點(diǎn)處探傷

依據(jù)《鋼軌超聲波探傷探頭技術(shù)條件》（TB/T 2634-1995），對(duì)焊點(diǎn)處進(jìn)行涂油、探傷，探傷儀顯示不允許出現(xiàn)馬氏體或明顯的貝氏體組織；金相組織檢驗(yàn)，金相組織應(yīng)為珠光體，允許有少量鐵素體。

2.4 質(zhì)量控制措施

（1）焊接前必須對(duì)模具和鋼軌進(jìn)行預(yù)熱處理，焊接后必須對(duì)鋼軌進(jìn)行緩冷處理，鋼軌軌溫均應(yīng)達(dá)到400 ℃為宜，以防止溫度的劇烈變化對(duì)鋼軌帶來的傷害。模具在卸載后請(qǐng)及時(shí)用毛刷將模具腔內(nèi)的殘留物清除，以作好下一個(gè)焊接的準(zhǔn)備。模具在第一個(gè)焊接點(diǎn)結(jié)束后一個(gè)小時(shí)內(nèi)重新焊接新焊點(diǎn)，可以不用進(jìn)行預(yù)熱處理。endprint

（2）在焊接過程中，嚴(yán)格按照操作要求控制鋼軌的溫度。

（3）在焊接前必須用砂紙將銅排端頭的氧化層打磨掉。

（4）銅排穿入模具后，應(yīng)保證銅排與模具接觸密實(shí)無縫隙，當(dāng)模具使用幾次出現(xiàn)縫隙后，應(yīng)用防火泥進(jìn)行封嚴(yán)，防止熔解的焊劑外流影響焊接質(zhì)量。

（5）對(duì)鋼軌進(jìn)行加熱時(shí)應(yīng)均勻，火焰應(yīng)不停來回移動(dòng)，嚴(yán)禁火焰對(duì)準(zhǔn)一處持續(xù)加熱。

（6）嚴(yán)格按照要求控制焊藥用量。

（7）焊接只能在軌腰中部，焊接點(diǎn)應(yīng)距鋼軌接頭600 mm以上。

（8）嚴(yán)禁在同一焊點(diǎn)二次焊接。

（9）正式焊接前，須在試驗(yàn)軌上進(jìn)行焊接工藝試驗(yàn)，滿足《鋼軌焊接第1部分：通用技術(shù)條件》（TB/T 1632.1-2005）規(guī)定的落錘試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)的要求。還需進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，金相組織應(yīng)為珠光體，允許有少量鐵素體，但不允許出現(xiàn)馬氏體或明顯的貝氏體組織，焊接熱影響的晶粒度與母體相比，差值不得大于一級(jí)。

（10）對(duì)每一處焊點(diǎn)進(jìn)行超聲波探傷，施焊處不得產(chǎn)生過燒、裂紋等有害缺陷，并滿足《鋼軌超聲波探傷探頭技術(shù)條件》（TB/T 2634-1995）的要求。

2.5 安全注意事項(xiàng)

（1）在進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)后，施工人員必須配戴安全帽，穿工作服和防護(hù)服，不準(zhǔn)穿拖鞋及高跟鞋。嚴(yán)禁作業(yè)人員在鐵軌上坐臥、休息。

（2）放熱反應(yīng)瞬間完成，時(shí)間是3～4 s，模具的溫度較高，嚴(yán)禁用手拿或觸碰模具，卸載模具時(shí)一定要帶好手套，以免灼傷，并由專人負(fù)責(zé)操作。

（3）熱熔焊劑必須在專用的熱焊模具中使用，要嚴(yán)格按要求使用，以免引起意外。

（4）點(diǎn)火焊接時(shí)，操作人員應(yīng)戴好手套和做好必要的防護(hù)措施，點(diǎn)燃反應(yīng)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)操作人員與熱焊模具保持0.5 m的距離，同時(shí)操作人員和所有現(xiàn)場(chǎng)人員都不要站在熱焊模具反應(yīng)口的正面，以免少量火星噴射導(dǎo)致灼傷。

（5）嚴(yán)格按工序進(jìn)行焊接，不得顛倒施工工序，避免造成意外情況發(fā)生。

（6）焊接前要辦理動(dòng)火證，配備看火人員和滅火器。

3 結(jié)語

該焊接方法在北京地鐵10號(hào)線一期南段和北京地鐵9號(hào)線中得到了應(yīng)用和推廣。地鐵均回流銅排與鋼軌焊接方法工藝要求高，為了避免發(fā)生焊接導(dǎo)致鋼軌過燒、裂紋、斷軌以及回流不暢導(dǎo)致的燒軌問題，必須嚴(yán)格遵守每道工藝流程，精心施工，方能滿足過渡電阻、載流溫升、短路溫升、落錘、疲勞以及金相組織等各項(xiàng)指標(biāo)要求，消除地鐵運(yùn)營(yíng)安全隱患，達(dá)到預(yù)期效果。

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