鋼軌鋁熱焊接技術(shù)在高速鐵路上的應(yīng)用

都秋麗

(中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建福州 350014)

1 鋁熱焊概述

1.1 鋁熱焊接原理

氧化物中較弱活動性的金屬在與較強活動性金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時，被分離還原出氧化物，此過程為鋁熱焊接的化學(xué)過程。在溫度足夠高的前提下，活動性較強的鋁可將氧從重金屬氧化物中分離，進而還原出重金屬。比如錳、釩、鈦、鎢、鐵等在與鋁的反應(yīng)中被分離出氧化物，且出現(xiàn)放熱現(xiàn)象，溫度最高值可達2 200℃ ～3 200℃，對象金屬最終變?yōu)橐簯B(tài)形式。50 kg/m，60 kg/m與75 kg/m鋼軌是主要焊接種類;PD3，U74，U71Mn，淬火軌，稀土軌等是主要的可焊接鋼種。津秦高鐵主要使用60 kg/m鋼軌及U71Mn可焊接鋼種。

下式為鋼軌鋁熱焊接之化學(xué)方程式:

1.2 高鐵焊接上應(yīng)用鋁熱焊接技術(shù)

1)做好焊接工作準備。包括所攜帶工具與焊接需要是否相符，工具有無故障，焊接材料有無過期等，相關(guān)人員到位安排妥當與否，對安全隱患仔細排查，如線路有無破損、漏電情況。

2)做好焊接鋼軌端頭清理。鋼軌端頭清理范圍應(yīng)在200 mm內(nèi)，對存在的突刺、氧化物做好處理工作，以及除污、除銹等。

3)對齊鋼軌的端頭。主要三個方面，軌腰、(非)工作邊、軌底的對正是基本的要求，最后再以鋼板尺做審核;尖點控制幅度與軌縫尺寸大小。觀察津秦高鐵，26 mm～28 mm的軌縫為津秦高鐵軌縫值，該處考慮到軌縫可能受外部環(huán)境制約對靜彎荷載有影響。另外18 mm～19 mm為尖點控制值;過高尖點可能會對母材發(fā)生影響;過低尖點也會因接頭低影響高鐵運行。圖1為靜彎荷載在差異軌縫焊接接頭所表現(xiàn)的曲線圖。

圖1 靜彎荷載在差異軌縫焊接接頭表現(xiàn)曲線圖

4)砂模安裝。首先，做好檢查，如有無裂紋與否、受潮與否。安裝的順序應(yīng)該自下到上進行，并做好紙板覆蓋，防止安裝完成的砂模內(nèi)掉入異物。對封箱泥做好濕度檢查，過潮或過干會引起焊接氣泡或漏漿現(xiàn)象。以封箱泥為材料對砂模進行封堵，做好合適的夯實。為避免工具在鐵水濺出時被損毀，可將封箱泥涂抹在夾具螺紋與廢渣流出位置。準備多個堵漏棒，以備不時之需。

5)做好預(yù)熱工作。通常預(yù)熱時間是5 min，但可以根據(jù)實際施工時空氣溫度、鋼軌種類做調(diào)整，在上下30 s內(nèi)做增減浮動。60 kg/m為津秦高鐵道岔鋼軌型號，通常是16℃ ～24℃的軌溫，為此采取正常5 min預(yù)熱，預(yù)熱完成后，軌道溫度上升為960℃ ～1 000℃。觀察砂模兩側(cè)是否有藍色火焰冒出，且對稱均勻。

6)準備焊接。對焊劑做好認真檢查，包括有無過期、受潮、異物等情況，若無，則可傾倒在坩堝之中。

7)澆筑。預(yù)熱完成后，在砂模上部放入分流塞，在中上部位放置坩堝，在23 mm～25 mm值內(nèi)插入焊劑并點火，立刻把坩堝蓋上，做澆筑。同時，準備堵漏，避免泄露鋼水。

8)砂模的拆解。坩堝在完成澆筑1 min左右可移走，砂模與夾具在5 min左右也應(yīng)拆解。

9)推瘤。推瘤應(yīng)該在澆筑完成6 min左右進行，推瘤時間不能太早，過早推瘤會出現(xiàn)裂紋源，這主要是溫度、時間沒達到要求所致。對推瘤機刀頭的檢查可有效避免焊頭拉傷，要引起注意。

10)打磨。冷打磨與熱打磨是主要的打磨方式，熱打磨在700℃以下進行，需按一定順序進行，鋼軌上部內(nèi)側(cè)→鋼軌內(nèi)側(cè)面→鋼軌外側(cè)面，要保持0.9 mm～1.0 mm的打磨余量。冷打磨在90℃進行。允許的最大平直度偏差因速度區(qū)段差異取值也不盡相同(見表1)，大于200 km/h的速度參考是津秦高鐵打磨時的參考標準。最后，超聲波探傷發(fā)生在小于50℃的情況下。

表1 打磨允許的最大偏差表

2 焊接過程出現(xiàn)的問題分析與預(yù)防方法

軌道焊接需要對表面清理干凈，并做好質(zhì)量檢查工作。同樣檢測內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要超聲波探傷方式進行。

2.1 氣孔問題

利用超聲波對氣孔進行探測，其波形特征為:回波高度值在單個氣孔表現(xiàn)很低，波形在各位置探測一樣。氣孔密集則波形較多，同時在調(diào)換探測方向時出現(xiàn)明顯的高低起伏情況。氣體放出與焊縫的凝結(jié)都會出現(xiàn)氣孔。出現(xiàn)氣孔原因是焊劑受潮、變質(zhì)，封箱泥太過潮濕，軌縫含水，較短的焊劑燃燒時間，外部環(huán)境濕度過大問題，用以預(yù)熱的燃氣含有較高量的水分等。為此，應(yīng)做好焊劑的檢測，拒絕使用受潮、變質(zhì)焊劑;合理使用封箱泥用量，要求封箱泥干燥度適中，避免過干、過濕;使用高純度預(yù)熱燃氣，避免焊縫中留有水蒸汽導(dǎo)致氣泡出現(xiàn);嚴格控制焊劑中高溫火柴的插入度，若太深則會加快反應(yīng)，鎮(zhèn)靜的過程短，澆筑時間提前，在砂模中持續(xù)反應(yīng)，造成氣孔出現(xiàn)。

2.2 夾雜

夾雜波形特點與氣孔大致相同，但探測角度發(fā)生差異時變化則較為明顯。出現(xiàn)夾雜的情況多是砂模中含殘渣;鎮(zhèn)靜時間過短的提前澆筑導(dǎo)致熔渣排除困難;軌縫中存在沒清理完全的鐵銹;砂模內(nèi)不慎掉入封箱泥等。因此，對砂模掉渣、破損情況檢查是安裝前的必要工作，并清理干凈浮砂;200 mm范圍內(nèi)的鋼軌端頭應(yīng)做好焊前鐵銹清理，以及軌底、軌頭、鋼軌端面、軌腰等部位;砂模完成安裝后以紙板覆蓋，防止砂模內(nèi)掉入雜物;對焊劑做好檢查，不使用偏析焊劑;在焊劑中插入高溫火柴應(yīng)深度適中，防止過快的反應(yīng)速度。

2.3 縮孔疏松

該問題表現(xiàn)為樹狀波峰以及松散回波形式。主要由于預(yù)熱軌頭時不均衡，澆筑口的散熱速度太快。因此，要做好預(yù)熱溫度、時間把控，在預(yù)熱時確保軌頭斷面豎直;外部環(huán)境溫度過低應(yīng)對焊頭保溫，延長散熱時間;當小于15℃的鋼軌溫度時，可將軌溫加熱到37℃。

2.4 未焊透

波形特點為反射波在焊縫兩側(cè)幾乎相同，波幅低，或同時顯示多支波。出現(xiàn)原因為預(yù)熱時間以及溫度未達標準值，焊縫間隙尺寸問題，在軌底角邊緣不易被預(yù)熱;較快的拆模、推瘤，焊縫未凝結(jié)就發(fā)生鋼軌移動。為此，要做好預(yù)熱時間的把控，根據(jù)施工現(xiàn)場情況做預(yù)熱時間調(diào)整，以保證預(yù)熱溫度合適;避免鋼軌移動;推瘤時間、軌縫預(yù)留的寬度也應(yīng)嚴格控制。

2.5 裂紋

該問題反映的波形特點是波幅寬、較高的回波。主要是由于不均衡受熱，冷卻時間過短;應(yīng)力產(chǎn)生過早。對此，應(yīng)對預(yù)熱的均衡性、溫度、時間加以控制;切勿受力提前以及振動鋼軌;切勿突然冷卻結(jié)晶焊縫，如以水澆潑冷卻。

3 結(jié)語

津秦高鐵鋁熱焊接頭共計864個，焊接接頭都進行了超聲波探傷檢測，全部達到規(guī)范標準。此技術(shù)經(jīng)過廣泛的應(yīng)用和實踐，技術(shù)趨于成熟和穩(wěn)定，隨著我國科技的發(fā)展，高鐵時速還將往上提升，無縫線路將成為鐵軌的主要形式。鋁熱焊技術(shù)可有效節(jié)約成本，延長鐵軌使用，保證列車行駛的安全。本文主要對鋁熱焊技術(shù)做了簡單探討，并分析焊接過程產(chǎn)生的問題，提出了相應(yīng)的解決策略，希望促進我國焊接技術(shù)發(fā)展。

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