沙特南北鐵路無縫線路焊接技術(shù)

王金成

(中鐵十八局集團國際工程有限公司，天津 300222)

1　工程概況

沙特南北鐵路是沙特國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點工程，其全長約2 400 km，是中東地區(qū)修建的第一條高標準現(xiàn)代化的重載鐵路。全線呈“T”字型布置，由客運線和礦運線組成：其客運線的設(shè)計時速為160 km/h，從南部首都利雅得出發(fā)，途徑中部幾個省份，直至北部約旦國邊境的庫瑞亞特鎮(zhèn)；其礦運線的設(shè)計時速是110 km/h，從焦夫省出發(fā)，經(jīng)哈伊勒和布賴代直至達曼省。

此項目所在CTW200標段位于“T”字型鐵路的交叉區(qū)域，由主線和連接線等部分組成，合計約460 km。CTW200標段位于沙特北部高原沙漠地帶，雨水少，白天溫度高達31～47 ℃。天氣炎熱干燥，且沙塵暴頻繁。

沙特南北鐵路設(shè)計為有碴軌道無縫線路，其中軌枕是由德國公司現(xiàn)場預(yù)制的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土軌枕；鋼軌采用中國生產(chǎn)的UIC60E1型鋼軌；道岔和扣件是從德國進口的；線路上無縫線路的焊接是采用法國鋁熱焊技術(shù)，焊劑是由法國生產(chǎn)的；設(shè)計規(guī)范要求焊縫必須控制在(25±2)mm范圍內(nèi)，設(shè)計和原材料都是高標準的。

目前，應(yīng)用于無縫線路鋼軌焊接的焊接技術(shù)主要有閃光焊焊接技術(shù)、氣壓焊焊接技術(shù)、鋁熱焊焊接技術(shù)和電弧焊焊接技術(shù)[1]。本項目主要采用的焊接技術(shù)為閃光焊和鋁熱焊，其中閃光焊主要用在生產(chǎn)焊軌車間，把標準長度鋼軌加工成鋪設(shè)所需的長鋼軌，再由鋪軌機運輸?shù)浆F(xiàn)場鋪設(shè)到線路上；然后用施工工藝簡單、便于現(xiàn)場操作和使用的鋁熱焊技術(shù)焊接成無縫線路，本文主要闡述了現(xiàn)場鋁熱焊的無縫線路焊接。

2　鋁熱焊施工原理

鋁熱焊是應(yīng)用鋁和氧化鐵發(fā)生化學(xué)反應(yīng)置換出鐵的原理而形成的一種鋼軌焊接技術(shù)，即鋁熱反應(yīng)Fe2O3+2Al=2Fe+Al2O3。具體原理是點燃坩堝中的鋁熱焊劑，促使鋁與氧化鐵發(fā)生反應(yīng)，氧化鐵在高溫下被還原成鐵水，并與焊劑中其他的添加元素發(fā)生反應(yīng)后形成具有特定化學(xué)成分的鋼水，因其比重大，待反應(yīng)完成后高溫鋼水釋放至連接兩根鋼軌的耐高溫砂型中，同時較高溫度的鋼水與兩軌端產(chǎn)生一定的物理和化學(xué)作用，待鋼水與軌端冷卻后可將兩根鋼軌焊接在一起[2]。

但是在進行現(xiàn)場鋼軌的焊接之前，鋁熱焊必須先做樣本檢測，以確保焊接技術(shù)缺陷率控制在技術(shù)規(guī)范以內(nèi)。焊接樣本由焊接在一起的兩段長度至少為75 cm的鋼軌構(gòu)成。送檢的樣本應(yīng)取3個，檢測時對所有樣本進行X光測試，然后對其中的兩個進行彎曲試驗；另一個樣本進行硬度測試。所有檢測合格后方可進行現(xiàn)場鋁熱焊施工。

3　現(xiàn)場焊接施工工藝流程

沙特南北鐵路鋁熱焊施工工藝主要流程為：1)現(xiàn)場準備工作；2)軌道的準備；3)鋼軌的對正；4)砂模的安裝；5)預(yù)熱；6)坩堝的準備；7)澆注；8)拆模與除瘤；9)打磨；10)收尾工作。

4　現(xiàn)場焊接施工過程

沙特南北鐵路無縫線路是采用法國鋁熱焊焊劑和焊接技術(shù)把單元軌連接起來形成的?，F(xiàn)場鋁熱焊接質(zhì)量的好壞將直接影響到以后無縫線路的使用壽命及安全。因此，如何保證現(xiàn)場鋁熱焊接的質(zhì)量是關(guān)鍵，而焊接的每步操作都會影響焊接的質(zhì)量，所以，每個步驟都要嚴格按照規(guī)范要求進行。

4.1　焊接現(xiàn)場的準備工作

1)人員、機具準備。根據(jù)工期安排及現(xiàn)場情況，合理配備施工人員，合理安排輔助機械、輔助設(shè)備和消耗物資的進場及供應(yīng)。特種作業(yè)人員必須持有相關(guān)上崗證件，并經(jīng)崗前技術(shù)安全培訓(xùn)。

2)焊劑與模具檢查。焊工要檢查并確認施工過程中所有必需的工具、材料是否齊全良好，主要為：確保焊劑要包裹在密封袋中，并有標簽以表明焊接類型等；確保焊劑的類型要與鋼軌材質(zhì)相匹配；對模具進行完整性目檢，一旦發(fā)現(xiàn)有缺陷的模具，應(yīng)做打碎、丟棄處理，堅決不能使用。

3)對焊接現(xiàn)場進行全面檢查，清除任何可能導(dǎo)致火災(zāi)或安全事故的隱患。軌道需完成應(yīng)力放散并且鎖定，保證鋁熱焊區(qū)域干燥，道床清理干凈。

4)從焊縫兩側(cè)鋼軌開始，每一側(cè)松開2～4組扣件，然后將至少50 m范圍內(nèi)的鋼軌扣件按規(guī)范鎖緊，并在焊縫兩側(cè)各第一個鎖緊扣件處的鋼軌上，做劃線記號以便觀察鋼軌移動。

5)確認鋼軌的間隙，確保距離軌枕不小于100 mm，否則焊接前應(yīng)先調(diào)枕。

6)針對沙塵暴天氣，預(yù)先準備可快速組裝拆卸的防風(fēng)帳篷，在帳篷內(nèi)焊接，防止形成砂缺陷。

4.2　軌道的準備工作

1)焊接前除去間隙下方的道碴，在水平面和垂直面內(nèi)都要對鋼軌端面進行精確校準，確保鋼軌端面要和走行面垂直，否則應(yīng)對鋼軌進行切割處理。為了補償由于熱收縮造成的焊縫高度降低，鋼軌的兩個焊接端應(yīng)有適量的上拱，但上拱度不宜過大[3]。

2)在距軌端50 mm范圍內(nèi)，用角磨機和鋼絲刷對焊接鋼軌的端面、軌頭、軌要、軌腳和軌底進行打磨清污除銹，要特別注意將軌底打磨清潔干凈。如果清理不徹底會引起焊接接頭多孔等質(zhì)量問題。

3)確認鋼軌端部的幾何形狀、尺寸以及是否有裂紋，必要時再次截??；檢查鋼軌端頭是否影響正確的模具布置，必要時打磨。

4)檢查軌頭情況，如有壓塌應(yīng)先鋸軌。鋸軌時應(yīng)注意保證鋼軌斷面的垂直度，不能出現(xiàn)內(nèi)斜；外斜時，應(yīng)保證兩軌頭上下間距在23～27 mm范圍內(nèi)。

5)保證鋼軌端頭的垂直公差為1.0 mm，且端頭以前未被氣焊或電焊過。

圖1　鋸軌

4.3　鋼軌的對正

焊接前，要用復(fù)合軌弦對所有鋼軌進行檢查，鋼軌必須以軌腳處為基準，正確控制軌縫寬度。

1)水平調(diào)整：軌頭焊縫間距為(25±2) mm，用一米直尺分別檢查焊縫兩端鋼軌軌頭兩側(cè)、軌腳兩側(cè)是否平直(如圖2)。如有偏差，用對軌架或者鋼楔子進行調(diào)節(jié)，軌頭側(cè)面以行車面為基準進行調(diào)整。

圖2　軌端示意圖

2)尖點調(diào)整：將一米直尺自由放置在軌頂，使其中點與焊縫中點相重合，用對軌架或者鋼楔子對軌端高度進行調(diào)節(jié)，使直尺的兩個端部與軌頂之間的間隙為1.5～2 mm(如圖3)。

圖3　使用米尺調(diào)軌

鋼軌端頭的對正是鋁熱焊接工藝中最難也是很關(guān)鍵的一個步驟，在鋼軌端頭對正的過程中，絕對不要踩在鋼軌上；而且對正好后，要按照同樣的程序再重新檢查一遍，確保對正的準確性。

4.4　砂模的安裝

1)確認砂型無裂痕、無缺損、無受潮，否則不能使用。砂型澆注孔略作休整，防止預(yù)熱和澆注時砂粒脫落，造成焊接夾渣。必要時，將砂型貼合鋼軌側(cè)面進行左右摩擦，使砂型與鋼軌裝配處緊密貼合，所有影響砂模精確定位的缺陷必須去除(如果砂型與鋼軌配合不良，可能會造成鋼水泄漏)。

圖4　安裝砂模

2)首先對準焊縫中心線，安放好模具夾，并與軌底垂直，然后安裝模具，使模具中心與焊縫對正，最后精確校正擰緊螺栓。按先兩長邊后兩短邊的順序在基板上涂好密封劑后安裝基板，要求雙手同時操作，確保基板精確對位后同時上兩端固定卡扣。

3)在砂模的出料口及夾具螺紋處抹上防漏泥。安裝砂型過程中，切勿讓砂粒等雜物落入焊縫型腔內(nèi)，必要時，封箱后用吹風(fēng)機或預(yù)熱槍去槍頭后吹出焊縫型腔內(nèi)的雜物。

4.5　預(yù)熱

預(yù)熱是鋁熱焊的重要工藝因素，其可以消除砂模中殘余濕氣含量和提高鋼軌及砂模的溫度。其過程如下：

1)安裝預(yù)熱器支架，調(diào)整預(yù)熱槍頭到合適高度，調(diào)節(jié)槍頭垂直并在焊縫中的位置，前后左右置中。

2)調(diào)節(jié)火焰：先微開預(yù)熱槍的氧氣閥門，3 s后微開丙烷閥門，再點火，然后交替開大兩個閥門，直到氧氣閥門完全打開。調(diào)節(jié)丙烷閥門，控制火焰形態(tài)，使藍色的焰芯長度保持在15～20 mm范圍內(nèi)。

3)用預(yù)熱槍對兩個灰渣盤稍做烘烤，去除灰渣盤可能帶有的水分。

4)將預(yù)熱槍安放在預(yù)熱支架上，火焰噴到澆注孔開始預(yù)熱，控制火焰長度大約50 cm，預(yù)熱時間為4～5 min。預(yù)熱期間，要對密封效果進行檢查，確保密封正常。

5)密切關(guān)注整個預(yù)熱過程，特別是軌腰受熱顏色的變化，預(yù)熱完成后，軌腰的溫度為950～1 000 ℃，其顏色為亮黃色。

6)預(yù)熱完成，先關(guān)掉丙烷氣，后關(guān)掉氧氣，將預(yù)熱器拿出，操作時注意不要將砂模壁碰壞。

圖5　預(yù)熱

4.6　坩堝的準備

首先確認坩堝壁、自熔塞完好無損，清理并倒出坩堝內(nèi)浮砂；然后檢查焊藥包，確保焊藥的包裝袋是密封并且干燥的，焊藥包不能有破裂或受潮，杜絕使用結(jié)塊的焊劑；最后將自熔塞安裝于底部中央位置，在焊藥包內(nèi)將焊劑反復(fù)傾倒3次，混合均勻后倒入坩堝中。

4.7　澆注

1)預(yù)熱結(jié)束后，立即將一次性坩堝放置在砂模的正中央，取出坩堝內(nèi)高溫火柴擦燃，然后輕而穩(wěn)地將高溫火柴2/3長度插入焊劑錐形頂部，點燃焊劑，迅速蓋上坩堝蓋，所有人員退離到安全距離。

2)當坩堝蓋孔一旦出現(xiàn)明火時，說明焊劑反應(yīng)開始，反應(yīng)時長一般為8～15 s，待明火出現(xiàn)迅速萎縮，則為焊劑反應(yīng)結(jié)束。

3)當坩堝底部一旦出現(xiàn)鋼水時，即為鋼水落下時間。鋼水落下與焊劑反應(yīng)結(jié)束之間的時間間隔為鋼水鎮(zhèn)靜時間。

4.8　拆模與推瘤

1)澆鑄完成后2 min移去坩堝，將其放在干燥、無易燃物的地方，然后移去灰渣盤，并將灰渣倒入坩堝中。

2)澆鑄完成后4 min 30 s，拆除模板和夾具裝置。在拆除模板過程中一定要小心，不要晃動砂型，更不能拉裂砂型，以免影響焊縫金屬的正常結(jié)晶。甚至導(dǎo)致砂型開裂，鋼水流出。用熱切除法除去焊頭的頂部，除掉冒出的焊料，檢查鋼水，如果是液態(tài)，不要繼續(xù)拆模，清理鋼軌焊接表面已變干的密封膠泥。

3)澆注完成后6 min 30 s，用尖錘輕輕鑿去頂部部分，用液壓自動推鎦刀切除多余的焊料至鋼軌輪廓，軌腰處凸出的焊料打彎，以便打磨機打磨焊頭。用錘子和鑿子去除廢料時要防止將焊縫內(nèi)的材料一同鑿掉。

4)澆注8 min 30 s后開始推瘤，推瘤不能過早或過晚。推瘤過早會因軌頭硬度過軟而容易拉傷軌面，推瘤過遲會因軌頭硬度過硬而難以推除焊瘤。

4.9　打磨

1)熱打磨通常稱為粗打磨，是必須要做的一道工序，需將軌頭的頂面、軌距面和底面打磨到標準軌的輪廓，并用手工刨進行拋光。打磨順序一般為先作用面，后非作用面，先軌頂面，再側(cè)面，最后棱角，打磨時不用過量，要在鋼軌踏面上保留一定厚度的焊接金屬。焊縫兩側(cè)50 mm內(nèi)，減小打磨力度，防止出現(xiàn)凹凸不平。

2)冷打磨是為了除掉由于焊接生成的任何幾何不連續(xù)。冷打磨一般澆注后1 h后，對鋼軌表面進行冷打磨使其整體平齊，注意千萬不要在某一處打磨過度而造成鋼軌淬火(發(fā)藍現(xiàn)象)。做到寧可少打不可多打，邊打邊檢測直至達到規(guī)范要求為止。

3)焊頭冷卻后進行精磨，使其外觀質(zhì)量符合要求。打磨過程中要不間斷移動打磨機，防止在某一處過量打磨而形成淬火。

4)焊接接頭打磨后進行外觀質(zhì)量檢測，焊縫及兩側(cè)100 mm范圍內(nèi)不能有壓痕、碰痕、劃傷及電擊傷等缺陷。

4.10　收尾工作

以上工作完畢后，焊工應(yīng)徹底清理焊凸緣，去掉毛刺，并清除焊接現(xiàn)場，完成焊接記錄報告。每個焊接接頭都應(yīng)在焊接完成后進行超聲波探傷。若發(fā)現(xiàn)焊頭任何部位有未焊透、裂紋、氣孔、夾雜物等有害缺陷，應(yīng)予重焊。

5　結(jié)語

沙特南北鐵路是沙特境內(nèi)第一條高標準鐵路，其技術(shù)人員、設(shè)備配置和施工工藝存在很大局限性，而且線路處在干熱高溫的沙漠氣候環(huán)境里，要徹底消除鋁熱焊接頭缺陷是很難的。為了將缺陷率控制在標準范圍內(nèi)，項目根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取了以下技術(shù)和管理措施：

1)施工人員必須接受培訓(xùn)，掌握各工序的工藝后才能上崗，且施工過程中要嚴格按照規(guī)范進行操作。

2)應(yīng)安排專人對原材料進行管理，確保原材料符合質(zhì)量要求。

3)鋸軌和打磨時一定要徹底清理各種油污和銹漬。

4)鋼軌端頭對正時，軌端間距要控制好，應(yīng)反復(fù)多次檢查，確保軌頭對位的精準性。

5)拆模時間不能過早，防止由于快速降溫導(dǎo)致開裂。

精細技術(shù)措施固然重要，但切實有效的管理措施也不能放松，只有二者密切結(jié)合，才會更好地保證焊接質(zhì)量，確保線路將來能安全高效地運行。

[1] 國家鐵路局.TB/T 1632.1—2014鋼軌焊接通用技術(shù)條件[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[2] 法國拉伊臺克國際公司.QPCJ鋼軌鋁熱焊接工藝操作指導(dǎo)手冊[Z].武漢:法國拉伊臺克國際公司(武漢)分公司，1999:1-2.

[3] 朱敏，吉玉，鄭建國，等.耐蝕鋼軌U68CuCr鋁熱焊工藝試驗[J].武鋼技術(shù)，2015，53(1)：36-38.