关键词 高速铁路 铝热焊接 施工技术 质量控制
1概述
铝热焊接材料包含铝热焊剂、砂型、一次性坩埚、高温火柴、封箱材料等。铝热焊接方法是将配好的铝热焊剂放到特制的坩埚中，用高温火柴引燃焊剂，发生强烈的化学反应，铝被氧化后形成熔渣上浮，氧化铁中的铁被置换后形成铁水沉于坩埚底部，得到一定高温（约3000℃）的钢水，铁水烧穿石棉垫，被注入到对正的钢轨端部砂模中，冷却后去除砂型，并及时推凸除瘤、打磨，将两节钢轨焊接成一体的焊接方法。铝热焊是一种工艺简单、快速高效的浇注焊接技术，适合工地流动作业，用于道岔焊接和无缝线路的锁定焊接，以及抢修作业等。
2施工工艺要点
铝热焊接施工工艺包括施工准备、轨端处理、钢轨对正、砂模安装及封砂、预热、点火浇筑、拆除砂模及推凸除瘤、焊头打磨、检查验收等工序。
2.1施工准备：铝热焊接前应完成轨道线路调整，满足线路平顺性要求；选择适合的焊剂；完成铝热焊接型式试验，获得详细的焊接工艺参数。
2.2轨端处理：钢轨焊接前应对轨端进行处理。采用锯轨机切除钢轨变形部分，保证截面轮廓完好，轨端不垂直度＜0.8mm，并对轨头边缘倒角1mm×45°，轨缝控制在27±2mm范围。用角磨机或钢丝刷对焊接钢轨端部、两侧和轨底的锈迹进行打磨清理。在冬季或者潮湿、多雨地区施工时，钢轨除锈前可用预热枪对钢轨焊缝两端各500mm范围进行烘烤，充分排除钢轨表面水分 。
2.3钢轨对正及尖峰值调整：钢轨对正前应先对轨道方向和高低进行检查，以满足平顺性要求。安装钢轨对正架，使各调整螺栓就位（触及钢轨即可，不得上紧调整螺栓），用1m直尺检查轨端对正情况（卸开无孔钢轨接头后，两轨端仍应基本对正）。按对正架操作程序，松紧相应的调整螺栓，采用楔铁配合对正钢轨（水平对平、纵向对直、扭转对正）调整钢轨尖峰值。将直尺置于钢轨顶面、并以轨缝居中，用楔铁在轨缝两侧的轨枕上将轨端上调（轨底的两侧同时打进楔形垫板，以防钢轨侧移），亦可用对正架调尖峰。尖峰值约为1.6mm，即直尺为水平状态时，直尺两端尺下间隙均为1.6mm，注意不得用直尺一端贴紧钢轨，而另一端翘起3.2mm的方法来检查尖峰值（这样检测容易忽视两边的钢轨不均匀上抬的因素）。重新检查轨缝间隙、尖峰值、纵向对直、钢轨无扭转。焊接钢轨两侧10米范围内必须严格按照规定上紧轨道扣件，确保焊接时轨缝间隙不得发生移动，影响焊接质量，甚至发生钢水泄露。
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图2.3 钢轨对正及尖峰值调整
2.4砂模安装及封砂：检查砂模无受潮、裂纹、变形，各组件不缺件、状态良好。将侧砂模在轨缝处进行摩擦，使其与钢轨密贴，清除浮砂，底砂模置于金属板中。密封膏挤入底砂模两侧的槽中后将底砂模与金属底板架于轨底，并以轨缝居中，拧紧金属底板的固定螺丝（同时在底板下侧轻轻敲打，以使底板与钢轨密贴）。
重复确认轨端的对正情况及尖峰值。将两侧的砂模装入侧模夹板中并置于底板上，并以轨缝居中。安装侧模夹具后将砂模上部开口盖住，采用封箱砂封堵缝隙，外面再加一层封箱砂进行加固。安置熔渣盘，在砂模熔渣流出口及夹具螺纹上抹一层封箱砂，在熔渣盘底部，垫一层干砂，准备两根堵漏棒（在末棍端部包以封箱砂）。
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图2.4 砂模安装及封砂
2.5预热、点火浇筑:安放预热器支架，并调整它的位置，使预热器处于砂模的中央、高低适中。调节氧气、丙烷压力，使得丙烷的压力为0.07MPa（0.7kg/cm2）,氧气压力为0.49 MPa（4.9kg/cm2）。
在砂模外稍许打开焊炬的丙烷阀门，点燃火焰并将丙烷阀门再稍许开大些 ，缓慢打开焊炬的氧气阀门。调整两个阀门的开度，直到丙烷气阀门完全打开，而氧气阀门也开到一个适当的程度，使得焊炬的火焰获得一个约12mm长的焰心（通常为蓝色）。将焊炬迅速放在支架上，并使焊炬置于砂模的中央定位，火焰从砂模的两侧均匀地冒出来。火焰稳定之时，按下秒表开始计时，60kg/m钢轨预热时间约为５分钟。将分流塞置于砂模边缘进行加热，刻字的一侧朝向火焰，并使其靠近火焰但不在火焰中，到规定的预热时间（确认时间，秒表按停），将焊炬从砂模中取出，此时轨头，轨腰应为亮黄色（温度约950～1000℃）。将分流塞放到砂模顶部的中央开口处，并用木棒轻轻压实。将预热过程中准备好的坩埚放在砂模上，并使其在砂模上居中，打开钳锅盖，点燃高温火柴，并将其插入焊药中（最深不得超过25mm）引燃焊剂，重新盖上钳锅盖（在预热结束后，焊药必须在30秒钟之内点燃）等待焊剂反应。当熔渣停止流入熔渣盘（砂模中流出最后一滴多余钢水）时浇注完毕，按下秒表开始计时。
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图2.5.1 预热 图2.5.2 点火浇注
2.6拆除砂模及推凸除瘤：浇注完毕后５分钟开始拆模作业。撤走钳锅及熔渣盘，拆除侧模夹具和金属底板。用热切凿切除焊头的顶部，推入铁铲中、并清理轨顶面、侧面的封箱砂，将外侧钢柱敲掉。安装好推瘤机，浇注完成后６分30秒开始推瘤（时间未到之前不要推瘤），将小钢柱从轨侧推开，并从柱基处切除。
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图2.6 推凸除瘤
2.7焊头打磨：浇注完毕后10分钟，可以对焊缝进行热打磨，热打磨后，焊缝顶面及内侧面必须高出钢轨母材0.8mm以上。浇注后15分钟，撤掉调尖峰用的楔形垫板及钢轨对正架。浇注完毕约１小时后可进行冷打磨作业，至此尖峰应完全消失，经冷打磨后，焊缝外形尺寸应符合设计规范的要求，冷打磨作业过程不得出现使钢轨发蓝的现象。
焊接接头经外形精整后，以焊缝为中心的1m范围内，不得出现低接头。轨顶面的表面不平整度应满足：在任意200mm区段内不大于0.2mm，在任意100mm区段内不宜大于0.1mm。
2.8质量检查验收：焊头经打磨后进行超声波无损探伤，探伤应在轨温降到50℃以下时进行。探伤人员应经过培训，且有铁道行业无损检测的Ⅱ级或以上级别的技术资格。探伤合格后应对焊头进行标识。
3常见问题及质量控制要点
现场铝热焊接接头常见的问题气孔、夹渣、接头错牙、热裂、低接头等，分析其原因及控制措施主要有以下几种情况：
3.1气孔
产生原因：（1）焊剂储存不善受潮，在点火焊接过程中高温下焊剂中的水分分解产生气体或形成水汽未排出，被带入焊缝中产生气孔。（2）封箱砂过湿，用量过大，轨底砂模使用密封膏太多，在预热过程中未能烘干导致湿气进入焊缝形成气孔。（3）钢轨端部垂直度不够、轨缝不满足要求、者预热不均匀、不充分，浇筑前准备时间过长导致轨端温度降低，在轨底脚附近容易产生气孔。
控制预防措施：（1）妥善保管焊剂，库房应干燥，并对底部进行支垫，防止受潮。（2）在环境湿润、多雨潮湿地区施工，应做好防雨，并避免过早打开包装，遇到降雨天气应停止焊接作业。（3）封箱过程中应选择适量的密封膏涂抹在钢轨底部砂模上。（4）封箱砂应至少分两次涂抹，首次应用中指或食指挤紧缝隙处，然后再在外面处理加固一遍，结束后由焊接负责人进行全面检查后方可进行下一步工作。（5）控制钢轨端垂直度和轨缝宽度。在锯轨前检查焊机支架定位及支架螺栓的紧固程度，检查锯片是否有变形，有变形的锯片禁止使用，锯轨作业应选择经验丰富的作业人员进行。
3.2夹渣
产生原因：（1）封箱时，砂模口未覆盖导致异物进入或砂模上带有杂质、松散砂粒。（2）砂模与钢轨间有缝隙，封箱过程中将封箱砂挤入砂模内部。（3）锯轨或轨端除锈后未将金属碎屑或杂物清理干净，导致浇筑后形成夹渣。（4）推凸前未将浇筑物周围的砂模清理干净或推凸预留值不足，导致砂模中的杂质挤入焊缝。
控制预防措施：（1）封箱前应将砂模在轨缝处进行摩擦，使其与钢轨密贴，并清除浮砂。（2）砂模拼装后预热前采用纸片覆盖砂模口及浇筑孔并压好。（3）砂模安装前应将钢轨端部及砂模上异物、杂质清理干净。（4）推凸前将浇筑物周围的砂模尽可能的清理干净，并留足够的推凸预留值。
3.3接头错牙
产生原因：（1）轨缝两侧钢轨断面尺寸不一致，导致错牙。（2）对轨过程后，对轨架或楔型铁块未固定好发生移动。（3）焊接过程中，周围环境发生扰动，导致钢轨错牙。（4）安装好砂模后未进行二次调整对轨或对轨过程中未使用塞尺进行测量。
控制预防措施：（1）如钢轨断面不一致，则在对轨过程中优先控制轨顶面及钢轨内侧工作边的平直度，并避免焊缝两侧钢轨扭曲。（2）对轨过程中将对轨架及楔型铁块放置在基础稳固的地方，使对轨架及楔型铁块施工过程中受力均匀，避免基础变形引起钢轨错牙或尖峰值改变。（3）安装好砂模后，对钢轨接头尖峰值进行检查调整。
3.4热裂
产生原因：（1）焊接过程中由于突然降雨等原因引起气温聚降，两侧钢轨收缩使焊头位置提前承受拉力，导致焊头产生裂纹。（2）在焊接接头内部结晶没有完全形成前过早进行推馏作业，使焊头部位提前受力产生裂纹。（3）周围环境产生扰动，使焊缝两侧钢轨应力变化使钢轨产生裂纹。
控制预防措施：（1）焊接前密切关注天气情况，如有降雨征兆，应停止焊接作业。（2）严格按照型式试验获取的试验参数控制推凸作业时间。（3）焊接作业过程中，禁止在焊头附近进行影响焊接作业的施工，避免焊头受外力影响。
3.5低接头
产生原因：（1）焊接前尖峰值调整有误。（2）焊接后，提前拆除了对轨架及楔形铁块，过早的安装钢轨扣件给焊缝施加了竖直向下的力，产生低接头。
控制预防措施：（1）严格按照型式试验获取的试验参数控制尖峰值。（2）严格控制对正架拆除时间及扣件安装时间。
4结束语
钢轨铝热焊接施工是无缝线路施工中非常重要的一部分，被广泛的应用在道岔接头焊接和线路抢修中。钢轨焊接接头质量直接关系到乘车的舒适性及列车运营安全，本文通过对铝热焊接原材料的储存管理及铝热焊接施工技术过程控制总结，论述了施工中常见的焊接接头缺陷产生原因及预防措施，可使铝热焊接接头施工质量得到有效的提高。
参考文献:
[1] TB10754-2018高速铁路轨道工程施工质量验收标准.北京：中国铁道出版社，2019.
[2] TB/T 3322-2013钢轨铝热焊接材料.北京:中国铁道出版社，2013.
[3] TB/T 1632-2014钢轨焊接 第1部分：通用技术条件.北京:中国铁道出版社，2014.
[4] TB/T 1632-2014钢轨焊接 第3部分：铝热焊接.北京:中国铁道出版社，2014.
论文作者:车旺强
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第23期
论文发表时间:2020/5/8