近年来，铁路工务系统采取大面积铺设无缝线路的方式，不断满足人民群众对铁路运输快捷便利、平稳舒适的迫切需求。工务段在维修保养过程中，会对断开后的无缝线路进行焊复，具有施工工艺简便、难度不高和便于现场操作等优点的钢轨铝热焊，成为解决问题的基本手段。近几年，我段大力推进钢轨铝热焊，使得线路平顺性、连续性得到改善，动态质量明显提高，安全控制能力大幅增强。下面结合工作实际，浅谈钢轨德国铝热焊工艺发展及应用。
一、铝热焊起源与发展
1895年, 德国化学家汉斯.高德斯密特(Hans Goldschmidt)应用铝和氧化铁进行化学反应还原出铁的原理发明了铝热焊技术，并应用于钢轨接头的焊接。1924年德国施密特首先使用铝热焊焊接长轨，成为铁路无缝线路发展的重要里程碑。随后，铝热焊技术在世界范围内得到广泛的推广运用，铝热焊技术的发明被载入人类科学重要发明的史册。我国从上个世纪初开始使用铝热焊。
二、铝热焊基本原理
1.基本原理。铝热化学反应是一个氧化还原的反应，利用还原金属（铝）和氧化金属（氧化铁），铁合金和铁钉屑等按比例配成的铝热焊剂，放在特制的坩埚中，用高温火柴点燃，立即产生强烈的化学反应，在反应过程中铁（Fe）被还原出来，由于铁比重大沉于坩埚底部，铝氧化成氧化铝（Al2O3）溶渣较轻，浮于上部，同时产生巨大的热量，高温的铝热钢水随即浇铸进轨缝砂模中，将两轨端熔化，浇注钢水本身又作为填充金属，将钢轨焊接起来。
2.反应过程
化学反应公式：Fe2O3+2Al—2Fe + Al2O3 + 850KJ
主要反应过程如下。
三、铝热焊前期准备
钢轨铝热焊工艺主要有三部分：前期准备，现场焊接，后续工作,共13项流程：准备工作→干燥钢轨→除锈去污→对轨→砂模安装→夹具安装→封箱→预热→坩埚使用→铝热反应→拆模→推瘤→打磨。
(一)前期准备
1.物品准备。
（1）耗材：主要为铝热焊剂、一次性坩埚、铝热焊砂型、高温火柴、封箱砂等。了解钢轨的型号，正确选择焊剂类型。
（2）辅助设备：钢轨切割机，推瘤机，钢轨打磨机，拉伸器等，要查看发电设备是否运转正常，液压系统工作是否正常，系统油料是否满足使用。
（3）辅助工具：预热枪及调节手柄，氧气丙烷气胶管，夹紧装置，丙烷、氧气表，三片模模板、两片模板，预热枪支架，一米直尺（塞尺），对轨架，钢楔，坩埚盖，灰渣盘等，要查看丙烷/氧气是否充足，是否有气体泄漏，回火阀是否安装。
2.线路准备。施工开始,要清理焊头位置道碴；上紧钢轨两侧至少50米范围内的扣件；拆除焊头两侧4~6根轨枕的扣件；调平拨直两侧钢轨。
3.钢轨准备。
（1）切割钢轨。提前将钢轨运送到施工现场，有损伤、缺口、磨损或者钢轨切口不规则、有螺栓孔的轨端必须切掉。切割钢轨端面与钢轨纵轴线垂直度误差不得大于0.15mm。
（2）钢轨干燥。对两端各500mm的范围进行烘干，去除表面水分。
（3）钢轨除锈去污。打磨完成后须将轨顶边缘倒角1*45º 。轨顶和作用边除锈500毫米，其他部位距离轨端50mm范围内,用钢丝刷或角磨机清除钢轨表面油污、锈蚀等污物，轨底要清洁。
（4）钢轨对接。一是尖点调整。用一米直尺的中点与焊缝中点重合，用钢楔子或对轨架进行高度调节，焊缝两侧各0.5米处钢轨行车面与直尺的间隙为1.8-2.3mm。二是水平对正。用一米直尺分別检查焊缝两端钢轨轨头、轨腰、轨底是否平直,如有误差,用对轨架或钢楔子进行调节。三是尖点塞规。以轨脚边为基准，控制轨缝宽度为28(+2-1mm)，如难以控制，用拉伸器械配合焊接。
（二）现场焊接
1.砂模安装。要先安装好底模，然后安装两边侧模，对中垂直安装，砂模沿边和钢轨密贴。砂模有裂痕或受潮不能使用，浇注孔略作修整，防止高温时砂脱落，形成夹渣。
2.夹具安装。由一人完成，均匀夹紧侧模板，设置预热枪头高度。
3.封箱。搅拌好的封箱砂，对各缝隙依次封砂打好基础，并用夯实捧捣实，修整外表。两侧模板之间的砂要略高于砂型，防止钢水从两侧流出。要将侧模板两侧的耳座，覆盖封箱砂用来保护侧模板。封箱完成后，将灰渣盘正确平稳落位，用保护板覆盖轨面，进行验收。
4.预热。先开一点氧气阀门，后打开丙烷阀门，然后点火，逐渐交替打开两个阀门，直到氧气阀门完全打开为止，再通过调节丙烷阀门来调节火焰大小，使火焰的长度保持在15—20mm，火焰为中性。氧气、丙烷和乙炔气瓶，氧气表必须是双重级，燃气表必须是高流量，焊接时控制工作压力为氧气：4.5bar，丙烷(乙炔）：1.2bar。轨头预热时间3分30秒-4分30秒，完成的温度为：950~1000℃，其颜色为亮黄色。
5.坩埚使用。清除坩埚内的浮砂，用桶拌均匀 3*3 次，将焊剂旋转倒入坩堝，焊剂顶部成一锥形，插入高温火柴，盖上坩埚盖，预热完成后迅速将坩埚安置于砂模侧模板的定位耳处。
6.铝热反应。反应时间：7"—15"，镇静时间：6"—18"，操作者应距坩埚3米以上。反应完成后，如果钢水不能浇铸下来，应该让钢水在坩埚中冷却20分钟后才能移动坩埚。灰渣流入灰渣盘后用砂覆盖，然后清除轨脚处的封箱砂。
（三）后续工作
1.拆模。浇铸完成后 1分钟，移去一次性坩堝，并将其放在干燥的地方，然后移去灰渣盘，将灰渣倒入坩埚中。4分30秒后，拆除侧模板和夹具装置，轨面清理干净，防止推瘤时残渣拉伤轨面。
2.推瘤。7分40秒后立即推瘤，要清理轨面，安装推瘤机，用撬棍向钢轨两侧扳开浇注棒。
3.打磨。推瘤完成后，进行粗打磨，焊后温度降到300攝氏度以下才能放車通行；二是浇铸完成 1小时后进行精打磨。三是检测平直度。用一米平直尺或电子平直仪，以焊缝为中点，钢轨一米范围内，顶面垂直方向 最大允许偏差≥0.2mm;导向面水平方向允许最大偏差≤0.3mm。
4.完成焊接。将灰渣、废钢料、砂模等清理干净，装入坩埚中，带到处理场所处理。将焊头涂油，做好标记，上紧扣件，捣固焊缝周围轨枕下的道碴。做好焊接记录。
5.超声波探伤。要全断面钢轨探伤确保焊接质量和行车安全。
四、安全注意事項
1.氧气、丙烷（乙炔）的存放、运输、使用，必须遵照国家易燃易爆物品使用管理条例执行。氧气、丙烷（乙炔）安全距离为7.5米。
2.隧道内焊接必须使用乙炔。
3.高温火柴与焊剂要分开放，绝不能放在衣袋里。
4.焊剂、坩埚、砂型要严格防潮，正在反应的焊剂及高温装置不能和水接触。不能用水性灭火剂，应该用干砂或者干粉灭火器。
5.确保燃气装置没有泄漏（可使用肥皂水检测），并且必须配置防止回火阀。如果发生回火，立即先关闭氧气阀门，后关闭丙烷或乙炔阀门。
6.在隧道、通风不良的地方，一定要使用乙炔预热系统。
7.当焊剂在坩埚中高温反应时，人员必须保持3米的安全距离。
8.不能使用的焊剂要与干砂混合，放在安全处。
9.反应生成的铝渣要放到反应过的坩埚中，不要随处乱丢，污染环境和易引起火灾。
10.钢轨打磨时应戴护目镜，没有安全防护不能使用打磨装置，要注意隔离打磨产生的火花。
论文作者:刘云龙
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/10
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